车轮的感应加热淬火工艺

2023-05-04甄延波闫佳佳楚蓓蓓耿晨雷路少华李绪晨杨少华

金属热处理 2023年4期

甄延波, 闫佳佳, 楚蓓蓓, 耿晨雷, 路少华, 张远, 李绪晨, 杨少华

(1. 山西航天清华装备有限责任公司, 山西长治 046012;2. 火箭军装备部驻长治地区军事代表室, 山西长治 046012)

车轮在服役时往往会产生滚动和滑动摩擦,滚动时轮缘及倒圆角部位会因承受机械载荷作用而发生磨损;而在车轮制动时,产生滑动摩擦、加剧磨损的同时还会产生较大热量。因此对于车轮来说,既要求高强度、高硬度和耐磨性,又要求良好的韧性和耐热性[1-2]。

感应加热淬火可以改善车轮表面强度和耐磨性,而不影响心部塑性和韧性。该工艺主要是利用电磁感应原理,以涡流形式将车轮表面快速加热至淬火温度,而后急剧冷却,形成一定厚度的表面淬硬层,而心部仍保持着原有的组织状态,从而满足车轮表面具有高硬度的耐磨性,而心部则具有硬度、韧性适中的综合力学性能要求。因此,本文对车轮进行了感应加热淬火工艺研究,确定了最优的感应加热淬火方式及感应淬火工艺参数。

1 试验材料与方法

1.1 车轮简介

图1为公司生产的车轮尺寸及三维结构示意图,所用材料为45钢锻件,需要对其外表面踏面及倒圆角部位淬火,其技术要求为:表面硬度50～55 HRC(509～599 HV)、淬硬层深度3～5 mm、显微组织符合JB/T 9204—2008《钢件感应淬火金相检验》中3～7级要求。

图1 车轮尺寸(a)及三维结构(b)

1.2 试验材料

试验所用材料为45钢,锻件执行标准号为Ⅲ-QJ500B-2014,其化学成分如表1所示,符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》要求。车轮的预先热处理状态为调质态,调质硬度为250～280 HBW。

表1 车轮用45钢的化学成分(质量分数,%)

1.3 试验方法

1) 采用同时加热淬火方式进行表面淬火:所用感应器结构如图2(a)所示,淬火过程中感应器与工件间隙为6 mm、工件沿竖直方向不移动,水平方向旋转,感应加热的输出功率P=224 kW、频率f=9.5 kHz、加热时间65 s,加热结束后浸入温度为20～45 ℃、质量分数为8%～10%的NaCl溶液中完成淬火。

图2 感应器结构

2) 采用连续加热淬火方式进行表面淬火:所用感应器结构如图2(b)所示,淬火过程中感应器与工件间隙为6 mm,感应圈固定不动,工件沿竖直方向向下移动至其φ400 mm部位到感应圈位置,水平方向不旋转,感应加热的输出功率P=339 kW、频率f=6.3 kHz,加热过程中分别采用温度为20～45 ℃、质量分数为8%～10%的NaCl溶液,温度为20～45 ℃、质量分数为7%～10%的PAG水溶液(F2000)和温度为20～40 ℃的清水进行喷淋冷却。

对感应加热淬火后的车轮进行线切割取样,经粗磨、精磨后使用THV-1MD型维氏硬度计测量车轮踏面及倒圆角区域的淬硬层显微硬度,加载载荷1.961 N,保持10 s。每个截面间隔20 mm、同一截面间隔0.5 mm 取点测试硬度梯度变化情况;然后经抛光和4%硝酸酒精溶液腐蚀后,观察淬硬区宏观形貌,再用M-41X型光学显微镜观察淬硬层微观组织[3]。

2 试验结果与分析

2.1 淬硬区宏观形貌

图3为采用同时加热和连续加热方式,均用NaCl溶液进行淬火时车轮淬硬区的宏观形貌。由图3(a)可知,采用同时加热淬火的车轮淬硬区域未形成技术要求的淬火区域,车轮踏面下端及倒圆角部位未实现有效的淬火。这主要是因为工件倒圆角部位较踏面区域的横向位置大很多,车轮踏面下端及倒圆角部位感应淬火时,感应器存在漏磁现象,从而影响了温度场的分布。故工件整体加热结束后踏面下端及倒圆角部位由于温度低,未达到淬火温度导致组织未转变,试样腐蚀后此部位未出现淬硬层形貌。由图3(b)可知,采用连续加热淬火的车轮淬硬区域已覆盖到倒圆角部位,淬硬层形貌分布在车轮外表面整个淬火区域,符合技术要求。这主要是因为连续加热淬火感应器是由两个有效圈焊接成一体的,一个有效圈起导电加热作用,另一个有效圈起淬火冷却作用。车轮起始位置倒圆角部位淬火时,导电加热线圈先工作,适当延长预热时间,直至倒圆角部位达到淬火温度时车轮向下运动,同时淬火冷却线圈工作,实现倒圆角部位的淬火,在腐蚀后可观察到淬硬层的宏观形貌。

