感應(yīng)表面淬火在柴油機軸類熱處理中的應(yīng)用

朱國華，劉桂娟，楊 誠，田 晶，馬 鑫

（中國中車戚墅堰機車有限公司，江蘇常州 213011）

0 引言

通過對感應(yīng)加熱表面淬火技術(shù)應(yīng)用參數(shù)和技術(shù)應(yīng)用體系的優(yōu)化，能夠較好的提升工件表面硬度、耐磨性和疲勞強度，并且確保部件心部依然具有良好韌性。以柴油機軸類熱處理中感應(yīng)表面淬火技術(shù)應(yīng)用為例，對相關(guān)技術(shù)進行改進。

1 感應(yīng)表面淬火技術(shù)概述

（1）感應(yīng)表面淬火技術(shù)概念與原理。感應(yīng)表面淬火稱為感應(yīng)加熱表面淬火，是指在工件生產(chǎn)中，利用加熱感應(yīng)器在交流電作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流，產(chǎn)生集膚效應(yīng)，在工件表面層快速加熱至奧氏體區(qū)后，立即進行噴水冷卻，進而在工件表層產(chǎn)生設(shè)計深度的淬硬層。根據(jù)電流頻率的不同，可以細分為超高頻、高頻、中頻和工頻技術(shù)，不同頻率技術(shù)所產(chǎn)生的淬火效應(yīng)有明顯不同。中小模數(shù)的齒輪、凸輪軸及曲軸工件，通常是采用中頻，而小模數(shù)齒輪和小軸類零件，則是采用高頻處理。感應(yīng)表面淬火技術(shù)的原理主要是感應(yīng)電流產(chǎn)生的渦流和集膚效應(yīng)，后者主要是指在交流電或交變電磁場作用下，導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均，會在導(dǎo)體出現(xiàn)“皮膚”。因此在技術(shù)應(yīng)用中，電流頻率參數(shù)對淬火效果會產(chǎn)生直接性影響。

（2）感應(yīng)表面淬火技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)淬火技術(shù)，感應(yīng)表面淬火技術(shù)有如下優(yōu)勢：①工件性能高，在經(jīng)過處理后，表面能夠達到較高硬度，心部保持良好的塑性和韌性，耐沖擊韌性、疲勞強度和耐磨性都有效提升；②綠色節(jié)能。感應(yīng)加熱設(shè)備占地面積小，熱處理速度快、熱效率高、操作便利，生產(chǎn)過程清潔無污染，不會產(chǎn)生高溫環(huán)境；③處理精度高。在對工件進行處理時，能夠根據(jù)處理要求在生產(chǎn)線上對參數(shù)進行調(diào)整，對加工過程能精準控制；④經(jīng)濟效益高。工件表面不會產(chǎn)生明顯的氧化脫碳效應(yīng)，零部件廢品率低，在部分情形下能夠代替工藝復(fù)雜的化學(xué)熱處理工藝。

（3）感應(yīng)表面淬火技術(shù)的不足。感應(yīng)表面淬火技術(shù)受多方面因素影響，在生產(chǎn)過程中存在某些方面問題。①在技術(shù)應(yīng)用中要做好設(shè)備與淬火工藝的匹配，確保在電參數(shù)變化時，處理效果依然能夠達到工藝要求，盡量提升作業(yè)質(zhì)量，降低工件殘損率，提升經(jīng)濟效益；②在淬火作業(yè)中，要確保淬火零件有一定的感應(yīng)器相對應(yīng)，針對不同工件處理要求，需要選擇合適的感應(yīng)器類型并做好對應(yīng)的參數(shù)調(diào)整；③要使用專業(yè)性的淬火機床，機床設(shè)備要能夠滿足多種場景作業(yè)要求；④感應(yīng)表面淬火設(shè)備維修相對較為復(fù)雜，對運維工作開展具有較高要求。

2 感應(yīng)加熱電參數(shù)的調(diào)整

（1）柴油機軸類熱處理工件分類。柴油機軸類熱處理工件類型可以分為曲軸、凸輪軸、輸入軸、法蘭軸、輪轂軸、花鍵軸、半軸、貫通軸等。由于不同軸類零件在運行中的環(huán)境有所差異，使得感應(yīng)表面淬火技術(shù)應(yīng)用參數(shù)存在較大差異。中碳鋼零件在進行淬火處理后，能夠有效提升零件硬度和零部件的耐磨性，但是對于中小型零件，在心部淬透后會導(dǎo)致零件的脆性較大、韌性小，因此需要做好參數(shù)調(diào)整，以確保淬火質(zhì)量。同時，通過合理的淬火處理，能夠有效提升零件的疲勞強度，提升零件壽命，但是國內(nèi)方面在這方面的技術(shù)應(yīng)用相對較為滯后，需要做好對應(yīng)方面的試驗研究。

