大型鑄鋼件中頻淬火工藝試驗(yàn)

王明禮，孫小東，陳翠麗，王麗霞，孫運(yùn)玲

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039）

與鍛件相比，鑄件內(nèi)部存在著大量的氣孔、砂眼，而且還存在著比鍛件嚴(yán)重得多的疏松等鑄造缺陷，在對(duì)其進(jìn)行中頻淬火加熱過(guò)程中，這些氣孔和嚴(yán)重的疏松部位將會(huì)形成局部渦流，致使缺陷處溫度過(guò)高，極易導(dǎo)致淬火裂紋。為了解決鑄件中頻淬火這一技術(shù)難題，對(duì)鑄鋼試樣進(jìn)行了中頻淬火工藝試驗(yàn)，以期得到理想的鑄件中頻淬火工藝。

1 試驗(yàn)材料

試樣材料為ZG42CrMo，鑄造后經(jīng)正、回火處理，尺寸為400 mm×200 mm×200 mm，其化學(xué)成分見表1；技術(shù)要求：表面硬度為55～62 HRC，硬化層深度為5 mm，表面無(wú)淬火裂紋。

表1 中頻淬火試樣的化學(xué)成分 %

2 工藝試驗(yàn)及檢測(cè)

2.1 1＃～6＃試樣中頻淬火試驗(yàn)

1?！?＃試樣的試驗(yàn)工藝參數(shù)見表2，采用的淬火設(shè)備是BPSD-100／2500。按表2中的6種淬火工藝試驗(yàn)后，對(duì)試樣進(jìn)行了回火處理，回火工藝為（170±10）℃×4 h。對(duì)回火后的試樣進(jìn)行了表面著色探傷、硬度及硬化層深度檢測(cè)，結(jié)果見表3。

從表3可以看出：除4＃試樣淬火后表面無(wú)裂紋外，其余5個(gè)試樣表面均存在著不同程度的裂紋。

表2 1?！?＃試樣中頻淬火工藝參數(shù)

表3 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

從表3還可以看出，除了3＃，6＃試樣的硬化層深度符合要求外，其余試樣的硬化層深度均未達(dá)到技術(shù)要求。盡管3＃，6＃兩個(gè)試樣的硬化層深度能夠達(dá)到技術(shù)要求，但是，由于這兩個(gè)試樣采用的工藝是低速和偏高溫度，故試樣淬火后均出現(xiàn)了淬火裂紋。4＃工藝雖然沒有出現(xiàn)淬火裂紋，但由于試驗(yàn)采用了較快的工件移動(dòng)速度，因此，硬化層深度及硬度均未達(dá)到技術(shù)要求。

2.2 7?！?＃試樣中頻淬火試驗(yàn)

為了解決淬火裂紋的問(wèn)題，通過(guò)降低中頻淬火溫度對(duì)7?！?＃試樣進(jìn)行了中頻淬火工藝試驗(yàn)。采用的淬火設(shè)備仍為BPSD-100／2500，7?！?＃試樣試驗(yàn)工藝參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果分別見表4和表5。

從表5可以看出，經(jīng)過(guò)著色探傷檢驗(yàn)，7＃，8＃，9＃試樣中頻淬火后均未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋，但是，由于淬火溫度較低，3個(gè)試樣的表面硬度和硬化層深度均沒有達(dá)到技術(shù)要求。

表4 7?！?＃試樣淬火工藝參數(shù)

表5 7?！?＃試樣試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.3 11＃～15＃和21＃～25＃試樣中頻淬火試驗(yàn)

為了找到能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的理想中頻淬火工藝，對(duì)原有的中頻淬火工藝進(jìn)行了比較大的改進(jìn)：（1）為工件在淬火前增加預(yù)處理工藝；（2）采用PAG作為中頻淬火的冷卻介質(zhì)；（3）降低淬火設(shè)備的頻率；（4）采用低溫起步的淬火工藝。

試驗(yàn)工藝參數(shù)見表6，檢測(cè)結(jié)果見表7。

表6 試樣工藝參數(shù)