图3 不同方式感应淬火后试样的淬硬区宏观形貌(NaCl溶液淬火)

2.2 显微硬度

表2为采用连续加热方式,分别用NaCl溶液、PAG水溶液和清水进行喷淋淬火时车轮外表面的硬度检测结果,检测位置如图3(b)所示。由表2可以看出,NaCl溶液淬火区域的表面硬度在710～750 HV0.2(60.5～62.5 HRC),PAG水溶液淬火时为405～443 HV0.2 (42.5～45.5 HRC),清水淬火时为643～708 HV0.2 (57.5～60.5 HRC)。使用NaCl溶液或清水淬火后,车轮表面硬度较高,可以通过回火处理来达到表面硬度技术要求;使用PAG水溶液淬火时硬度较低,未达到技术要求。主要原因是采用PAG水溶液时试样的冷却速度较慢,实际冷却速度低于车轮材料45钢的临界冷却速度,在高温区发生组织转变,淬火后奥氏体组织并未转变为单相马氏体组织,而是主要以大量贝氏体组织存在。所以淬火后出现了表面硬度值较低的现象。

表2 连续加热方式感应淬火后试样的表面硬度分布(HV0.2)

图4为采用连续加热淬火方式,用清水进行喷淋淬火时车轮踏面和倒圆角部位淬硬层至基体的显微硬度变化曲线。可以看出,感应加热淬火后车轮踏面A、B、C位置最外层硬度值最高,表面硬度达到666～708 HV0.2;D位置和E位置分别在距表面1 mm和2.5 mm处的硬度最高,分别为700、720 HV0.2,其最外层硬度值分别为640、690 HV0.2;R位置最外层硬度值最高,接近700 HV0.2。这可能是由于车轮所用原材料45钢锻件存在组织偏析。另外,车轮踏面和倒圆角部位的硬度分布均随着深度的增加先缓慢降低,到达一定位置时突然下降至基体硬度260 HV0.2左右。按照GB/T 5617—2005《钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的测定》中规定:有效硬化层深度为零件表面到硬度值等于极限硬度的距离,而极限硬度为零件表面所要求的最低硬度的0.8倍。由车轮技术要求的下限值509 HV得出其极限硬度值为407 HV。由此确定A、B、C、D、E和R位置的淬硬层深度分别为3.8、3.6、3.4、4.7、4.7和3.8 mm。因此,车轮淬火区域的淬硬层深度为3.4～4.7 mm,符合其淬硬层深度的技术要求。

图4 连续加热感应淬火后车轮踏面(a)和倒圆角位置(b)的硬度分布曲线(清水淬火)

对采用连续加热方式、清水喷淋淬火后的车轮进行230 ℃×2 h低温回火处理后,表面硬度满足其技术要求50～55 HRC(509～599 HV)。因此,在满足产品技术指标前提下,最经济的淬火冷却介质“清水”为最优选择。

2.3 显微组织

图5为采用连续加热方式,用清水进行喷淋淬火时车轮的显微组织形貌。图5(a)为基体组织,主要为回火索氏体+铁素体。这是因为车轮在感应淬火之前经过调质处理,出现了回火索氏体组织,但由于车轮在调质处理时有效厚度较大,心部在淬火冷却时未淬透,出现了铁素体组织。图5(b)为过渡区组织,主要为基体调质处理的回火索氏体组织+部分珠光体、铁素体组织,还有表面淬火不完全的贝氏体组织。图5(c)为淬硬层组织,为细小的针状马氏体,是感应加热淬火的正常组织[4],淬火过程中冷却能力不足出现的铁素体、残留奥氏体并不明显[5]。根据JB/T 9204—2008《钢件感应淬火金相检验》中的组织评级要求,感应淬火后此组织为5～7级,为合格组织。