感应表面淬火在柴油机轴类热处理中的应用
时间：2023-06-01 19:15:26 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
朱国华，刘桂娟，杨 诚，田 晶，马 鑫
（中国中车戚墅堰机车有限公司，江苏常州 213011）
通过对感应加热表面淬火技术应用参数和技术应用体系的优化，能够较好的提升工件表面硬度、耐磨性和疲劳强度，并且确保部件心部依然具有良好韧性。以柴油机轴类热处理中感应表面淬火技术应用为例，对相关技术进行改进。
（1）感应表面淬火技术概念与原理。感应表面淬火称为感应加热表面淬火，是指在工件生产中，利用加热感应器在交流电作用下产生的感应电流，产生集肤效应，在工件表面层快速加热至奥氏体区后，立即进行喷水冷却，进而在工件表层产生设计深度的淬硬层。根据电流频率的不同，可以细分为超高频、高频、中频和工频技术，不同频率技术所产生的淬火效应有明显不同。中小模数的齿轮、凸轮轴及曲轴工件，通常是采用中频，而小模数齿轮和小轴类零件，则是采用高频处理。感应表面淬火技术的原理主要是感应电流产生的涡流和集肤效应，后者主要是指在交流电或交变电磁场作用下，导体内部电流分布不均，会在导体出现“皮肤”。因此在技术应用中，电流频率参数对淬火效果会产生直接性影响。
（2）感应表面淬火技术应用优势。相对于传统淬火技术，感应表面淬火技术有如下优势：①工件性能高，在经过处理后，表面能够达到较高硬度，心部保持良好的塑性和韧性，耐冲击韧性、疲劳强度和耐磨性都有效提升；
②绿色节能。感应加热设备占地面积小，热处理速度快、热效率高、操作便利，生产过程清洁无污染，不会产生高温环境；
③处理精度高。在对工件进行处理时，能够根据处理要求在生产线上对参数进行调整，对加工过程能精准控制；
④经济效益高。工件表面不会产生明显的氧化脱碳效应，零部件废品率低，在部分情形下能够代替工艺复杂的化学热处理工艺。
（3）感应表面淬火技术的不足。感应表面淬火技术受多方面因素影响，在生产过程中存在某些方面问题。①在技术应用中要做好设备与淬火工艺的匹配，确保在电参数变化时，处理效果依然能够达到工艺要求，尽量提升作业质量，降低工件残损率，提升经济效益；
②在淬火作业中，要确保淬火零件有一定的感应器相对应，针对不同工件处理要求，需要选择合适的感应器类型并做好对应的参数调整；
③要使用专业性的淬火机床，机床设备要能够满足多种场景作业要求；
④感应表面淬火设备维修相对较为复杂，对运维工作开展具有较高要求。
（1）柴油机轴类热处理工件分类。柴油机轴类热处理工件类型可以分为曲轴、凸轮轴、输入轴、法兰轴、轮毂轴、花键轴、半轴、贯通轴等。由于不同轴类零件在运行中的环境有所差异，使得感应表面淬火技术应用参数存在较大差异。中碳钢零件在进行淬火处理后，能够有效提升零件硬度和零部件的耐磨性，但是对于中小型零件，在心部淬透后会导致零件的脆性较大、韧性小，因此需要做好参数调整，以确保淬火质量。同时，通过合理的淬火处理，能够有效提升零件的疲劳强度，提升零件寿命，但是国内方面在这方面的技术应用相对较为滞后，需要做好对应方面的试验研究。
（2）感应加热电参数调整要求。将感应表面淬火技术应用柴油机轴类工件热处理中，感应加热电参数调整是影响处理效果最为关键的因素。将电参数调整至高、中频电源谐振状态，能够确保设备处于稳定效率区间，更好的满足工件加工要求。以某企业所采用的高频感应加热设备为例，运行参数见表1。
表1 某型号高频感应加热设备参数
对电参数进行调整时，需要考虑加工工件的大小、形状、硬化区长短和感应器结构等因素，在确定淬火器匝比和适当的电容量后，将谐振状态调整至最佳。在高频感应加热设备运行中，需要注意如下方面要点：①做好前期调试工作。在确定感应器设备参数、形状及尺寸后，严格依照运行规范要求，选择合适的变压器匝比，逐步增加电容量，在低电压状态下开始调试，在功率因数容性介于0.8～0.9 之间时，再逐渐升高电压[1]；
②在设备运行中做好运行数值的观察，确保电路容性和感性满足正常运行要求。如果出现电流先接近额定值，而电压低于额定值现象，主要是变压器初级匝数过少；
而电压先接近额定值，而电流低于额定值现象，则是变压器初级匝数过多；
③通过对变压器匝比和电容量进行匹配，确保各个参数保持稳定运行状态下，才能够进行后续工件淬火处理。
（1）淬硬层分布不均。淬硬层分布不均是柴油机轴类热处理中较为明显的问题，对工件质量会造成直接性影响。主要原因在于轴颈与感应器不同心，感应器内电流分布状态不稳定、不均匀。在上述问题都已解决但依然存在淬硬层分布不均的情形，则应当考虑设备油孔等部位影响。
