影響感應淬火質量的幾個因素

2014-11-25 11:41:42江蘇雙環齒輪有限公司淮安223200郝豐林

金屬加工(熱加工) 2014年2期

江蘇雙環齒輪有限公司（淮安 223200）郝豐林

1.感應淬火工藝分析

感應淬火提供了一種快速在線的熱處理加工方法，其熱效率高，加熱時間短，工件變形小，無氧化脫碳，易于進行局部熱處理，實現清潔生產，與冷加工共線，實現“一個流”生產。表面加熱淬火，必須以快速加熱為前提，即在很短的時間內將工件表層加熱到臨界點以上并完成奧氏體化，而感應過渡區以里的心部則處于低溫狀態，繼而冷卻淬火，從而使表面硬化。處理的工件具有更高的表面硬度和殘余壓應力，因而在扭轉載荷下表現出更優異的強度和抗疲勞性能。

由于感應淬火可以選擇的頻率段較多，工頻、中頻、超音頻、高頻、超高頻，硬化層的范圍比較寬，且可以比滲碳淬火做的更深，因而強度更高。具有合理的最佳靜扭強度和抗疲勞性能。因此，在一些載荷較大的農機軸、半軸、乘用車的輸出軸上得到應用。

我公司主要生產汽車傳動部件，許多軸類采用感應淬火，主要材料是中碳合金鋼，如40Cr(SAE5140H)、42CrMo4(SAE4140H)、50Mn(UNS10530)、35CrMnSiA等材料，主要是采用調質工藝，也有采用正火工藝。本文主要介紹實際生產中，感應淬火過程中出現的問題及相關的解決辦法。

感應淬火前的預備熱處理一般有三種，退火處理（球化退火）、正火、調質處理。對于退火工藝主要應用于高碳鋼如彈簧鋼材料和軸承材料。感應淬火前的預備熱處理具體采取什么形式，主要是根據圖樣要求，也有部分客戶提出要求，我們根據使用要求制定相關的感應淬火技術要求。

對于感應加熱，由于加熱時間短，基體組織越均勻，產生完全奧氏體的可能性越大，冷卻時產生完全馬氏體的幾率也大，直接影響表面硬度和感應淬火深度。調質后的碳化物更均勻，在較短的時間內由于碳化物易溶解于奧氏體內，速度快，均勻充分，得到的硬度高、均勻。調質硬度越高，其碳化物顆粒越細越均勻，則溶解效果越好。因而調質（球化退火）材料感應淬火效果最好，可以得到良好的表面硬度、淬硬層深度和金相組織。正火材料次之，正火材料感應加熱時間相對調質產品要長，也可以得到良好表面硬度和金相組織。由于正火（退火）的原始組織為片狀珠光體和鐵素體，正火易出現大塊狀或網狀鐵素體，組織不均勻性增大；短時間的快速加熱而導致碳化物來不及充分溶解，即使溶解了也不能充分擴散，合金元素也不能擴散均勻，奧氏體短期內無法達到均勻化，原珠光體區域富碳，原鐵素體區域貧碳，淬火組織中存在低碳馬氏體，影響感應淬火硬度和硬化層深度。

2.變速箱輸出軸感應淬火后出現的問題

我們開發一根變速箱輸出軸，客戶要求正火，由于試驗設備的功率較小，工件淬火后，表面硬度偏低，并且硬度不均勻，產品報廢。設備廠家建議我們增加調質工序，硬度需與客戶圖樣要求一致。經與客戶溝通，提交了偏差申請，客戶同意正式生產采用專用設備感應淬火，對于正火和調質產品，分別進行感應淬火。采用同一中頻感應淬火參數，對于熱處理項目進行檢測，我們發現：

（1）正火工件的感應淬火組織，馬氏體較粗大。

（2）正火處理的工件感應淬火后硬化層相對于調質硬化層要淺一些。

（3）表面硬度也比調質的低1～3HRC（但是一旦增加感應淬火時間，正火工件和調質工件的表面硬度和硬化層沒有太大的區別，但是組織相比較更粗）。

（4）正火工件的變形規律性不強。調質工件變形很小，甚至沒有變化（因此對于以后大批量采用正火作為預備熱處理的工件，需要熱后加工（主要是長度尺寸），保證尺寸合格，并且不同鋼材爐號的材料也要做變形試驗，保證加工余量。調質工件的加工成本比正火工件的冷加工成本高很多。因為調質工件首先要正火，就是說多了一道淬火+高溫回火工藝；調質工件粘度高，刀具消耗多，冷加工成本也高（正火增加熱后尺寸修正的成本相對于調質還是低很多）。

