曲面輥表面淬火工藝探析

馬新年，葛花容，彭元飛，袁小婷

我公司與某公司簽訂了一批凹輥供貨合同，其表面淬火硬度要求≥65HRC，淬火層深要求20～25mm。

按照以往的熱處理工藝經驗，多次試驗仍無法達到其硬度要求。該件輥套材質70Cr3NiMo，規格如圖1所示。要求輥套曲面淬火，淬火前要求調質（硬度達286～321HBW）。

1. 淬火工藝方式選擇

對于材料而言，欲想獲得材料的最好性能，滿足其后續服役條件，必須選擇合理的熱處理方式來獲得理想的組織和適當的硬度才能滿足使用要求。考慮到該曲面輥特殊結構及較高硬度要求，我們選擇感應淬火。

2. 工件結構導致工藝方式存在的問題

加熱過程中由于凹輥特殊結構的特點，曲率變化大，加之由于感應加熱超膚效應、棱角效應，導致加熱不均勻。其凹面直徑小處與感應器間隙太大，相對其他部位而言，漏磁相當嚴重，難以有效加熱。溫度不足，加熱層較淺，導致直徑小處淬硬層深度不足，硬度不足，且曲面范圍硬度不均勻性較大。而直徑大處，特別是兩邊圓角處則易產生組織過熱或淬硬層太深，導致組織應力過大而掉角。

冷卻過程中，由于工件表面曲面曲率的不同導致其冷卻系數不同，且間隙的變化致使水線與工件曲面夾角不斷變化（見圖2），導致淬火后工件母線上硬度不均勻性較大。

3. 淬火方案確定

工件熱處理金相組織及硬度不均勻性無法避免，各種保障措施只能在要求范圍內減小其變化范圍，理論上在適合的頻率下，感應淬火加熱溫度及冷卻速度越均勻、越匹配，越能提高表面淬火硬度、硬度的均勻性及有效的淬硬層深度。

（1）感應器設計 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查本廠表淬工藝標準），考慮到感應瞬時加熱性，采用16mm×17mm的方形銅管（高為600mm）；在其直徑小處減小感應器匝間距，增加其電流密度，提高加熱效率，降低淬火加熱不均勻性。工件的最大直徑為860mm，最小直徑為730mm，單邊相差65mm，故選用內徑兩端900mm，中間880mm，內徑漸變式感應器。

表1 加熱功率及感應器間隙的選擇

（2）設備的選擇 由于圖樣要求淬硬層深度為20～25mm，為了達到層深，采用立式中頻變頻淬火機床，因感應器匝數較多，故需取掉變壓器（其工件裝于感應器中間，類似于降壓變壓器）。其頻率≤1000Hz，不僅加熱深度較深（約45mm），而且可以形成較緩和的淬硬層梯度，此為其使用條件做準備，在后續使用過程中避免由于硬度梯度過大導致的剝落、斷層、掉塊等嚴重失效現象。

（3）移速選擇 理論上為了實現平穩淬火，必須減小這種結構造成的冷卻不均衡，在現場操作上需要淬火冷卻時在①、⑤處加大移速；②、④處適當降低移速（見圖2）。

（4）功率調節 零件淬火時，若溫度過高會導致局部晶粒粗大，從而使組織惡化；若溫度過低，硬度又達不到要求。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。我們選用同時加熱到溫，再連續噴淬，該工件淬火區截面最小處直徑730mm，感應器與工件間隙75mm。為了有效加熱，滿足此處加熱能達到淬火溫度要求，我們在由一端到中間直徑小部位（即由⑤處到③處）加熱過程中要不斷加大功率。待加熱至區間②處時則要開始降低功率。

（5）最終淬火加熱方式補充 感應器與工件間隙越大，電效率越低，相同的硬化層深度值可以用不同的電流密度與不同的加熱時間來實現。為了使工件加熱溫度均勻，采用變換功率及變換移速的方式，對其進行連續噴淬。為了防止其加熱溫度低，在連續噴冷時，功率和移速不斷隨曲面變換，使溫度、冷速與工件曲面相匹配，以達到硬度層深趨于一致。

圖 1

圖 2

4. 工藝方案實施

實際工件表淬前該面單邊余量1.5mm，表面粗糙度Ra=3.2μm，之前調質硬度達308～325HBW，滿足表面感應淬火條件。25mm為最小淬硬層深度，而淬火冷卻水壓2.3MPa。淬火加熱過程具體數據如圖3所示。

圖 3

5. 淬火完硬度檢測及分析

待冷卻50min后，輥面溫度32～35℃，對其進行輥身硬度檢測如下：

母線一：67HRC、66HRC、65HRC、67HRC；母線二：67HRC、65HRC、66HRC、66.5HRC。

180℃×30h回火，冷卻后交檢，硬度基本滿足要求，硬度波動在要求范圍內，為曲面變動較大工件進行感應淬火積累了寶貴的經驗。