陳永明，謝學興，管敏超

為了保證軸桿類零件具有良好的綜合力學性能，調(diào)質(zhì)處理無疑是一種較理想的處理方式。

調(diào)質(zhì)的方式有多種，采用電阻爐加熱方式的傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)處理是最常見的，但也存在眾多弊端。而采用感應加熱方式的調(diào)質(zhì)處理在國內(nèi)不多見，但因其環(huán)保、節(jié)能性好的優(yōu)點，在國外已得到了較廣泛的應用。電阻爐調(diào)質(zhì)主要有以下缺點：①保溫時間長，氧化脫碳多。②臺車爐加熱變形量大。③勞動強度大，需要操作人員多。④爐子能耗大。⑤質(zhì)量穩(wěn)定性差。

一、臺車爐調(diào)質(zhì)現(xiàn)狀

圖1為經(jīng)臺車爐調(diào)質(zhì)后的長桿類零件，可明顯看到表面大量的花斑狀氧化皮。圖2可見長桿類零件調(diào)質(zhì)后嚴重的“S”變形與“麻花”變形。

氧化脫碳多不僅造成材料的浪費，更是帶來了一系列問題：一方面淬火水槽因為大量的粉末狀氧化鐵皮（見圖3），需要定期將水槽中的水抽干清理出氧化鐵皮。氧化鐵皮過多容易導致水泵堵塞和水流速減緩，降低淬火效果；另一方面由于材料氧化脫碳，需要在粗加工時增加加工余量，無形之中增加車削環(huán)節(jié)的工作量。

臺車爐調(diào)質(zhì)后拉桿變形的問題更是長期困擾熱處理企業(yè)的一大難題。如圖2的變形量，校直工人需要對拉桿多點反復進行校直才能達到規(guī)定的直線度要求。由于第一次變形量大，有些軸桿零件在第一次校直去應力后，往往會反彈。需要進行二次校直和去應力，浪費大量的人力和物力。圖4是2013年6月份，我們在車間實地跟蹤記錄的長桿類零件調(diào)質(zhì)后變形及去應力次數(shù)數(shù)據(jù)。跟蹤的總根數(shù)為13根，調(diào)質(zhì)后所有拉桿均需校直，經(jīng)第一次校直后去應力成功的只有4根，第二次校直與去應力的達到9根之多。

雖然經(jīng)過技術人員不斷的努力改進，變形的現(xiàn)象在2013年下半年有較大改觀，然而由于受條件限制，在淬火冷卻環(huán)節(jié)發(fā)生的不可避免的組織轉變不均性和在臺車爐加熱環(huán)節(jié)受熱的不均性疊加一起，勢必造成變形的不可控性，呈無規(guī)律分布，難以徹底根除。與此同時，由于臺車爐密封性能差，工件在臺車爐中加熱和保溫時間長，氧化脫碳的情況較嚴重。

為減少氧化脫碳，常用方法是在加熱過程中使用保護N2等氣氛。但在每月24h×30d的不間斷生產(chǎn)情況下，加N2保護氣氛會導致成本非常高昂以及實際換氣操作的復雜。再加上臺車爐需要不斷進出爐，導致每次進出爐均需重新加保護氣氛，既影響生產(chǎn)效率，又消耗大量N2。

因此我們尋求一種能解決變形和氧化這兩大難題的調(diào)質(zhì)處理方法，關注這個行業(yè)的最新進展，發(fā)現(xiàn)國外有資料介紹應用感應加熱技術成功進行實心棒料調(diào)質(zhì)處理的案例，目前最大直徑能處理到160mm，而國內(nèi)相關報道較少。

二、感應加熱技術應用于調(diào)質(zhì)處理的理論可行性

感應熱處理是利用電磁感應的方法使得被加熱工件內(nèi)部產(chǎn)生渦流，依靠這些渦流的能量達到加熱目的，再進行保溫、冷卻的熱處理方法。一直以來在表面處理領域被廣泛應用。

感應加熱的主要依據(jù)是：電磁感應、趨膚效應和熱傳導三項基本原理。感應加熱時，工件中的電流強度自表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減，這也是為什么感應淬火時工件表面瞬間能到達高溫，而心部仍然處于低溫狀態(tài)的原因。頻率越高，此現(xiàn)象越明顯。當加熱層深度δ為熱態(tài)電流透入深度的40%～50%時，加熱的總效率最高。零件在熱態(tài)的透熱深度與頻率的簡化關系式為：

