■ 彭元飛，李 良，袁小婷

我公司熱處理車間近期對于一批（共9支）矯直輥進行表面淬火，材質H13，其規(guī)格為φ315mm×4450/5506mm。要求輥身硬度54～56HRC，淬硬層深12～14mm。通過對圖樣的技術要求進行分析，淬硬層深要求較大，若單一采用中頻淬火肯定無法滿足，只有通過軋輥車間的雙頻淬火機床才能達到所要求層深。

1. 工藝分析及準備

材質H13即為4Cr5MoSiV1，合金工具鋼，其主要化學成分如表1所示。

該材質具有高的耐磨性和淬透性，具有強的抗熱裂能力，合金元素釩含量較高，耐磨性好，具有良好的耐熱性，在較高溫度時具有較好的強度和硬度，高的耐磨性和韌性，優(yōu)良的綜合力學性能和較高的回火穩(wěn)定性。該材質一般加熱淬火溫度1020～1050℃，此處建議表面淬火溫度選取上限1050℃。

圖樣要求淬硬層深12～14mm，一般中頻淬火的淬硬層深最多6～8mm，顯然不能采用單一的中頻淬火設備。考慮到軋輥車間的雙頻淬火機床可以滿足該淬硬層深的要求，具體雙頻淬火變壓器參數(shù)如表2所示。

由于該淬火方式采用工頻和中頻同時加熱的方式，完全具有高的加熱深度和淬透性，按照常用冷軋輥的淬火方式，建議感應器工頻T2測溫點控制淬火溫度為1030～1040℃，下感應器中頻T3測溫點控制淬火溫度為1040～1050℃，如附圖所示。

感應器中測溫點分布

表1 H13化學成分（質量分數(shù)） （%）

表2 雙頻淬火變壓器參數(shù)

該批矯直輥規(guī)格φ315mm×4450/5506mm，根據(jù)矯直輥直徑選取合適的感應器規(guī)格，按表3所示選取。

故選取工頻感應器直徑為350mm，中頻感應器直徑350mm進行淬火，合適的感應器間隙有助于加熱過程的穩(wěn)定性和確保工藝所要求的淬火溫度。

2. 工藝執(zhí)行

（1）淬火前消除應力 由于該批矯直輥直徑315mm，總長5506mm，細長比達20左右。表面淬火極易變形，故表面淬火前需進行一次消除應力處理，以消除機加工所產生的應力，避免淬火過程中產生較大的變形。消除應力處理溫度550℃、保溫6h，出爐后測量變形基本在3～6mm，然后對此均進行了再校直。待校直后正常進行雙頻淬火。

（2）淬火過程 提前按照工藝要求裝夾好兩個感應器，矯直輥進行正常的雙頻淬火過程，T2溫度1030℃，T3溫度1050℃，工件淬火移速42mm/min，工件轉速20r/min，下端噴淋水圈φ360mm，水壓滿足淬火要求。

起初淬火過程一切正常，當淬火至輥身中間位置時逐漸發(fā)現(xiàn)淬火溫度T2和T3波動較大，T2在1040～1020℃之間波動，T3在1050～1030℃之間波動，并且隨著該件繼續(xù)向下淬火移動，溫度波動越來越大且明顯發(fā)現(xiàn)工件在感應器中的擺動造成間隙不均勻。直到最后淬火接近輥身上端時，T2和T3溫度在960～1070℃之間波動，輥身發(fā)生嚴重彎曲變形，隨著轉動與感應器發(fā)生碰撞摩擦已經(jīng)無法正常淬火下移。最終只能勉強完成淬火。

（3）結果檢測 最后經(jīng)過淬火后的矯直輥變形彎曲在40mm左右，無法進行正常的校直。并且檢測硬度發(fā)現(xiàn)兩條母線硬度相差較大，輥身下端部分硬度分布較均勻，兩條母線均在55～56HRC，從中間開始往上，硬度分布極不均勻，一條母線在55～58HRC，另外一條母線只有45～50HRC。由此可見，此次淬火的結果根本不滿足圖樣的硬度要求和最終的加工要求。

