軋機導衛架端頭異形截面的感應淬火工藝及畸變控制

王敬偉, 范梅香, 林乙丑, 石如星, 席志永, 劉志剛

(1. 洛陽中重鑄鍛有限責任公司, 河南 洛陽 471039;2. 河南省大型鑄鍛件工程技術研究中心, 河南 洛陽 471003)

除鱗導衛裝置是軋機的重要部分,其作用主要有兩個方面:一是將軋件導入軋輥并保護軋輥不受軋件的沖擊;二是除去軋件上的氧化鐵皮。另外軋輥冷卻、除塵、水幕攔截等裝置都集成在導衛裝置上,以節省空間[1]。當代先進的除磷導衛裝置除具有基本的鋼板導向作用外,還要滿足板坯除磷、軋輥冷卻及煙塵抑制等各項要求[2]。導衛架整體拼焊并選用碳素結構鋼鋼板作為端頭,端頭尖角部位采用感應淬火方式提高表面硬度,并在后續的加工中適當修正以滿足圖紙尺寸要求。焊接結構件一般須通過焊后500～600 ℃的退火消除焊接應力,感應淬火經180～220 ℃回火后,淬火部位可獲得較高硬度并有一定韌性的回火馬氏體組織,旨在保證感應淬火面的硬度及耐磨性。從導衛架的加工工藝性來考慮,導衛架端頭在感應淬火之前必須完成焊接和焊后退火,從而可有效避免感應淬火部位因高溫退火失去硬化效果。

感應加熱原理有集膚效應、鄰近效應、圓環效應和尖角效應等,其中尖角效應是感應加熱中與工件本身的淬火區域結構特點密切相關的效應,尖角效應的存在易造成工件尖角部位產生過熱、過燒及開裂等質量問題。所謂尖角效應是指在感應加熱過程中,當感應電流通路被阻斷時,會使該處電流密度增大,溫度迅速升高,而頻率愈高效應越明顯,因多發生在孔口、棱邊、尖角處,因此稱為尖角效應。本文所需感應淬火的端頭,由于硬化區域為帶尖角的異形截面且不對稱,因此在感應淬火過程中必然存在尖角效應導致的過熱、過燒及開裂風險,以及會存在端頭在加熱和冷卻過程中的熱應力和組織應力的不對稱問題,導致彎曲畸變風險。因此,導衛架端頭感應淬火的主要難度在于避免工件尖角效應的同時控制因不對稱所帶來的畸變。

本文基于已焊接的端頭整體導衛架,設計了專用仿形感應器,通過工藝試驗及優化參數,完成了導衛架端頭部位的感應淬火處理。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及要求

圖1為軋機牌坊導衛架,其中導衛架左下尖角部位為端頭,材質為C35E鋼,執行標準DIN EN 10269,其成分(質量分數,%)為0.32～0.39C、≤0.4Si、0.5～0.8Mn、≤0.03P、≤0.015S、≤0.4Cr、≤0.4Ni、≤0.1Mo、≤0.63(Cr+Mo+Ni)。要求虛線覆蓋面感應淬火硬度≥40 HRC。

圖1 導衛架(a)及端頭(b)示意圖Fig.1 Schematic diagram of guide frame(a) and end(b)

C35E鋼的臨界點為Ac1=724 ℃,Ac3=802 ℃,Ms=350～360 ℃。感應淬火時,控制奧氏體化溫度在860～890 ℃之間。從結構來看,端頭感應淬火部位為異形截面,端頭感應淬火區域角度40°,長度達2120 mm。其主要風險在于感應淬火區域不可避免的尖角效應以及彎曲畸變。通過制備與導衛架尺寸相同的等比端頭試驗件,對其硬度、開裂及畸變風險進行充分評價。試驗端頭尺寸如圖2所示。

1.2 試驗設備及方法

選用設備為某中頻感應淬火機床,工作頻率0.2～4 kHz,最大輸出功率600 kW。設計專用仿形感應器,分段感應淬火并評價畸變風險及硬度。采用手持紅外線單點測溫槍進行溫度監測。采用某便攜式里氏硬度計D型探頭檢測端頭感應淬火后的表面硬度,每處位置檢測3點取平均值。采用刀口尺評價感應淬火后的畸變情況。采用磁粉探傷對端頭尖角部位進行探傷。