（5）調質狀態的工件硬化層分布較正火狀態的明顯，正火狀態的過渡區較大。用硝酸酒精腐蝕觀察正火狀態的模糊。仔細觀察正火和調質工件的過渡區，在調質工件的過渡區，可以發現馬氏體組織，而在正火工件的過渡區沒有發現，間接地證明了對于感應加熱，由于加熱時間短，基體組織越均勻，產生完全奧氏體的可能性越大，冷卻時產生完全馬氏體的幾率也大。

3.裂紋原因分析

一種軸類產品采用批量生產的感應淬火工藝淬火，在首件檢測中發現裂紋，檢測發現主要是材料帶狀組織超差（見圖1）。

圖1 原材料心部帶狀組織 100×

如果原材料帶狀組織超差，檢測沒有發現。隨后沒有鍛造，采用棒料生產，雖然增加正火工序，但是改善很少。采用正常的感應淬火工藝，非常容易出現過熱現象，甚至出現裂紋。感應加熱在鐵素體帶出現粗大的板條馬氏體，金相組織達到3級，甚至2級。檢測硬化層時，由于帶狀組織的存在，造成硬化區域硬度波動很大，檢測到珠光體帶高碳，針狀馬氏體硬度高，在原鐵素體帶感應淬火得到板條馬氏體＋貝氏體＋先共析鐵素體，此位置硬度低，硬化層很難準確檢測。我們采用降低功率，降低掃描速度的感應淬火工藝，處理后的產品沒有發現裂紋，并且馬氏體降為3.5級。

感應淬火出現裂紋，很多與原材料的表面缺陷有關，若材料表面存在軋制流線或表面發紋缺陷，隨后的感應淬火會出現縱裂。

由于生產的產品比較多，有時不能固定設備生產，就需要有時采用4～8kHz的設備生產，有時需要轉到10～40kHz的設備生產。我們發現頻率高，處理的產品表面硬度也偏高。我們認為出現的原因是：由于感應加熱的特點，頻率越低，電流透入的深度越深。這樣造成的后果是表面溫度較次表面溫度低，并且隨加熱深度增加，偏差會越大。這可能就是中頻淬火表面硬度低于高頻淬火表面硬度的一個主要原因。頻率越低加熱深度越大，熱容量越多，不像頻率高加熱深度淺（表面溫度高），熱容量少，淬火液可以及時帶走。由于熱量多，對表面也有回火作用。這可能就是中頻淬火表面硬度低于高頻淬火表面硬度的另一個主要原因。

4.國外類似感應淬火分析

國外一些公司開發的乘用車或皮卡車的輸出軸，采用感應淬火。采用的材料沒有采用含合金元素較多的42CrMo、35CrMo，而是采用正火作為預處理的50Mn。分析其主要原因如下：

合金元素錳主要以固溶體的形式存在，錳屬于弱碳化物形成元素，鉻、鉬、鎢屬于中強碳化物形成元素，與碳元素的親和力強。合金元素形成的碳化物越穩定，熱處理加熱時碳化物的溶解及奧氏體的均勻化越困難。合金元素影響碳化物的穩定性，影響碳原子的擴散系數，而且合金元素分布不均勻，所以合金元素影響奧氏體的形成速度，碳化物的溶解及奧氏體的均勻化。對擴散系數的影響，強碳化物形成元素如Cr、V、Mo、W等降低碳在奧氏體中的擴散系數，因而減慢奧氏體形成速度。由于合金元素奪走了一部分碳，這樣形成的奧氏體其中的碳量也會減少，形成的馬氏體硬度偏低。淬硬性及淬火后的硬度主要與鋼件的含碳量有關，但更確切地講，鋼件淬火后的硬度應該是與溶于奧氏體中的碳量有關。所以，鋼件的最終淬火硬度與奧氏體化程度和奧氏體均勻化程度有關。國外認為是否采用合金元素含量高的鋼種及是否調質并不重要，關鍵是材料的淬透性，就是感應加熱層，冷卻后一定要得到需要的硬化層和表面硬度。對于基體是調質還是正火，一般選用正火。因為正火后的材料，加工性能優于調質。還有國外對于產品都要經過臺架試驗和跑車試驗，最終決定采用正火工藝。只要產品通過了測試，產品就是合格的，技術要求也就是合理的。對于有些文獻（見圖2）也對此情況進行說明。

