對厚壁工件中頻調質的幾點見解

王克虎，李艷麗

（石家莊探礦機械廠，河北 石家莊 050081）

熱處理通常是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的。大多數熱處理過程，首先必須把鋼加熱到奧氏體狀態，然后以適當的方式冷卻以獲得所期望的組織和性能。把鋼加熱獲得奧氏體的轉變過程稱為“奧氏體”化，奧氏體的形成過程由四個基本過程組成：奧氏體形核、奧氏體長大、剩余滲碳體的溶解和奧氏體成份均勻化。而近年來迅速發展起來的中頻熱處理，是以零保溫理論為基礎的，由普通的熱處理三個階段減少了保溫階段，從而使鋼的奧氏體化進行的不完全。雖然零保溫理論在學術界還存在爭議，但中頻熱處理以其投資小、見效快的絕對優勢倍受中小企業的青睞，尤其適用于鉆鋌等長桿類工件的調質處理。

圖1 中頻調質示意圖

1 中頻調質過程中經常出現的問題及原因分析

1．1 淬透性不足

造成此類現象和原因不外乎以下幾種情況：

（1）加熱不足。中頻加熱速度快，一般不進行保溫，先共析相不能充分溶解，中頻加熱表面淬火按正常溫度進行淬火會表現為加熱不足。在利用中頻加熱進行表面處理時可采用較高的淬火加熱溫度來加速先共析相的溶解。但利用中頻加熱對工件進行整體淬火時溫度過高，熱應力增高，易造成淬火開裂。

（2）中頻加熱是利用電磁感應原理，在工件表面產生的渦流對工件進行加熱，但渦流在被加熱工件中的分布由表面至心部呈指數規律遞減。因此而造成工件的內外溫度差異，致使內部淬火實際溫度偏低。中頻調質時電流頻率可依據被加熱工件厚度按下式進行計算：／

式中：δ——電流透入深度，mm；

f——電流頻率，Hz。

另外，材料本身淬透性較差，淬火介質冷卻能力不足也是造成淬透性不足的重要原因。

1．2 硬度、強度合格而沖擊功偏低

金相檢驗時，組織經常呈以下缺陷形式：

（1）晶粒較粗大并伴生晶間顯微裂紋。這往往是由于加熱溫度較高以及淬火介質冷卻特性不好。工件加熱溫度過高造成淬火熱應力增加，并使晶粒粗化，淬火形成粗大針狀馬氏體。淬火介質冷卻特性不好，在650℃以上和400℃以下Ms點附近等應當緩冷的區域冷速過快，增大了組織轉變應力，產生晶間顯微裂紋并增加開裂傾向，也降低了沖擊韌性。

1) 此故障診斷過程中在燃油泄漏報警故障沒有發出報警信號的情況下，柴油機油耗率起到關鍵性作用，極大地縮小故障診斷范圍，有效地提高故障診斷效率。因此，船舶能效管理系統中的柴油機燃油消耗率能夠在指導優化船舶能耗的同時，也能夠為船舶機械設備故障診斷提供有效依據。

（2）存在較多量的上貝氏體和塊粒狀鐵素體，鐵素體沿晶成網狀或趨網狀分布。這是由于工件淬火時進入冷卻介質時間間隔過長或大工件心部淬不透。造成塊狀鐵素體沿晶界析出并在隨后的冷卻過程中析出上貝氏體組織。調質硬度可通過控制回火溫度來加以控制，而強度和硬度又有如下近似關系：Rm約等于3．3倍的布氏硬度值，所以在做拉伸試驗時，材料強度并沒有明顯影響。但這種缺陷組織的存在，沖擊功明顯偏低。

（3）最常見的組織缺陷是回火索氏體加帶狀分布的鐵素體。這在中頻熱處理中是比較突出的問題。中頻熱處理以零保溫為其理論基礎，將奧氏體化的四個基本過程減少了最后的一個甚至二個過程，使原材料組織缺陷及成分偏析依然保留在淬、回火后的組織中。這種帶狀組織并不影響宏觀的硬度和縱向的屈服和抗拉強度，但對沖擊韌性卻有較大影響。

