王明禮,孫小東,陳翠麗,王麗霞,孫運(yùn)玲
(洛陽LYC軸承有限公司 技術(shù)中心,河南 洛陽 471039)
與鍛件相比,鑄件內(nèi)部存在著大量的氣孔、砂眼,而且還存在著比鍛件嚴(yán)重得多的疏松等鑄造缺陷,在對(duì)其進(jìn)行中頻淬火加熱過程中,這些氣孔和嚴(yán)重的疏松部位將會(huì)形成局部渦流,致使缺陷處溫度過高,極易導(dǎo)致淬火裂紋。為了解決鑄件中頻淬火這一技術(shù)難題,對(duì)鑄鋼試樣進(jìn)行了中頻淬火工藝試驗(yàn),以期得到理想的鑄件中頻淬火工藝。
試樣材料為ZG42CrMo,鑄造后經(jīng)正、回火處理,尺寸為400 mm×200 mm×200 mm,其化學(xué)成分見表1;技術(shù)要求:表面硬度為55~62 HRC,硬化層深度為5 mm,表面無淬火裂紋。
表1 中頻淬火試樣的化學(xué)成分 %
1?!?#試樣的試驗(yàn)工藝參數(shù)見表2,采用的淬火設(shè)備是BPSD-100/2500。按表2中的6種淬火工藝試驗(yàn)后,對(duì)試樣進(jìn)行了回火處理,回火工藝為(170±10)℃×4 h。對(duì)回火后的試樣進(jìn)行了表面著色探傷、硬度及硬化層深度檢測(cè),結(jié)果見表3。
從表3可以看出:除4#試樣淬火后表面無裂紋外,其余5個(gè)試樣表面均存在著不同程度的裂紋。
表2 1?!?#試樣中頻淬火工藝參數(shù)
表3 試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)
從表3還可以看出,除了3#,6#試樣的硬化層深度符合要求外,其余試樣的硬化層深度均未達(dá)到技術(shù)要求。盡管3#,6#兩個(gè)試樣的硬化層深度能夠達(dá)到技術(shù)要求,但是,由于這兩個(gè)試樣采用的工藝是低速和偏高溫度,故試樣淬火后均出現(xiàn)了淬火裂紋。4#工藝雖然沒有出現(xiàn)淬火裂紋,但由于試驗(yàn)采用了較快的工件移動(dòng)速度,因此,硬化層深度及硬度均未達(dá)到技術(shù)要求。
為了解決淬火裂紋的問題,通過降低中頻淬火溫度對(duì)7?!?#試樣進(jìn)行了中頻淬火工藝試驗(yàn)。采用的淬火設(shè)備仍為BPSD-100/2500,7?!?#試樣試驗(yàn)工藝參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果分別見表4和表5。
從表5可以看出,經(jīng)過著色探傷檢驗(yàn),7#,8#,9#試樣中頻淬火后均未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋,但是,由于淬火溫度較低,3個(gè)試樣的表面硬度和硬化層深度均沒有達(dá)到技術(shù)要求。
表4 7?!?#試樣淬火工藝參數(shù)
表5 7#~9#試樣試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)
為了找到能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的理想中頻淬火工藝,對(duì)原有的中頻淬火工藝進(jìn)行了比較大的改進(jìn):(1)為工件在淬火前增加預(yù)處理工藝;(2)采用PAG作為中頻淬火的冷卻介質(zhì);(3)降低淬火設(shè)備的頻率;(4)采用低溫起步的淬火工藝。
試驗(yàn)工藝參數(shù)見表6,檢測(cè)結(jié)果見表7。
表6 試樣工藝參數(shù)
表7 試驗(yàn)后檢查情況
從表7的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出,通過改進(jìn)工藝后,所有試樣均未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋;除13?!?5#,25#試樣外,其余試樣的硬度、硬化層深度均符合技術(shù)要求。
從以上工藝試驗(yàn)的檢驗(yàn)結(jié)果可以看出:
(1)中頻淬火前的預(yù)熱處理有效地避免了淬火裂紋的產(chǎn)生,并且明顯增加了硬化層深度。這是由于預(yù)熱處理可以有效地降低淬火時(shí)快速加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力,從而避免了裂紋的產(chǎn)生。由于預(yù)處理可以給后續(xù)的淬火加熱積蓄熱量,使中頻淬火加熱層深度增加,因此,顯著提高了淬火后的硬化層深度。
(2)硬化層深度隨著淬火頻率的降低而增加。由文獻(xiàn)[1]知,在材料的ρ和μ一定時(shí),頻率f越低,電流透入深度δ越大,淬火后得到的硬化層也就越深。
(3)使用PAG得到的硬化層深度比用聚乙烯醇淬火后的硬化層深度明顯增加。PAG是聚氧化乙烯和聚氧化丙烯的共聚物,調(diào)整兩者的比例,可以得到70~88℃的逆溶點(diǎn)。隨著溫度的上升,溶解度下降。由于逆溶性的存在,工件在淬火時(shí),經(jīng)過蒸氣膜階段和沸騰階段后,工件周圍的液體溫度高于逆溶點(diǎn),PAG析出并在工件表面形成一個(gè)PAG的溶質(zhì)膜。PAG的濃度越高,則該膜就越厚,溶液從工件脫熱的能力就越差。這就是PAG降低低溫區(qū)冷卻能力的機(jī)理。即控制PAG的濃度就可以控制PAG溶質(zhì)膜的厚度,從而可以得到比較理想的低溫區(qū)冷卻能力。
與聚乙烯醇相比,PAG在高溫階段基本保持了水的冷卻速度快的特點(diǎn),低溫(300℃以下)階段冷卻速度慢的特點(diǎn),因此,使用PAG淬火的零件具有較深的硬化層深度和較低的裂紋敏感性。
(4)工件移動(dòng)速度對(duì)硬化層有顯著的影響。工件移動(dòng)速度越低,硬化層就越深。但當(dāng)采用過低的工件移動(dòng)速度時(shí),因?yàn)楣ぜ訜釙r(shí)間長,極易增加工件表面的過熱傾向,導(dǎo)致淬火裂紋的產(chǎn)生。由于鑄鋼材料內(nèi)部存在大量的氣孔、砂眼、嚴(yán)重的疏松等缺陷,這些鑄造缺陷對(duì)加熱溫度非常敏感,所以,在對(duì)鑄鋼件進(jìn)行中頻淬火時(shí),不宜采用過低的工件移動(dòng)速度。
(5)結(jié)合生產(chǎn)效率等因素,得到理想的中頻淬火工藝為:800℃預(yù)熱+900℃淬火。在整個(gè)淬火工藝中,工件移動(dòng)速度為130 mm/min,淬火頻率為2 000 Hz,淬火介質(zhì)為6%的PAG。
(1)中頻淬火前的預(yù)熱處理能夠明顯地降低鑄鋼件的裂紋敏感性,因此,可以有效避免淬火裂紋的產(chǎn)生,同時(shí),還能夠增加工件的硬化層深度。
(2)降低中頻淬火設(shè)備頻率,既能夠有效增加硬化層深度,又可以降低工件表面過熱程度,降低裂紋的敏感性。
(3)PAG淬火介質(zhì)與聚乙烯醇相比,前者更容易提高工件的硬化層深度,降低工件中頻淬火時(shí)的裂紋敏感性。
(4)在對(duì)鑄鋼件進(jìn)行中頻淬火時(shí),采用低溫起步的方法可以有效防止鑄鋼件起步裂紋的產(chǎn)生。
(5)鑄鋼件的理想中頻淬火工藝為:800℃預(yù)熱+900℃淬火。