閥芯表面感應淬火工藝研究

王宗勇，邵宗光，荊興亞，江 平

（徐州阿馬凱液壓技術有限公司，江蘇 徐州 221004）

多路閥作為工程機械液壓系統控制元件，在使用過程中的性能和使用壽命，閥芯的表面處理質量起著決定性影響。表面感應淬火，作為閥芯表面熱處理方式之一，應用廣泛。研究表面感應淬火工藝及其淬火參數對表面處理質量的影響，對于提高液壓閥使用性能和壽命，有著重要意義。

1 概述

閥芯表面感應淬火質量，是利用電磁感應原理，流過感應線圈的交變電流產生交變磁場，在交變磁場作用下，工件產生渦流效應，由于感應電流的集膚效應，渦流效應主要集中在工件表面進行，使得工件表面溫度迅速升高，升高至淬火溫度之后，通過淬火液的快速冷卻，來完成表面淬火[1]。因此感應電流大小、感應掃描速度、等待時間、冷卻時間等參數對淬火效果有著很大的影響，本文通過正交試驗設計，驗證各參數對感應淬火效果的影響大小及趨勢。

2 工藝驗證

由于閥芯結構的特殊性（閥芯結構見圖1），閥芯表面感應淬火一般采用分段掃描淬火的方式，感應電流大小（淬火機床采用功率百分比進行表示）、感應掃描速度（即移動速度）、等待時間、冷卻時間等參數，對感應淬火工件的表面硬度、有效淬硬層深度等影響較大。

圖1 閥芯結構

本文選取4個影響因素，設計四因素五水平正交試驗，驗證每種因素影響大小和趨勢。為制定更為合理的淬火工藝參數和保證產品質量，提供數據支持。

表1 四因素五水平正交試驗表

2.1 驗證準備

試驗采用100kW額定功率、100kHz額定頻率的高頻感應加熱設備，對圖1所示的工件進行表面感應淬火，工件共計50根，分25組進行驗證，檢測結果取每組平均值。

工件材料為SAE 1144易切削鋼，其化學成分見下表。從化學成分可知，該材料屬于高硫中碳鋼，有良好的切削性能，可直接淬火，淬火溫度為850℃。

表2 SAE1144易切削鋼化學成分

圖2 工件原始金相組織 ×100

感應線圈結構如圖3所示，其中1為感應線圈，2為供水管，3為噴水結構。工件通過上下頂尖固定，并通過電機帶動上頂尖旋轉，工件隨之旋轉，感應線圈與工件之間相對移動，以完成工件淬火加工。

圖3 感應線圈結構圖

2.2 驗證結果

根據表1因素水平表，設計正交試驗表，按照正交試驗表對每組工件進行表面淬火，并編號。對驗證工件進行切割取樣，利用顯微硬度計進行固定間隔測量，檢驗表面硬度和有效硬化層深度。

表3 淬火工藝驗證結果

2.3 結果分析

對試驗結果進行分析，表面硬度隨著淬火功率增加而增大，淬硬層深度隨著淬火功率的增大而增加，隨著工件移動速度的增加而減小。這是由于淬火功率直接影響渦流效應，淬火功率越大，產生的熱量越強，越容易達到淬火溫度，表面硬度更高；熱量越強，越容易使熱量傳遞到更深處，淬硬層深度就越大。而工件移動速度增加，加熱時間減小，熱量傳遞效應減弱，淬硬層深度越小。

這也可以從電流密度的角度進行分析，表層距表面x深度處的電流密度[2]。

電流頻率越高，電流透入深度越小，淬硬層深度越淺。

圖4 淬火功率對表面硬度的影響趨勢

有研究表面，高頻感應淬火工件的淬硬層深度約為工件半徑的10%～20%[3]，金相組織分為三層，表層為馬氏體，心部為工件原始金相組織，中間為過渡層。通過試驗結果，根據表面硬度和淬硬層深度，優選參數，設定投功功率： 92.5%，移前/冷前等待時間：0.4/0.3s；加熱移動速度：800 mm/min；冷卻時間：2s。在該參數下，對工件進行表面感應淬火，制作樣片，利用金相顯微鏡觀察工件金相組織，判定淬硬層金相組織馬氏體等級為四級，且表面無裂紋。

圖5 淬火功率對淬硬層深度的影響趨勢

圖6 移動速度對淬硬層深度的影響趨勢

圖7 淬硬層邊緣金相（50×）

圖8 淬硬層金相（500×）

3 結論

閥芯表面感應淬火質量影響因素較多，閥芯直徑、臺階寬度、節流槽尺寸、感應線圈設計、淬火參數、冷卻介質等等，都會對淬火質量產生影響，通過正交試驗，是驗證影響因素大小和趨勢的有效辦法，通過試驗驗證，能夠設置合理的淬火參數。