2 改進中頻調質的措施

針對所產生的上述問題及原因，要做好中頻調質，需從以下幾方面進行改進：

（1）選用淬透性較高的材料，以保證工件淬火后得到馬氏體或下貝氏體組織；

（2）采用高溫加熱降溫淬火。這樣既加速了先共析相的溶解又減小淬火熱應力，有效防止淬火開裂；

（3）依工件厚度采用合適的加熱頻率。使工件均勻受熱；

（4）根據材料選擇合適的淬火介質；

（5）在合適的位置設置噴淋裝置，控制工件淬火溫度；

（6）對生產線進行改造，加裝保溫裝置，使工件燒透并促進奧氏體成分均勻化。

3 改進中頻調質后所能達到的預期效果

只有在中頻調質過程中充分考慮到以上條件，被處理工件經過調質后才能達到預期的效果?，F以我廠經過反復試驗后改進的工藝舉例說明。

工件外形尺寸：φ159×φ72×6000mm

原材料：4145H

（1）化學成分

元素C Mn Cr Mo Si P S Cu W／%0．47 1．05 1．10 0．18 0．20 0．013 0．006 0．11

（2）根據GB225－88對材料進行淬透性試驗，其結果為：J58／1．5；J56／25；J49／50。

（3）根據GB10561－2001對原材料進行夾雜物評定：

類別粗系 細系A B C D A B C D級別1．0 1．0 0 0 2．0 1．0 0 0

（4）根據GB6394－2002標準該原材料晶粒度為8級。

（5）該材料供應狀態為退火態，組織為珠光體＋鐵素體，如圖2。

圖2

綜合上述情況：該工件壁厚43．5mm，壁厚較大，含有較高的提高淬透性的 Mn、Cr、Mo元素，淬透性較高。組織相對較均勻，適合于淬火處理。

現設定淬火處理工藝：工件行走速度0．17m／min；加熱中頻頻率180 Hz，加熱溫度880℃。保溫中頻頻率400 Hz，工件在保溫后入水溫度780℃。中頻加熱厚壁工件應盡量選用較低頻率以使工件燒透，為使工件溫度均勻加熱后應留有一定的保溫時間，使高溫的外層熱量向內層有充分的傳導時間。后邊的保溫中頻實際上是兼有保溫和控溫的雙重作用，既能促進溫度的均勻化又能使入水溫度不致過高而導致開裂。

淬火后還應在規定的時間內進行合理的回火，以達到工件所要求的強韌性，現制定回火工藝如下：工件行走速度0．17m／min；加熱中頻頻率110Hz，加熱溫度620℃，保溫中頻400 Hz，保持溫度在620℃。

經過此工藝處理的工件，自管體圓周方向120度三等分的壁厚中間取直徑12．7mm標距50．8mm的拉伸試樣和10×10×55的標準沖擊試樣分別在WAW－300C萬能試驗機和JB－300沖擊試驗機上進行試驗，結果如下表：

1＃ 2＃ 3＃標準抗拉強度Rm，MPa 1090 1050 1080 ≥965屈服強度Rp0．2，MPa 1040 990 1020 ≥758伸長率 A，% 17．0 16．0 16．5 ≥13．0斷面收縮率Z，%57．0 53．0 53．0沖擊功Akv，J 124 92 120 平均≥54，單件≥47

各項指標均達到API SPEC 7－1標準要求。

將工件取全截面進行低倍和金相分析，結果見圖3和圖4。

圖3

圖4

從圖3可以看出組織中從管體的外徑向內約20mm范圍內為均勻的回火索氏體，再向內開始出現鐵素體，并向內徑方向依次增多。圖4為壁厚中間處的調質組織為回火索氏體加少量的鐵素體，符合GB／T13320－1991標準3級要求。

綜上所述：經過對中頻調質工藝進行改進后各項指標均超過了標準要求，取得了較好的效果。

（略）