（2）感應(yīng)加熱電參數(shù)調(diào)整要求。將感應(yīng)表面淬火技術(shù)應(yīng)用柴油機軸類工件熱處理中，感應(yīng)加熱電參數(shù)調(diào)整是影響處理效果最為關(guān)鍵的因素。將電參數(shù)調(diào)整至高、中頻電源諧振狀態(tài)，能夠確保設(shè)備處于穩(wěn)定效率區(qū)間，更好的滿足工件加工要求。以某企業(yè)所采用的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備為例，運行參數(shù)見表1。

表1 某型號高頻感應(yīng)加熱設(shè)備參數(shù)

對電參數(shù)進行調(diào)整時，需要考慮加工工件的大小、形狀、硬化區(qū)長短和感應(yīng)器結(jié)構(gòu)等因素，在確定淬火器匝比和適當(dāng)?shù)碾娙萘亢螅瑢⒅C振狀態(tài)調(diào)整至最佳。在高頻感應(yīng)加熱設(shè)備運行中，需要注意如下方面要點：①做好前期調(diào)試工作。在確定感應(yīng)器設(shè)備參數(shù)、形狀及尺寸后，嚴格依照運行規(guī)范要求，選擇合適的變壓器匝比，逐步增加電容量，在低電壓狀態(tài)下開始調(diào)試，在功率因數(shù)容性介于0.8～0.9 之間時，再逐漸升高電壓[1]；②在設(shè)備運行中做好運行數(shù)值的觀察，確保電路容性和感性滿足正常運行要求。如果出現(xiàn)電流先接近額定值，而電壓低于額定值現(xiàn)象，主要是變壓器初級匝數(shù)過少；而電壓先接近額定值，而電流低于額定值現(xiàn)象，則是變壓器初級匝數(shù)過多；③通過對變壓器匝比和電容量進行匹配，確保各個參數(shù)保持穩(wěn)定運行狀態(tài)下，才能夠進行后續(xù)工件淬火處理。

3 感應(yīng)加熱淬火技術(shù)應(yīng)用中的問題

（1）淬硬層分布不均。淬硬層分布不均是柴油機軸類熱處理中較為明顯的問題，對工件質(zhì)量會造成直接性影響。主要原因在于軸頸與感應(yīng)器不同心，感應(yīng)器內(nèi)電流分布狀態(tài)不穩(wěn)定、不均勻。在上述問題都已解決但依然存在淬硬層分布不均的情形，則應(yīng)當(dāng)考慮設(shè)備油孔等部位影響。

（2）裂紋與剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生。裂紋與剝落現(xiàn)象是采用感應(yīng)表面淬火技術(shù)對柴油機軸類部件進行淬火處理時出現(xiàn)較多的現(xiàn)象，也是工件淬火處理關(guān)鍵的內(nèi)容。裂紋現(xiàn)象分布主要有油孔處放射裂紋、C 形裂紋、淬火過度區(qū)域裂紋和淬硬表面裂紋等。油孔處放射裂紋主要是由于油孔處加熱不均，或者在局部位置出現(xiàn)明顯的過熱現(xiàn)象。在冷卻不到位或過于激烈時，都會造成裂紋現(xiàn)象加劇。C 形裂紋現(xiàn)象分布較為多樣，并且原因較為復(fù)雜，在鍛造折疊處理不到位、淬硬層處理深度偏差過大、油孔內(nèi)壁淬火裂紋影響、自回火溫度過低、磨削工藝處理不到位、工件淬透性過高等情形下，都會產(chǎn)生不同程度的裂紋現(xiàn)象[2]。淬火過渡區(qū)域裂紋現(xiàn)象的產(chǎn)生，則是由于前期磨削問題及淬火應(yīng)力過于集中等原因所造成。淬硬表面出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，則是由于磨削切削作業(yè)中用量過大、在表面出現(xiàn)過熱現(xiàn)象或冷卻過于激烈，同時工件的淬硬層過深或自回火溫度不足時，也會造成裂紋現(xiàn)象。

（3）硬度不足和軟點現(xiàn)象。在柴油機軸類工件進行感應(yīng)表面淬火處理時，還會出現(xiàn)硬度不足或者部分點狀位置有軟點現(xiàn)象發(fā)生。主要原因在于工件材料本身含碳量不足，或者分布有明顯的帶狀組織，在淬火溫度和冷卻水溫度控制不當(dāng)情形下，會造成硬度不足或不均勻現(xiàn)象。同時，在設(shè)備檢修作業(yè)不到位情形下，感應(yīng)器的噴水孔部位也會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，使得噴水不均，進而對工件淬火質(zhì)量造成影響。

