王 磊，馬 錄，張 凱，張少鵬，王 妍

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119)

感應(yīng)熱處理目前被廣泛應(yīng)用于零件表面處理，相對于滲碳淬火表面處理，具有加工速度快、硬化層易于控制、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)[1]。但同時(shí)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工困難的缺點(diǎn)，特別對于有尖角、凹槽、R形角等結(jié)構(gòu)的零件，使用感應(yīng)淬火熱處理往往難以得到理想的表面硬化效果[2]。

某輸出軸示意圖如圖1(a)所示，材質(zhì)為4140，化學(xué)成分含量如表1所示。表面硬化加工采用中頻感應(yīng)熱處理，預(yù)處理為淬火+高溫回火。圖1(b)為感應(yīng)淬火示意圖，檢測點(diǎn)1、2、3、C及花鍵為淬火硬化層深測量位置，心部硬度位置為檢測點(diǎn)1、2、3。熱處理技術(shù)要求：表面硬度為55±3 HRC；心部硬度為27±5 HRC；硬化層深為8±1.5 mm，其中花鍵處硬化層深從花鍵根開始計(jì)算；金相組織的檢測位置為檢測點(diǎn)1、2、3及φ56 mm軸肩尖角，淬硬層馬氏體金相組織要求為細(xì)粒至中等粒徑馬氏體(平均針長≤20 μm)。

1 試驗(yàn)裝備

試制該零件所用設(shè)備為陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司中頻感應(yīng)淬火機(jī)床(型號(hào)ZTHO150)，規(guī)格為φ60 mm×1500 mm，設(shè)備可調(diào)頻率范圍為3～40 kHz，且匝比、電容、加熱功率、移動(dòng)速度、淬火液壓力等設(shè)備參數(shù)均可調(diào)。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、淬硬層要求及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選取匝比23:1，旋轉(zhuǎn)速度60 rpm，電容60 μF。所用感應(yīng)器工裝如圖2所示，主要包括感應(yīng)線圈、擋水隔板、噴水盒等三部分。

圖2 感應(yīng)器工裝Fig.2 Inductor tooling

在掃描感應(yīng)淬火加工過程中，噴水盒噴出的淬火液遇零件易反濺至感應(yīng)加熱區(qū)，圖3(a)為淬火液反濺后得到的畸形感應(yīng)淬火區(qū)，感應(yīng)淬火區(qū)呈不規(guī)則多邊形，且極不均勻。為解決此問題，經(jīng)過驗(yàn)證，對感應(yīng)工裝加裝擋水隔板，可得到均勻的感應(yīng)淬火區(qū)，見圖3(b)。

(a) 畸形感應(yīng)加熱區(qū)；(b)正常感應(yīng)區(qū)圖3 加裝擋水隔板前后感應(yīng)區(qū)對比(a)abnormal induction hardening zone；(b)normal induction hardening zoneFig.3 Comparison of induction hardening zone before and after installing breakwater

2 工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

由于此軸不同位置直徑相差較大，最大直徑差16 mm，且具有軸肩尖角、退刀槽、花鍵等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，若采用整體掃描加熱，難以滿足理化要求。因此采用分段式掃描加熱，即根據(jù)零件結(jié)構(gòu)將軸向分割為若干段，并在每個(gè)分隔段內(nèi)采用不同的工藝參數(shù)。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，零件分段示意圖見圖4。

圖4 輸出軸感應(yīng)加熱淬火分段示意圖Fig.4 Segmentations schematic diagram of induction hardening of output shaft

2.1 原試制工藝

原試制輸出軸工藝參數(shù)如表2所示，移動(dòng)速度為150 mm/min，淬火液壓力為0.19±0.01 MPa。需要說明的是，此軸感應(yīng)加熱所用功率整體100%為90 kW，每個(gè)分段采用整體功率的一部分，例如淬火長度1選用70%，即此段所用功率為63 kW。

表2 原試制工藝參數(shù)

硬化層深的測量采用硬度法，即試樣表面至心部硬度為48 HRC的距離。原試制各檢測點(diǎn)淬硬層深及心部硬度見表3，表面硬度為57.2 HRC。分別對三個(gè)檢測點(diǎn)試塊打磨后拋光，在淬硬層位置用4%硝酸酒精腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察淬硬層金相組織，圖5為1、2、3三個(gè)檢測位置及φ56 mm軸肩尖角處淬硬層金相組織。

表3 原試制輸出軸不同位置檢測結(jié)果

(a) 檢測點(diǎn)1；(b) 檢測點(diǎn)2；(c) 檢測點(diǎn)3；(d) φ56 mm軸肩尖角圖5 原試制輸出軸不同位置金相組織(a) testing point 1；(b) testing point 2；(c) testing point 3；(d) shaft shoulder angle of φ 56 mmFig.5 Microstructure of the original trialproduce output shaft at different locations

