一種值得推廣的內孔感應淬火工藝調試方法

謝文，許剛

1.十堰天舒感應設備有限公司 湖北十堰 442002

2.湖北工業職業技術學院 湖北十堰 442001

1 零件結構和技術要求

某零件內孔直徑為31.7mm，外徑為48mm，長94.5mm，結構如圖1所示。

技術要求：材料為40CrB鋼，內孔感應淬火，表面硬度52~59HRC，淬硬層深Ds＝1.5~3.0mm（45HRC）。

圖1 零件結構

2 技術分析

感應加熱表面淬火是利用電磁感應原理，在工件表面層產生密度很高的感應電流，將零件表層迅速加熱至奧氏體狀態，隨后以大于臨界冷速快速冷卻得到馬氏體組織的淬火方法。

高頻電流流過環狀導體時，最大電流密度分布在環狀導體內側，這種現象稱之為圓環效應，如圖2所示。

圓環效應使感應器上的電流密集到感應器內側，對加熱零件外表面十分有利，但在加熱零件內孔時，此效應使感應器電流遠離加熱零件表面，這是有害的，如圖3所示[1]。

為了提高感應器的加熱效率，根據感應加熱的槽口效應，需要添加形導磁體。

圖3 電流遠離加熱零件表面（一般取a＝1.5mm）

圖4 感應器有效圈裝上了形導磁體

根據以上理論，設計如下2種感應器，分別從感應器結構、功率和掃描速度、淬火層深及感應器壽命進行比對分析。

3 常規內孔掃描加熱噴水淬火方式

常規內孔加熱、噴水掃描淬火感應器結構如圖5所示。淬火參數見表1，檢測結果見表2。

圖5 常規內孔加熱、噴水掃描淬火感應器結構

表1 常規內孔加熱、噴水掃描淬火參數

表2 常規內孔加熱、噴水掃描淬火檢測結果

這種感應器的優點是制作、調試方便，缺點是由于內孔直徑很小，感應器所用銅管也很小，因此沒有充足的空間布置噴水盒。此類型感應器的有效圈是靠淬火水冷卻的，但是為了保證工件的淬火質量，使工件淬火后不易開裂，淬火冷卻介質為在蒸餾水中添加了濃度5%的APG水基淬火液，以降低工件的冷卻速度，這樣也就同時降低了淬火水對感應器的冷卻能力。另外，在淬火過程中，為了保證加熱正常進行，淬火液的壓力又不能過大，必須確保“不反水”而影響加熱，這就進一步降低了淬火水對感應器的冷卻能力。生產中如果出現噴水孔堵塞的情況，淬火水對感應器的冷卻能力會再一次下降，稍有不慎感應器就很容易燒毀。

為了解決感應器使用壽命的問題，提高生產效率，我們對感應器結構和淬火方式進行進一步研究和改進。

4 內孔加熱、外圓噴水淬火的方式

經查閱相關文獻[2]，40C r B鋼的淬透性在24~26mm，如圖6所示。

零件內徑為31.7mm、外徑為48mm、壁厚為8.15mm，而40CrB的淬透性為24~26mm，遠超過零件的壁厚8.15mm，因此做出如下設想：內孔感應器加熱，外圓噴水冷卻淬火，設計制作出的新型感應器如圖7所示。改進淬火參數見表3，檢測結果見表4。

圖640CrB鋼的淬透性曲線

圖7 內孔加熱、外圓噴水淬火的方式

表3 內孔加熱、外圓噴水淬火參數

根據參考文獻[1]，當感應器的設計滿足5＜ 長/高＜10時，認為感應器設計是良好的，此時感應器效率較高。對于本文所設計的新型感應器，由5＜26.5πn/h1＜10，得出0.06＜n/h1＜0.12，即認為此感應器設計良好、效率較高。根據圖7和表3的設計參數，n＝5，h1＝50mm，那么n/h1＝0.1，則感應器設計合理，效率較高。

表4 內孔加熱、外圓噴水淬火檢測結果

根據表4檢測結果，此種內孔掃描加熱、外圓噴水完成內孔淬火的方式是合理的，且效率比常規的內孔掃描噴水淬火的方式速度提高了40%，產能相應增加了40%。

另外，由于內孔無需噴水，感應器可以通高壓冷卻水，所以感應器的使用壽命大幅提高。

該感應器的不足之處是對工裝要求較高，如果工裝設計或噴水盒位置調整不合理，會出現淬火起始位有8~10mm沒有淬火層深，如圖8所示。工裝設計改進之后，噴水盒位置與感應器內孔加熱位置調整合適，淬火起始位置可達到圖9所示的效果。

圖8 下側起始淬火位置

圖9 工裝改進后下側切樣照片

此外由于感應器是多匝的，因此無法按常規感應器添加硅鋼片，內孔必須添加導磁泥，且導磁泥、灌封膠、凝固劑的比例必須合適（導磁泥 : 灌封膠A : 凝固劑B＝6.5 : 5 : 1），且單次只能按比例調配1~2個進行灌裝。如果配方不合適，或者一次灌裝多個，在導磁粉灌裝時會因固化先后順序不一致而導致流動性變差，出現填充不飽滿的情況（見圖10），如此會造成感應器效率不一致。

圖10 導磁粉灌裝沒有填充飽滿

5 兩種淬火方式對比

兩種淬火方式對比見表5。

表5 兩種淬火方式對比