車輪的感應加熱淬火工藝

甄延波, 閆佳佳, 楚蓓蓓, 耿晨雷, 路少華, 張 遠, 李緒晨, 楊少華

(1. 山西航天清華裝備有限責任公司, 山西 長治 046012;2. 火箭軍裝備部駐長治地區軍事代表室, 山西 長治 046012)

車輪在服役時往往會產生滾動和滑動摩擦,滾動時輪緣及倒圓角部位會因承受機械載荷作用而發生磨損;而在車輪制動時,產生滑動摩擦、加劇磨損的同時還會產生較大熱量。因此對于車輪來說,既要求高強度、高硬度和耐磨性,又要求良好的韌性和耐熱性[1-2]。

感應加熱淬火可以改善車輪表面強度和耐磨性,而不影響心部塑性和韌性。該工藝主要是利用電磁感應原理,以渦流形式將車輪表面快速加熱至淬火溫度,而后急劇冷卻,形成一定厚度的表面淬硬層,而心部仍保持著原有的組織狀態,從而滿足車輪表面具有高硬度的耐磨性,而心部則具有硬度、韌性適中的綜合力學性能要求。因此,本文對車輪進行了感應加熱淬火工藝研究,確定了最優的感應加熱淬火方式及感應淬火工藝參數。

1 試驗材料與方法

1.1 車輪簡介

圖1為公司生產的車輪尺寸及三維結構示意圖,所用材料為45鋼鍛件,需要對其外表面踏面及倒圓角部位淬火,其技術要求為:表面硬度50～55 HRC(509～599 HV)、淬硬層深度3～5 mm、顯微組織符合JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》中3～7級要求。

圖1 車輪尺寸(a)及三維結構(b)

1.2 試驗材料

試驗所用材料為45鋼,鍛件執行標準號為Ⅲ-QJ500B-2014,其化學成分如表1所示,符合GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》要求。車輪的預先熱處理狀態為調質態,調質硬度為250～280 HBW。

表1 車輪用45鋼的化學成分(質量分數,%)

1.3 試驗方法

1) 采用同時加熱淬火方式進行表面淬火:所用感應器結構如圖2(a)所示,淬火過程中感應器與工件間隙為6 mm、工件沿豎直方向不移動,水平方向旋轉,感應加熱的輸出功率P=224 kW、頻率f=9.5 kHz、加熱時間65 s,加熱結束后浸入溫度為20～45 ℃、質量分數為8%～10%的NaCl溶液中完成淬火。

圖2 感應器結構

2) 采用連續加熱淬火方式進行表面淬火:所用感應器結構如圖2(b)所示,淬火過程中感應器與工件間隙為6 mm,感應圈固定不動,工件沿豎直方向向下移動至其φ400 mm部位到感應圈位置,水平方向不旋轉,感應加熱的輸出功率P=339 kW、頻率f=6.3 kHz,加熱過程中分別采用溫度為20～45 ℃、質量分數為8%～10%的NaCl溶液,溫度為20～45 ℃、質量分數為7%～10%的PAG水溶液(F2000)和溫度為20～40 ℃的清水進行噴淋冷卻。

對感應加熱淬火后的車輪進行線切割取樣,經粗磨、精磨后使用THV-1MD型維氏硬度計測量車輪踏面及倒圓角區域的淬硬層顯微硬度,加載載荷1.961 N,保持10 s。每個截面間隔20 mm、同一截面間隔0.5 mm 取點測試硬度梯度變化情況;然后經拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后,觀察淬硬區宏觀形貌,再用M-41X型光學顯微鏡觀察淬硬層微觀組織[3]。

2 試驗結果與分析

2.1 淬硬區宏觀形貌

圖3為采用同時加熱和連續加熱方式,均用NaCl溶液進行淬火時車輪淬硬區的宏觀形貌。由圖3(a)可知,采用同時加熱淬火的車輪淬硬區域未形成技術要求的淬火區域,車輪踏面下端及倒圓角部位未實現有效的淬火。這主要是因為工件倒圓角部位較踏面區域的橫向位置大很多,車輪踏面下端及倒圓角部位感應淬火時,感應器存在漏磁現象,從而影響了溫度場的分布。故工件整體加熱結束后踏面下端及倒圓角部位由于溫度低,未達到淬火溫度導致組織未轉變,試樣腐蝕后此部位未出現淬硬層形貌。由圖3(b)可知,采用連續加熱淬火的車輪淬硬區域已覆蓋到倒圓角部位,淬硬層形貌分布在車輪外表面整個淬火區域,符合技術要求。這主要是因為連續加熱淬火感應器是由兩個有效圈焊接成一體的,一個有效圈起導電加熱作用,另一個有效圈起淬火冷卻作用。車輪起始位置倒圓角部位淬火時,導電加熱線圈先工作,適當延長預熱時間,直至倒圓角部位達到淬火溫度時車輪向下運動,同時淬火冷卻線圈工作,實現倒圓角部位的淬火,在腐蝕后可觀察到淬硬層的宏觀形貌。

圖3 不同方式感應淬火后試樣的淬硬區宏觀形貌(NaCl溶液淬火)

