錐形輥子表面淬火技術

中冶陜壓重工設備有限公司 （陜西富平 711711） 陳 濤 馬紅利

我公司現有一批細長軸類錐形輥子，材質45鋼，工件尺寸如圖1所示，要求輥身表面淬火。具體熱處理技術要求：淬火前組織準備調質（28±3）HS；輥面淬火硬度60～70HS（45～52HRC）；淬火深度大于5mm。

技術難點：最大直徑與最小直徑相差過大，選用單匝感應器，在較小直徑處因感應器與工件間隙過大，漏磁加大，導致加熱困難；加之，感應器與工件的間隙不斷變化，致使加熱深度不同，金相組織轉變不同，進而加劇了變形。

圖1

1.工藝分析

（1）加熱方式分析 對于材料而言，欲想獲得材料的最好性能，滿足材料的服役條件，必須選取合理的熱處理方式來獲得理想的組織和適當的硬度以達到圖樣要求。

考慮到該工件形狀的特殊性，并鑒于硬度要求不是很高（45～52HRC），如果選用整體加熱，若采用水淬，變形較大，且會出現軟點；若采用硝鹽淬火，因硝鹽的急劇冷卻作用將會出現更大變形，且考慮到本車間現場無大型硝鹽槽，再者從煤氣爐加熱和起吊過程中會存在一定重力效應（在保溫過程中即會出現中部下垂），加劇其變形。

（2）感應器的選擇 工件的最大直徑為φ262mm，最小直徑φ170mm，單邊相差46mm。故選用φ275mm、高50mm的感應器。感應器是影響電效率和加熱質量的一個重要因素，而根據傳統工藝規范（見表1），該工件最小淬火處直徑φ170mm，感應器與工件間隙為52.5mm，中間部位因間隙過大，漏磁加大，加熱存在困難。從理論上講，因為漏磁過大，這么大的間隙感應加熱連續噴淬難以加熱工件，為了彌補能量的損失，我們在由一端到中間部位加熱過程中不斷加大功率。但是軋輥淬火時，溫度過高會導致組織惡化，而溫度過低，硬度又不足，因此在要求的硬化區內（深度方向）溫度應保持在規定范圍內。軋輥等圓柱體進行感應加熱時，如果表面散熱大，則要求增大加熱功率。我們選用連續噴淬，考慮到工件的瞬時加熱性，采用高度為50mm×25mm的方銅銅管（50mm為高），增加其電流密度，而在以往的淬火過程中，我們從未用過這么大的間隙進行加熱。

表1

（3）對變形的預防 加熱過程中利用頂尖對工件進行旋轉，可以克服因單邊間隙不勻帶來的加熱不均勻，這樣就消除了組織轉變的不同時性所帶來的應力差異，并且在加熱過程中適當提高功率，調整轉速和移速使之匹配，增加噴淋壓力，一定程度上減弱了螺旋光環效應。

2.補充工藝

熱處理的變形是不可避免的，各種預防措施只能在要求范圍內減小變形量，一般感應淬火加熱溫度越均勻、越低，淬火冷卻介質冷卻越均勻，冷卻速度盡可能低，能減少變形。變形是一個非常復雜的問題，它既與該淬火件預備熱處理狀態有關，亦受淬火前機加工應力情況影響，更與感應淬火時的加熱、冷卻是否正常、均勻直接關聯。

軸的直徑和長度是熱處理后其撓度變化的重要制約因素，根據以往實踐經驗，對于細長軸類碳鋼件表淬后會在長度方向出現伸長，這是表面受到殘余壓應力所致。

為了防止其變形，在淬火過程中對頂尖進行松動，通過此法可減小工件在淬火過程中因熱應力和組織轉變應力的交互作用所帶來的膨脹所致尺寸變形。因為淬火過程中，在由奧氏體向馬氏體轉變的過程中，由于馬氏體的比體積較大，會使其膨脹，若長度方向不弛豫此膨脹帶來的應力，這部分應力將轉移至直徑方向，從結構最單薄處即中心小直徑處進行釋放，引起變形。而此類錐形件的校直在實際操作中有很大困難，松動頂尖，一定程度上減小了變形。

3.現場具體工藝

工件表淬部位單邊留量0.7mm，表面粗糙度Ra3.2μm，之前調質硬度達210～218HBW。最佳頻率f=600/，δX取0.5cm，計算得f為2400Hz。但此公式僅為估算，還和感應圈設計尺寸、感應圈與零件間隙、冷卻水壓等有關。5mm為最小淬硬深度，取頻率2100～2200Hz，淬火水壓0.2MPa。

感應器與工件的間隙越小，電效率越高。相同硬化層深度值可以用不同的功率密度與不同加熱時間來達到。為了使工件均勻加熱，采用變換功率的方式，對其進行連續淬火，具體參數如圖2所示。

圖2 功率隨輥子位置的變化

4.工藝結果檢測及分析

關于工件淬火后硬度及變形，隨機抽出三件，結果如表2所示。經檢測，硬度完全達到要求，變形也在可控范圍內。之后對其進行180℃×8h回火，達到要求。

表2

此類錐度較大細長類工件應采用連續噴淬進行淬火，大小直徑差在50mm范圍內即可通過改變功率來加熱，完全可以采用單匝感應器來實現；頂尖的松動可以減小其變形，且易操作。

（20130714）