圖2

根據圖2所示，A層深首先在淬硬層-心部交界處損壞。而B層深則可充分發揮表面淬硬層的作用，其損壞可能發生在表面，也可能在淬硬層-心部交界處。如果比B層深再進一步加大淬硬層深度，強度不會再好，其將在表面損壞。同時由于淬硬層過深，表面壓應力將下降（表層在淬火時，馬氏體轉變時體積膨脹，而使表層留下壓應力，相反若是全部淬硬，結果表面將是張應力）。就是說只要將一定深度的表層進行淬火強化，使其扭轉強度適當超過施加在半軸上的切應力，即可滿足使用性能要求。當半軸承受扭轉負荷時，在零件的表面切應力最大，而在中心為零。軸類零件的抗扭轉疲勞性能和總層深有很好的對應關系。在相同的總層深條件下，經過調質處理，心部硬度較高的具有較好的疲勞性能。但是也發現當其總層深達到直徑的25%～30%，經過調質的和未經過調質的抗疲勞性能漸趨接近。因此對抗疲勞扭轉性能、靜扭強度，強度極限、心部硬度和總層深都很重要，需要有合理的匹配。通過感應表面淬火，需要得到一個合理的硬度（或強度）分布曲線。心部硬度低的淬硬層要適當加深。因此要根據設計載荷情況，選擇材料的淬透性要滿足要求。試驗也證明在相同總層深的情況下，經過調質且心部硬度較高的鋼具有較好的疲勞性能（表面磁粉檢測，表面采用強力噴丸工藝，可以檢測和提高壽命）。

一種軸類產品（42CrMo）批量生產已經一年多，某批次生產首檢發現硬化層不合格，感應淬火工藝一直沒有改變，這時出現這種情況可能與原材料、淬火液濃度、淬火設備等有關系。我們的設備有能量監控，對于能量值與以前的比較沒有變化，淬火液的濃度也在正常范圍內。檢查調質硬度發現偏低（在23.8～25.2HRC之間，圖樣要求25～35HRC）。對以前的產品試塊材料和現在的產品材料進行光譜分析，結果見表1。

檢測結果說明這兩批材料都在合格范圍內，沒有異常。對于金相進行檢測：圖5～圖7是不合格產品金相，圖8～圖10是合格品（試塊）金相。

根據圖3和圖4可以看出，不合格品過渡區很寬，表2的檢測結果也可以證實。

表1 化學成分檢測（質量分數）（%）

經過調查得知，這批產品更換了調質廠家。新的調質廠家采用一臺舊的多用爐淬火，并且裝爐量超過了額定載荷的30%。造成加熱溫度不均勻，冷卻也不均勻（后來的產品重新轉回原調質公司，感應淬火正常）。這批產品感應淬火質量就與調質有關。感應加熱是一種快速加熱方式，奧氏體化程度和均勻化程度不僅與原始組織有關，而且與加熱速度有關。原始組織越均勻，加熱速度緩慢，完成奧氏體化并均勻化所需的時間就短，反之則相反。所以，從理論上講，雖然是同種材料（含碳量相同），但因原始組織不同，加熱速度不同，當其奧氏體化程度不同時，必然會造成淬火硬度的差異。從這個意義上講，同種材料采用正火、退火和調質等不同的預處理狀態，在同一設備上采用相同的工藝參數淬火后，硬度是有所不同的。鋼的原始組織越細，奧氏體形成速度越快。因原始組織中的碳化物分散度越高，相界面越多，形核率越大，同時珠光體片間距越小，碳原子的擴散距離減小，奧氏體中的濃度梯度增大，所以奧氏體形成速度加快，如原始組織為托氏體的奧氏體的形成速度比索氏體和珠光體都快。珠光體中的碳化物有片狀的，也有粒狀的，試驗表面碳化物呈片狀的奧氏體形成速度較粒狀的快。由于片狀珠光體中的碳化物與鐵素體的相界面積大，易于形核也易于溶解，片狀珠光體轉變為奧氏體時受碳在奧氏體的擴散控制，而粒狀珠光體轉變時受碳在鐵素體中的擴散控制，因此前者的速度快（這也可能是軸類花鍵，正火態比調質態在少數花鍵上易出現裂紋的原因）。如果調質過程中，因欠熱導致奧氏體化不充分而出現較多未溶鐵素體（塊狀鐵素體）及因淬火冷卻不良而出現先共析鐵素體時，隨后的高溫回火得到的不是均勻的回火索氏體（組織出現球化的趨勢），這種組織對于感應淬火來說，由于加熱速度太快了，經感應加熱后的奧氏體很難均勻，自然影響到淬火后的硬度及硬度均勻性。甚至出現了過渡區域很寬，淬火區域不明顯，甚至比正火狀態的組織也差（這就是檢查調質組織時，只要發現烏黑一片，組織很難分清，感應淬火后的硬度就偏低，尤其是頻率比較低的中頻及超音頻。但是對于高頻，影響會少一些）。