1.3 工藝參數選擇

1.3.1 電流頻率的計算

電流頻率是根據零件所要求的淬硬層深度確定的,為保證零件表面淬硬層的深度δ,必須使感應透熱深度Δ熱大于所要求的淬硬層深度δ,這樣才可以使淬火層同時達到比較均勻的溫度,因此一般多采用較低的頻率以滿足δ≤Δ熱,但隨著頻率的降低,通過感應器的電流密度顯著增加,不僅需要加強感應器的冷卻,而且使電效率下降,容易造成加熱不足,影響表面淬火質量。對于一般碳鋼,其感應加熱時的透熱深度可用公式(1)[3]計算:

(1)

式中:f為電流頻率。導衛架對淬硬層深度并無特殊要求,則可按常規硬化層深度計算感應透熱深度,應滿足公式(2):

(2)

按淬硬層深度1～3 mm,可推算感應淬火時所需頻率為1.7～6.9 kHz,由于某中頻感應淬火機床頻率最大為4 kHz,故感應頻率可選范圍為1.7～4 kHz。

1.3.2 感應器的設計

從圖1可以看出,導衛架端頭感應淬火區域特征為帶尖角、非對稱且感應淬火面兩側連續,若端頭兩邊的感應淬火面感應淬火過程分開執行,感應器及感應加熱操作過程將十分簡單,但是無法避免尖角部位需經歷兩次淬火的事實,因此,該部位存在極大的開裂風險。若避免該部位經歷兩次淬火,則須保留導衛架端頭沿長度方向的軟帶,該軟帶將不利于導衛架的使用。基于對感應淬火面的特征分析,認為感應器的設計應滿足一次加熱一次淬火的感應熱處理方式,該方案可以有效避免開裂及軟帶帶來的工藝難度和使用壽命的損失。為了能夠讓感應淬火面在一次加熱完成,專門設計了仿形感應器。

為避免尖角部位發生尖角效應,考慮通過驅磁合理平衡尖角及其余部位的加熱效率。在感應淬火生產實踐中,驅磁的目的是防止感應器漏磁,并提高感應器對工件的加熱效率,采用不驅磁加熱方式可大大降低尖角部位的加熱效率,讓該部位實現較為緩慢的加熱,從而避免端頭尖角部位發生尖角效應。仿形感應器見圖3。

圖3 仿形感應器示意圖Fig.3 Schematic diagram of profiling sensor

2 試驗結果與分析

導衛架端頭的感應淬火試驗方案如表1所示。

表1 端頭感應淬火試驗方案及相關檢測結果

2.1 感應器設計評價

對于較大的感應淬火件,其工序通常需要增加調質預處理工序,調質所獲得的索氏體組織可以保證感應加熱時加熱部位快速奧氏體化,從而有效避免因組織均勻化所消耗過多時間,降低尖角過熱和開裂風險。本文基于導衛架端頭調質預處理進行感應淬火處理。試驗結果表明,尖角處溫度控制良好,均在工藝要求范圍之內,且溫度均勻性良好,說明依據端頭感應淬火區域采用仿形感應器感應淬火處理具有合理性。通過對試驗件感應頻率、行走速度、冷卻方式(連續冷卻)等工藝參數的調試,評估了開裂、硬度、畸變等風險。結果表明,對端頭尖角部位的驅磁避讓處理,有效地降低了端頭尖角部位的過熱過燒風險,從而大大降低了開裂風險。經對尖角部位磁粉探傷,顯示無裂紋,硬度合格,且畸變較小。端頭試驗的結果表明,仿形感應器及驅磁設計具有合理性。

2.2 硬度分析

硬度數據表明,端頭經感應加熱并進行水冷淬火的部位硬度滿足圖紙要求,均勻性良好,而風冷部位硬度雖然基本也滿足圖紙硬度要求,但是均勻性較差。從工藝的實現角度考慮,導衛架端頭采用水冷方案。