（2）裂纹与剥落现象的产生。裂纹与剥落现象是采用感应表面淬火技术对柴油机轴类部件进行淬火处理时出现较多的现象，也是工件淬火处理关键的内容。裂纹现象分布主要有油孔处放射裂纹、C 形裂纹、淬火过度区域裂纹和淬硬表面裂纹等。油孔处放射裂纹主要是由于油孔处加热不均，或者在局部位置出现明显的过热现象。在冷却不到位或过于激烈时，都会造成裂纹现象加剧。C 形裂纹现象分布较为多样，并且原因较为复杂，在锻造折叠处理不到位、淬硬层处理深度偏差过大、油孔内壁淬火裂纹影响、自回火温度过低、磨削工艺处理不到位、工件淬透性过高等情形下，都会产生不同程度的裂纹现象[2]。淬火过渡区域裂纹现象的产生，则是由于前期磨削问题及淬火应力过于集中等原因所造成。淬硬表面出现裂纹现象，则是由于磨削切削作业中用量过大、在表面出现过热现象或冷却过于激烈，同时工件的淬硬层过深或自回火温度不足时，也会造成裂纹现象。
（3）硬度不足和软点现象。在柴油机轴类工件进行感应表面淬火处理时，还会出现硬度不足或者部分点状位置有软点现象发生。主要原因在于工件材料本身含碳量不足，或者分布有明显的带状组织，在淬火温度和冷却水温度控制不当情形下，会造成硬度不足或不均匀现象。同时，在设备检修作业不到位情形下，感应器的喷水孔部位也会出现堵塞现象，使得喷水不均，进而对工件淬火质量造成影响。
4.1 严格依照规程操作
严格依照规程进行操作是确保轴类零部件热处理的关键因素，也是受人为影响最为明显的因素。在进行淬火作业前，技术人员应当全面做好检查处理，确保感应器设备保持良好运行状态[3]。在试运行过程中，要确保轴径与感应器同心度偏差度控制在1 mm 之内，在感应器特定部位配置导磁体，确保感应器内电流能够达到良好的分布。在对油孔进行检查和处理时，可以采用打入钢或铜销子的方式，避免淬硬层出现不均现象。
4.2 做好裂纹与剥落现象的控制
裂纹与剥落现象的控制是确保工件淬火达到质量控制要求的基本前提，在进行淬火作业时，需要从如下方面改进和控制。①对工件质量进行控制。检查工件材料的合金成分及淬透性，对相关工艺参数进行调整；
②要注意磨削工艺质量控制。在磨削作业中，要根据淬火设备运行参数，对相应的工艺操作要求进行优化，避免油道壁过薄、回火温度过高等现象造成的影响，避免工件淬火处理中裂纹现象过于明显[4]；
③通过对油孔进行处理，合理配置导磁体，在进行冷却时，利用浸水冷却或其他冷却介质进行处理的方式，合理改进冷却效果，有效控制裂纹现象的发生；
④对感应器运行参数进行调整，合理控制加热时间、调整比功率，确保轴颈间距控制合理，最终达到有效控制裂纹和剥落现象的目的。
4.3 合理调整操作参数
合理调整操作参数是感应表面淬火技术处理效果的重要影响因素，尤其是加热参数的调整，对硬化层深度和热传导可达深度都有直接性影响。以某工件热处理为例，感应加热电流频率与深度对应关系见表2。
表2 感应加热电流频率与硬化层深度对应关系
在淬火作业过程中，感应器频率已经确定情形下，淬火效果与零件的直径有一定关系，不同规格的感应器装置在理想工作状态下，阳极电流与栅极电流的比值是固定的，因此在实际运行中可以对这方面参数进行调整，以确保淬火质量能够达到工件参数设计要求。
在进行淬火作业时，感应器加热温度的升速、高温持续时间等，也会对淬火效果造成影响，因此在技术应用中，需要对相关参数进行调整，以确保淬火效果达到最优化水平[5]。
4.4 强化作业人员技能培训
在感应表面淬火技术不断发展、设备类型自动化水平不断提升、操作技能要求不断提升背景下，强化作业人员技能培训是确保淬火质量得以有效控制、技术应用不断改进的重要前提。在生产作业流程中，管理层面应当做好各个岗位作业人员技术应用能力培养，通过、现场不同形式的作业培训，要求岗位工作人员能够熟练掌握不同运行参数对淬火质量的影响，及时、精准的对参数进行调整[6]。同时，要求运维工作人员能够全面、深入的检查各个设备的运行状态，进行预防性维护，以确保设备保持安全稳定状态，以更好的提升工件淬火质量。
柴油机轴类工件热处理中，感应表面淬火技术应用已经成为工件质量的重要影响因素，因此在生产作业体系中，应当加强人才培养，对设备运行参数进行精细化调整，充分发挥感应加热设备在运行安全和运行质量方面的优势，提升轴类部件批量生产质量，有效提升企业生产经济效益水平。
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