若想實現(xiàn)感應加熱調(diào)質(zhì)，那么透熱深度需達到軸類件的全截面，即零件全透熱，從以上公式明顯可看出設備頻率需保持較低水平。假如設備無法達到低頻率，也可通過反復感應加熱來將表面的渦流能量不斷向內(nèi)部滲透并結合熱傳導原理不斷使內(nèi)部到達高溫，但這種方式顯然會造成較長加熱時間以及氧化現(xiàn)象。

因此，設備應優(yōu)先選擇中頻機或工（低）頻機，只有這樣，工件到達奧氏體化溫度的時間才會比臺車爐加熱短很多，減少氧化脫碳，可以節(jié)省毛坯加工余量，精簡現(xiàn)有的加工方式。

鑒于設備實際頻率不可能無限小，當F=100Hz時，δ=50mm。目前國際上已有應用直徑200～300mm的大型軸類件的感應加熱，但直徑增大，對設備的功率、能耗等均提出了很高的要求。倘若選擇合適的頻率，配備不同電源，感應圈制作成多組線圈式，分段進行加熱，工件呈流水線生產(chǎn)，在加熱段后面配上環(huán)形噴液圈，使得工件可以對稱冷卻，盡可能使得工件在徑向同步冷卻。冷卻后再配備多組回 火感應器，直接進行感應加熱回火。圖5是國外一家公司感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的示意。

調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線的組成，從左到右的布局為：①上料工位。②感應加熱，奧氏體化。③噴淋工位。④感應加熱回火和保溫區(qū)域。 ⑤冷卻卸料臺。這是一條在國際上也比較先進的生產(chǎn)線，據(jù)獲悉在美國、韓國等地已經(jīng)投入生產(chǎn)使用。

圖4 桿類零件變形校直去應力次數(shù)比例

圖5 感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線

三、試驗數(shù)據(jù)以及力學性能比較

試樣材料：42CrMo，尺寸規(guī)格：120mm×500mm。

1. 外協(xié)廠家淬火機床試驗

感應調(diào)質(zhì)試驗首先在外協(xié)廠家的淬火機床上展開。圖6和圖7分別為淬火前和淬火時的照片。設備電源頻率20～30kHz，感應器為單圈感應器，且噴水圈和加熱圈為一體式，這種感應器結構適合做表面淬火，不太適合做深層加熱。在有限的條件情況下，我們嘗試盡最大可能地使淬火層變深，選擇了非常小的比功率。具體工藝參數(shù)見表1。

經(jīng)回火后試樣如圖8、圖9所示，端面出現(xiàn)了環(huán)裂現(xiàn)象，經(jīng)與國外先進機床制造公司的工程師溝通，這是感應調(diào)質(zhì)不可避免的現(xiàn)象，感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線在生產(chǎn)過程中也一直存在這種現(xiàn)象，徑向深度在10mm左右，軸向深度也是10mm左右。因此，根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，要求廠家原材料長度大于4000mm，一般選擇國內(nèi)鋼廠的標準長度6000mm，整根棒料經(jīng)感應調(diào)質(zhì)后再進行鋸割等處理，這樣有利于減少端部廢料的產(chǎn)生。

圖10和圖11為試樣的金相組織，從圖可知本次試驗淬火深度不足10mm?？偨Y失敗原因：不僅因為電源頻率過高，更主要原因是感應器的設計問題，噴水圈和加熱圈未設計成分體式，這樣導致難以連續(xù)對試樣進行加熱，做不到模擬調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線時的加熱狀態(tài)。另外，感應器噴水孔呈單排排布，內(nèi)接進水口只有2個，這樣也導致在加熱后，工件內(nèi)部冷卻難以實現(xiàn)快速冷卻。