表7 試驗(yàn)后檢查情況

從表7的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)改進(jìn)工藝后，所有試樣均未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋；除13＃～15＃，25＃試樣外，其余試樣的硬度、硬化層深度均符合技術(shù)要求。

3 結(jié)果分析

從以上工藝試驗(yàn)的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）中頻淬火前的預(yù)熱處理有效地避免了淬火裂紋的產(chǎn)生，并且明顯增加了硬化層深度。這是由于預(yù)熱處理可以有效地降低淬火時(shí)快速加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而避免了裂紋的產(chǎn)生。由于預(yù)處理可以給后續(xù)的淬火加熱積蓄熱量，使中頻淬火加熱層深度增加，因此，顯著提高了淬火后的硬化層深度。

（2）硬化層深度隨著淬火頻率的降低而增加。由文獻(xiàn)［1］知，在材料的ρ和μ一定時(shí)，頻率f越低，電流透入深度δ越大，淬火后得到的硬化層也就越深。

（3）使用PAG得到的硬化層深度比用聚乙烯醇淬火后的硬化層深度明顯增加。PAG是聚氧化乙烯和聚氧化丙烯的共聚物，調(diào)整兩者的比例，可以得到70～88℃的逆溶點(diǎn)。隨著溫度的上升，溶解度下降。由于逆溶性的存在，工件在淬火時(shí)，經(jīng)過(guò)蒸氣膜階段和沸騰階段后，工件周圍的液體溫度高于逆溶點(diǎn)，PAG析出并在工件表面形成一個(gè)PAG的溶質(zhì)膜。PAG的濃度越高，則該膜就越厚，溶液從工件脫熱的能力就越差。這就是PAG降低低溫區(qū)冷卻能力的機(jī)理。即控制PAG的濃度就可以控制PAG溶質(zhì)膜的厚度，從而可以得到比較理想的低溫區(qū)冷卻能力。

與聚乙烯醇相比，PAG在高溫階段基本保持了水的冷卻速度快的特點(diǎn)，低溫（300℃以下）階段冷卻速度慢的特點(diǎn)，因此，使用PAG淬火的零件具有較深的硬化層深度和較低的裂紋敏感性。

（4）工件移動(dòng)速度對(duì)硬化層有顯著的影響。工件移動(dòng)速度越低，硬化層就越深。但當(dāng)采用過(guò)低的工件移動(dòng)速度時(shí)，因?yàn)楣ぜ訜釙r(shí)間長(zhǎng)，極易增加工件表面的過(guò)熱傾向，導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生。由于鑄鋼材料內(nèi)部存在大量的氣孔、砂眼、嚴(yán)重的疏松等缺陷，這些鑄造缺陷對(duì)加熱溫度非常敏感，所以，在對(duì)鑄鋼件進(jìn)行中頻淬火時(shí)，不宜采用過(guò)低的工件移動(dòng)速度。

（5）結(jié)合生產(chǎn)效率等因素，得到理想的中頻淬火工藝為：800℃預(yù)熱+900℃淬火。在整個(gè)淬火工藝中，工件移動(dòng)速度為130 mm／min，淬火頻率為2 000 Hz，淬火介質(zhì)為6%的PAG。

4 結(jié)論

（1）中頻淬火前的預(yù)熱處理能夠明顯地降低鑄鋼件的裂紋敏感性，因此，可以有效避免淬火裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)，還能夠增加工件的硬化層深度。

（2）降低中頻淬火設(shè)備頻率，既能夠有效增加硬化層深度，又可以降低工件表面過(guò)熱程度，降低裂紋的敏感性。

（3）PAG淬火介質(zhì)與聚乙烯醇相比，前者更容易提高工件的硬化層深度，降低工件中頻淬火時(shí)的裂紋敏感性。

（4）在對(duì)鑄鋼件進(jìn)行中頻淬火時(shí)，采用低溫起步的方法可以有效防止鑄鋼件起步裂紋的產(chǎn)生。

（5）鑄鋼件的理想中頻淬火工藝為：800℃預(yù)熱+900℃淬火。