由表3可以看出，三個(gè)檢測點(diǎn)淬火硬化層深均能滿足要求。由圖5(a)～(c)可看出，三個(gè)測量位置硬化層組織為明顯中等細(xì)針狀馬氏體，極少量殘余奧氏體，馬氏體針長平均約25 μm，超過馬氏體針長要求。圖5(d)為φ56 mm軸肩尖角處淬硬層組織，也含極少量殘余奧氏體，但存在大量粗大針狀馬氏體，馬氏體針長在35～50 μm之間且分布不均勻。在軸肩尖角處出現(xiàn)粗大馬氏體原因是感應(yīng)加熱時(shí)存在尖角效應(yīng)。尖角或者棱邊等形狀不規(guī)則的零件置于感應(yīng)器中加熱時(shí)，由于磁感應(yīng)線分布不均勻且此處距離感應(yīng)器最近的原因，尖角或棱邊處產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度高于平滑部位，導(dǎo)致此結(jié)構(gòu)處加熱溫度過高[3-4]，奧氏體容易長大；另外掃描速度較慢，奧氏體有充足時(shí)間長大，最終淬火后晶粒粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變成粗大的馬氏體。

2.2 改進(jìn)試制工藝

為了改善淬硬層金相組織，重新對該輸出軸進(jìn)行試制，繼續(xù)采用分段式掃描感應(yīng)淬火方式。經(jīng)過多輪工藝試驗(yàn)，最終得到比較合理完善的工藝參數(shù)，具體如表4所示。此工藝整體提高了感應(yīng)加熱掃描速度，考慮到對硬化層深的影響，另外提高了各分段的加熱功率。匝比、電容、100%功率等設(shè)備參數(shù)與原試制相同。

使用同樣理化檢測手段對加工后零件進(jìn)行檢測，表面硬度為56.5 HRC，各位置硬化層深測量及心部硬度結(jié)果如表5所示，三個(gè)檢測位置及φ56 mm軸肩尖角處淬硬層金相組織見圖6。

由表5可知，各檢測位置硬化層深均能滿足要求，層深分布均勻。由圖6(a)～(c)可看出淬硬層組織為細(xì)針狀馬氏體，經(jīng)過測量馬氏體針長平均尺寸約16 μm，此外組織含有極少量殘余奧氏體。使用改進(jìn)工藝φ56 mm軸肩尖角處馬氏體組織得到明顯細(xì)化，為細(xì)針狀馬氏體，同樣只有極少量殘余奧氏體，針長平均尺寸約在20 μm，見圖6(d)。均可滿足金相要求。

鋼淬火之前加熱得到的奧氏體晶粒尺寸是影響淬火后馬氏體針大小的關(guān)鍵因素。奧氏體晶粒越小，淬火后得到的馬氏體針越細(xì)，而奧氏體晶粒大小取決于奧氏體化溫度及保溫時(shí)間。通過提高感應(yīng)加熱功率，零件表面得到更快的升溫速率并能加熱至更高溫度，這樣會(huì)產(chǎn)生以下兩種效果：一方面，升溫速率的增大促進(jìn)了奧氏體形核數(shù)的增加；另一方面，零件表面加熱過熱度增大，會(huì)使奧氏體形核率得到提高；此外，感應(yīng)加熱淬火掃描速度增大，即相當(dāng)于零件感應(yīng)區(qū)域的加熱時(shí)間縮短，這樣感應(yīng)加熱區(qū)生成的奧氏體晶粒就來不及長大，避免形成大的奧氏體晶粒[5-6]。最終，通過提高感應(yīng)加熱功率及掃描速度，可使零件加熱后得到細(xì)化的奧氏體晶粒，從而在淬火后得到細(xì)化的馬氏體。

3 結(jié)論

1)多變軸徑長軸感應(yīng)淬火可使用分段式掃描感應(yīng)加熱方式進(jìn)行熱處理，在不同的掃描長度位置設(shè)置不同的工藝參數(shù)。此種方法可有效控制淬硬層深、金相組織等理化指標(biāo)。

2)掃描感應(yīng)加熱方式容易引起淬火液反濺至加熱區(qū)，引起零件橫截面感應(yīng)淬火不均勻的現(xiàn)象。通過在淬火液噴水盒及感應(yīng)線圈之間加裝擋水隔板，可有效解決此問題，軸橫截面得到均勻的感應(yīng)淬火區(qū)。

3)由于感應(yīng)加熱存在尖角效應(yīng)，尖角或棱邊處會(huì)形成更強(qiáng)的渦流而容易被加熱至比光滑區(qū)域更高的溫度，最終此類位置淬火后生成粗大的淬火馬氏體。通過調(diào)整感應(yīng)加熱功率和掃描速度使得感應(yīng)淬火區(qū)金相組織明顯細(xì)化。

4)對某輸出軸使用最終優(yōu)化后感應(yīng)淬火工藝，感應(yīng)淬火硬化層中淬火馬氏體針長可滿足金相要求。