2. 國內(nèi)專業(yè)廠家試驗

由于受現(xiàn)有條件的限制，以致在外協(xié)單位淬火試驗的失敗，我們和國內(nèi)專業(yè)廠家進行合作試驗，采用現(xiàn)有的感應淬火機床模擬感應調(diào)質(zhì)的加熱及回火，冷卻采用浸液冷卻。圖12為試樣的加熱狀態(tài)，可明顯看到試樣上部已完全透熱，呈現(xiàn)漂亮的金黃色。圖13為切取的試塊。表2和表3分別為淬火、回火工藝參數(shù)，圖14為試樣沿截面的硬度梯度。

由圖14 不難看出，工件淬硬層已大于40mm。表面層的硬度稍低是由于表面存在少量脫碳。后經(jīng)金相顯微鏡觀察，距表面45mm處的金相組織為索氏體，無游離鐵素體。圖15為試樣近表面的金相組織，顯示為純回火索氏體。圖16為試樣距表面50mm的金相組織，顯示為少量回火索氏體與大量的貝氏體，但沒有出現(xiàn)游離鐵素體組織。按我廠調(diào)質(zhì)標準，其調(diào)質(zhì)深度已超過50mm，基本已淬透。隨后，我們對試樣進行線切割取樣，做了力學性能試驗，結果見表4，可以看到性能較為穩(wěn)定。

表1 試驗工藝參數(shù)

3. 國外專業(yè)廠家試驗

我們采集了一組國外的專業(yè)廠家的試驗數(shù)據(jù)與2013年相同規(guī)格試樣臺車爐調(diào)質(zhì)后采集的數(shù)據(jù)做對比分析。兩者材料牌號稍有不同，但化學成分基本一致，具體材料成分見表5。表6為爐子調(diào)質(zhì)與感應調(diào)質(zhì)的力學性能比較。

由表6不難看出，由于42CrMoS4采用的是感應調(diào)質(zhì)，雖然調(diào)質(zhì)硬度較我們單位的更高，但是其斷后伸長率卻沒降低反而更高，而斷面收縮率和沖擊吸收能量也旗鼓相當。這和感應淬火的特性有關，感應淬火件屬于瞬間到溫，快速冷卻，其淬火后的晶粒比爐子調(diào)質(zhì)更細，硬度較普通淬火要高2～3HRC，回火后材料的塑韌性自然更高。

四、感應調(diào)質(zhì)本土化的可行性

1. 感應調(diào)質(zhì)的適用范圍與設備布置

感應調(diào)質(zhì)適用于中小直徑的軸類零件進行流水線生產(chǎn)。因此，對于直徑過大或數(shù)量較少的零件，不推薦采用感應調(diào)質(zhì)。要求直徑≤160mm為宜。

由于感應調(diào)質(zhì)采用的是生產(chǎn)線模式，需要不小的占地面積。40000mm×10000mm的區(qū)域，可以滿足布置一條標準感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線。

2. 感應調(diào)質(zhì)所需先決條件

當前的長桿類零件是先將原材料粗加工后進行爐子調(diào)質(zhì)，形狀如圖17所示。而感應調(diào)質(zhì)需要的為圓棒料，因此，進行感應調(diào)質(zhì)的前提是去除凹槽以及端部的凸起部分。解決這一問題的辦法是將當前的模式改為鋼廠標準6m長圓棒料先進行感應調(diào)質(zhì)，再進行鋸割和機加工。

表2 感應加熱工藝參數(shù)

表3 感應回火工藝參數(shù)

表4 力學性能數(shù)據(jù)

五、結語

（1）感應加熱技術應用于中小徑軸桿件的調(diào)質(zhì)從技術上是可以實現(xiàn)的，而且已在國外廣泛應用，國內(nèi)的東北特鋼大連基地已有一條感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線。

（2）感應調(diào)質(zhì)后零件的力學性能并不亞于甚至優(yōu)于電阻爐的調(diào)質(zhì)，硬度的均勻性也更好。根據(jù)現(xiàn)場觀察，感應調(diào)質(zhì)后零件的變形量也遠小于電阻爐調(diào)質(zhì)。

（3）結合實際生產(chǎn)及試驗數(shù)據(jù)，感應調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線適用于直徑≤120mm的軸桿類零件，更具經(jīng)濟合理性。

圖17 長桿類零件調(diào)質(zhì)前的粗加工狀態(tài)

表5 試樣材料化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表6 爐子調(diào)質(zhì)和感應調(diào)質(zhì)力學性能比較