4 感應(yīng)表面淬火在軸類熱處理中的應(yīng)用改進

4.1 嚴格依照規(guī)程操作

嚴格依照規(guī)程進行操作是確保軸類零部件熱處理的關(guān)鍵因素，也是受人為影響最為明顯的因素。在進行淬火作業(yè)前，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)全面做好檢查處理，確保感應(yīng)器設(shè)備保持良好運行狀態(tài)[3]。在試運行過程中，要確保軸徑與感應(yīng)器同心度偏差度控制在1 mm 之內(nèi)，在感應(yīng)器特定部位配置導(dǎo)磁體，確保感應(yīng)器內(nèi)電流能夠達到良好的分布。在對油孔進行檢查和處理時，可以采用打入鋼或銅銷子的方式，避免淬硬層出現(xiàn)不均現(xiàn)象。

4.2 做好裂紋與剝落現(xiàn)象的控制

裂紋與剝落現(xiàn)象的控制是確保工件淬火達到質(zhì)量控制要求的基本前提，在進行淬火作業(yè)時，需要從如下方面改進和控制。①對工件質(zhì)量進行控制。檢查工件材料的合金成分及淬透性，對相關(guān)工藝參數(shù)進行調(diào)整；②要注意磨削工藝質(zhì)量控制。在磨削作業(yè)中，要根據(jù)淬火設(shè)備運行參數(shù)，對相應(yīng)的工藝操作要求進行優(yōu)化，避免油道壁過薄、回火溫度過高等現(xiàn)象造成的影響，避免工件淬火處理中裂紋現(xiàn)象過于明顯[4]；③通過對油孔進行處理，合理配置導(dǎo)磁體，在進行冷卻時，利用浸水冷卻或其他冷卻介質(zhì)進行處理的方式，合理改進冷卻效果，有效控制裂紋現(xiàn)象的發(fā)生；④對感應(yīng)器運行參數(shù)進行調(diào)整，合理控制加熱時間、調(diào)整比功率，確保軸頸間距控制合理，最終達到有效控制裂紋和剝落現(xiàn)象的目的。

4.3 合理調(diào)整操作參數(shù)

合理調(diào)整操作參數(shù)是感應(yīng)表面淬火技術(shù)處理效果的重要影響因素，尤其是加熱參數(shù)的調(diào)整，對硬化層深度和熱傳導(dǎo)可達深度都有直接性影響。以某工件熱處理為例，感應(yīng)加熱電流頻率與深度對應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 感應(yīng)加熱電流頻率與硬化層深度對應(yīng)關(guān)系

在淬火作業(yè)過程中，感應(yīng)器頻率已經(jīng)確定情形下，淬火效果與零件的直徑有一定關(guān)系，不同規(guī)格的感應(yīng)器裝置在理想工作狀態(tài)下，陽極電流與柵極電流的比值是固定的，因此在實際運行中可以對這方面參數(shù)進行調(diào)整，以確保淬火質(zhì)量能夠達到工件參數(shù)設(shè)計要求。

在進行淬火作業(yè)時，感應(yīng)器加熱溫度的升速、高溫持續(xù)時間等，也會對淬火效果造成影響，因此在技術(shù)應(yīng)用中，需要對相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整，以確保淬火效果達到最優(yōu)化水平[5]。

4.4 強化作業(yè)人員技能培訓(xùn)

在感應(yīng)表面淬火技術(shù)不斷發(fā)展、設(shè)備類型自動化水平不斷提升、操作技能要求不斷提升背景下，強化作業(yè)人員技能培訓(xùn)是確保淬火質(zhì)量得以有效控制、技術(shù)應(yīng)用不斷改進的重要前提。在生產(chǎn)作業(yè)流程中，管理層面應(yīng)當(dāng)做好各個崗位作業(yè)人員技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)，通過、現(xiàn)場不同形式的作業(yè)培訓(xùn)，要求崗位工作人員能夠熟練掌握不同運行參數(shù)對淬火質(zhì)量的影響，及時、精準的對參數(shù)進行調(diào)整[6]。同時，要求運維工作人員能夠全面、深入的檢查各個設(shè)備的運行狀態(tài)，進行預(yù)防性維護，以確保設(shè)備保持安全穩(wěn)定狀態(tài)，以更好的提升工件淬火質(zhì)量。

5 結(jié)束語

柴油機軸類工件熱處理中，感應(yīng)表面淬火技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為工件質(zhì)量的重要影響因素，因此在生產(chǎn)作業(yè)體系中，應(yīng)當(dāng)加強人才培養(yǎng)，對設(shè)備運行參數(shù)進行精細化調(diào)整，充分發(fā)揮感應(yīng)加熱設(shè)備在運行安全和運行質(zhì)量方面的優(yōu)勢，提升軸類部件批量生產(chǎn)質(zhì)量，有效提升企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益水平。