2.3 畸變分析

非對稱感應加熱勢必會引起導衛架端頭兩側感應淬火面應力分布差異,也就意味著畸變是必然會發生的問題,且畸變方向會朝著感應淬火面積大的方向凸起。為理解該現象,可先假定一面加熱,在感應淬火前未對工件進行預熱或預畸變等措施的情況下,最終表淬面畸變趨勢是向加熱面凹陷[4],其原理在于,非對稱感應加熱時的溫度差,較小面相對較大面的升溫速度快,故在加熱之初,較小面有伸長趨勢,但是由于較大面溫度相對較低,故有受拉趨勢,因此該過程為較小面受壓應力,而較大面受拉應力,此時畸變表現為向感應淬火面較小的方向凸起或向較大面凹陷。隨著加熱時間的延長和加熱溫度的升高,當較小面先于較大面達到塑性溫度區間,較大面的拉應力會讓較小面產生一定的塑性變形,該過程從較小面達到塑性溫度區間一直持續到淬火結束。感應淬火過程的畸變也是從開始的平直到向較大面凹陷,待熱應力和組織應力得到充分的平衡后,端頭的畸變趨勢轉變為向大面凸起。通過對端頭試驗件的感應淬火,很好地驗證了這個現象,整體畸變趨勢為朝較大面凸起,畸變約4 mm。

針對所發生的畸變問題,理論上有3種應對措施:第一種措施為對感應淬火面適當留量,以平衡感應淬火過程所引起的畸變,并通過精加工保證圖紙尺寸精度;第二種措施為對表淬面或整個工件預熱,當工件預熱至某一較高溫度再進行感應淬火,可大大減小非對稱面兩側的溫差,進而減小畸變,但限于材料及硬度要求,通常無法對表淬面或整個工件預熱;第三種措施為合理實施反畸變,該工藝方法需結合導衛架的結構和試驗件畸變趨勢,先對感應淬火面積小的一邊進行感應加熱,讓其先行凸起,用于抵抗兩側感應加熱時來自大面的壓應力,然后再進行感應加熱和淬火的工藝實施,如此可將畸變控制在盡可能低的范圍。對比3種方案,由于碳素結構鋼C35E的淬透性相對較差,若留量加工,將會影響導衛架端頭工作面的硬度均勻性,為此考慮導衛架的端頭采用反畸變方案。

2.4 預熱與反畸變

端頭試驗件的試驗結果表明,直接對非對稱感應淬火面進行感應淬火,必然會產生畸變。為解決該問題,在導衛架的生產中,專門對導衛架進行了整體預熱及局部反畸變。

預熱目的是在執行反畸變操作時,避免因反畸變應力過大而對導衛架產生不必要或無法預期的損害,同時,預熱的溫度不宜超過感應淬火后的回火溫度,故預熱溫度設定為180 ℃。局部反畸變操作是利用了表淬時向加熱面凹陷或在非對稱加熱時朝大面凸起的原理,導衛架反畸變的量可參考端頭試驗件的畸變量,但由于端頭與導衛架已焊接,畸變抗力相對較大,故該反畸變量可適當減小,工藝要點在于對圖2所示的端頭右下方非感應淬火面(尺寸142 mm)進行低功率快速掃描加熱,設定溫度控制目標不超過300 ℃,最終以反畸變的量不超過4 mm為準。對該部位進行感應加熱時,加熱溫度適中且尚不至于產生塑性變形,此時整體向較小的淬火面凸起,該反畸變操作所產生的彎曲應力可抵消部分來自非對稱感應淬火過程的畸變,因此效果是有益的,非感應淬火面過高或過低的加熱溫度會導致過畸變或效果不佳。如上分析表明,該導衛架的工藝及操作難度極大。

2.5 導衛架端頭感應淬火

對導衛架端頭的感應淬火方向采用支撐結構進行專門修正后,采用等比端頭試驗件的工藝試驗數據,經感應淬火后相關數據如表2所示。

表2 導衛架端頭感應淬火后相關數據統計

經對導衛架端頭進行工藝實施,淬火后硬度與回火后硬度均滿足要求。第一件由于反畸變量相對較大,故在感應淬火過程中,大面有一定的塑性變形,而小面無明顯塑性畸變,最終導致大面凹約1 mm,回火后向小面凸起約1 mm。經過第一件的感應淬火后,對第二件的反畸變量進行了適當控制和調整,彎曲畸變量減小了1 mm,回火后無明顯畸變。結果表明,通過反畸變操作利于導衛架端頭的畸變控制。

3 結論

1) 基于端頭異形截面結構所設計的仿形感應器,經工藝試驗驗證可實現角度40°的導衛架端頭異形截面的感應淬火熱處理。

2) 通過在感應器上合理設置驅磁區域,有效避免了異形截面端頭發生尖角效應,并利于感應加熱溫度的均勻性。

3) C35E鋼端頭感應淬火后硬度達55～60 HRC。

4) 通過反畸變操作總長2120 mm的導衛架端頭彎曲畸變可控制在1 mm以內。