2.2 顯微硬度

表2為采用連續加熱方式,分別用NaCl溶液、PAG水溶液和清水進行噴淋淬火時車輪外表面的硬度檢測結果,檢測位置如圖3(b)所示。由表2可以看出,NaCl溶液淬火區域的表面硬度在710～750 HV0.2(60.5～62.5 HRC),PAG水溶液淬火時為405～443 HV0.2 (42.5～45.5 HRC),清水淬火時為643～708 HV0.2 (57.5～60.5 HRC)。使用NaCl溶液或清水淬火后,車輪表面硬度較高,可以通過回火處理來達到表面硬度技術要求;使用PAG水溶液淬火時硬度較低,未達到技術要求。主要原因是采用PAG水溶液時試樣的冷卻速度較慢,實際冷卻速度低于車輪材料45鋼的臨界冷卻速度,在高溫區發生組織轉變,淬火后奧氏體組織并未轉變為單相馬氏體組織,而是主要以大量貝氏體組織存在。所以淬火后出現了表面硬度值較低的現象。

表2 連續加熱方式感應淬火后試樣的表面硬度分布(HV0.2)

圖4為采用連續加熱淬火方式,用清水進行噴淋淬火時車輪踏面和倒圓角部位淬硬層至基體的顯微硬度變化曲線。可以看出,感應加熱淬火后車輪踏面A、B、C位置最外層硬度值最高,表面硬度達到666～708 HV0.2;D位置和E位置分別在距表面1 mm和2.5 mm處的硬度最高,分別為700、720 HV0.2,其最外層硬度值分別為640、690 HV0.2;R位置最外層硬度值最高,接近700 HV0.2。這可能是由于車輪所用原材料45鋼鍛件存在組織偏析。另外,車輪踏面和倒圓角部位的硬度分布均隨著深度的增加先緩慢降低,到達一定位置時突然下降至基體硬度260 HV0.2左右。按照GB/T 5617—2005《鋼的感應淬火或火焰淬火后有效硬化層深度的測定》中規定:有效硬化層深度為零件表面到硬度值等于極限硬度的距離,而極限硬度為零件表面所要求的最低硬度的0.8倍。由車輪技術要求的下限值509 HV得出其極限硬度值為407 HV。由此確定A、B、C、D、E和R位置的淬硬層深度分別為3.8、3.6、3.4、4.7、4.7和3.8 mm。因此,車輪淬火區域的淬硬層深度為3.4～4.7 mm,符合其淬硬層深度的技術要求。

圖4 連續加熱感應淬火后車輪踏面(a)和倒圓角位置(b)的硬度分布曲線(清水淬火)

對采用連續加熱方式、清水噴淋淬火后的車輪進行230 ℃×2 h低溫回火處理后,表面硬度滿足其技術要求50～55 HRC(509～599 HV)。因此,在滿足產品技術指標前提下,最經濟的淬火冷卻介質“清水”為最優選擇。

2.3 顯微組織

圖5為采用連續加熱方式,用清水進行噴淋淬火時車輪的顯微組織形貌。圖5(a)為基體組織,主要為回火索氏體+鐵素體。這是因為車輪在感應淬火之前經過調質處理,出現了回火索氏體組織,但由于車輪在調質處理時有效厚度較大,心部在淬火冷卻時未淬透,出現了鐵素體組織。圖5(b)為過渡區組織,主要為基體調質處理的回火索氏體組織+部分珠光體、鐵素體組織,還有表面淬火不完全的貝氏體組織。圖5(c)為淬硬層組織,為細小的針狀馬氏體,是感應加熱淬火的正常組織[4],淬火過程中冷卻能力不足出現的鐵素體、殘留奧氏體并不明顯[5]。根據JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》中的組織評級要求,感應淬火后此組織為5～7級,為合格組織。

圖5 連續加熱感應淬火后車輪的顯微組織形貌(清水淬火)

3 工藝驗證

采用連續加熱方式,用清水進行噴淋淬火的感應淬火方式對45鋼車輪鍛件進行工業化試生產,淬火后目視車輪表面無裂紋、局部燒熔等缺陷。采用便攜式里氏硬度計對淬火+低溫回火處理后的車輪表面硬度進行了檢測,硬度符合要求。

圖6 連續加熱感應淬火后車輪的表面形貌

4 結論

1) 采用同時加熱方式對車輪進行感應加熱淬火,其外表面踏面下端及倒圓角部位未實現有效淬火;采用連續加熱方式時車輪外表面踏面及倒圓角部位實現了有效淬火。

2) 采用連續加熱方式、用清水和NaCl溶液進行噴淋淬火后,車輪表面硬度值較高,均在技術要求以上;選用PAG水溶液進行噴淋淬火時,表面硬度值較低,未達到技術要求。

3) 采用連續加熱方式、用清水進行噴淋淬火時,車輪外表面淬火區域的表面硬度為643～708 HV0.2 (57.5～60.5 HRC),通過回火處理后,硬度為50～55 HRC、淬硬層深度為3.4～4.7 mm、顯微組織為5～7級,均達到了其技術要求。