表3 感應器間隙的選取

3. 工藝改進

（1）原因分析 此類軋輥淬火過程中起初變形較小，當淬火至輥身中間位置時變形較為明顯，出現(xiàn)稍微的彎曲，造成輥身轉動過程間隙不均勻，而間隙不均勻又必然造成加熱溫度的不均勻。同樣的功率下，輥身上的高點隨著轉動總是在靠近感應器的點上，低點隨著輥身的轉動總是在遠離感應器的點上，這樣隨著淬火過程輥身的下移，高點溫度越來越高，低點溫度越來越低，溫度的高低不勻又造成了輥身的進一步彎曲，進而造成間隙不勻而導致溫度不均，這樣便產生了一個惡性循環(huán)，只能使輥身彎曲越來越大，兩條母線硬度相差越來越大。

（2）淬火溫度的調整 考慮到H13材料的淬透性較高且淬火溫度范圍較寬，然而圖樣要求的54～56HRC硬度也不是很高，容易達到，故可適當降低淬火溫度，工頻T2溫度控制在700～800℃起預熱作用，中頻T3控制在1030℃左右，主要起淬火加熱作用。降低淬火溫度后，可以有效避免高的淬火溫度引起的變形。

（3）感應器間隙的改變 由于加熱過程會出現(xiàn)間隙不均造成溫度不均進而加大變形的情況，主要是因為加熱溫度對感應器間隙的敏感性較大，只有降低這種敏感性才能降低它們之間的相互影響，因此可考慮選取較大直徑的感應器，這樣感應器與輥身之間的間隙增大后，這種敏感性就降低了，從而相互影響也自然降低了。當出現(xiàn)微小變形后，高低點的溫度相差不會太大，變形量就不會繼續(xù)惡性增加，從而保持在一定的范圍內。

基于此，應該選取φ450mm的兩個感應器，雖然加大了感應器間隙，但是工頻感應器只需要加熱溫度在700～800℃，所以不存在加熱溫度不夠的問題，而中頻感應器在此間隙下全功率輸入剛好能滿足1030～1040℃范圍，即便中頻的T3溫度略有欠缺時，也可以通過略微提高工頻T2溫度來增加T3溫度。

（4）淬火前消除應力工藝改變 通過淬火后工件的變形情況推斷，第一次消除應力不徹底，550℃的消除應力溫度也偏低。第一次消除應力處理后雖然進行了校直卻沒有進行第二次消除應力處理，而又帶著校直產生的應力直接淬火，最終導致更大的變形。

現(xiàn)采取650℃的高溫消除應力處理，出爐后進行校直，校直后再進行消除應力處理，即：消除應力→校直→消除應力→校直→消除應力→……不斷往復多次進行，直到工件消除應力出爐后不再有變形量為止，這樣方可進行表面淬火。相信通過高溫反復消除應力校直，會大大降低工件自身的各種殘余應力，有助于淬火后變形的控制。

（5）淬火過程的改變 淬火后出現(xiàn)兩條母線硬度不均勻的情況，主要是因為加熱過程中工件旋轉間隙不均勻，從而造成淬火溫度高低相差甚大。只有均勻加熱才能避免出現(xiàn)硬度“陰陽面”的情況，要想間隙均勻，可以嘗試淬火過程中輥身在感應器中不旋轉直接淬火。

采取輥身不旋轉直接淬火，雖然淬火過程中也可能出現(xiàn)輥身變形造成間隙不均勻，但是在整個過程中有專人密切查看輥身與感應器間隙的變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)輥身高點離感應器近，低點離感應器遠，間隙有所不均，立即示意操作者慢速旋轉工件，調整到合適的間隙位置繼續(xù)加熱。這樣在整個淬火過程中就不會出現(xiàn)溫度不均勻的問題。

4. 結果檢測

經(jīng)過降低淬火溫度、增大感應器間隙、高溫反復消除應力、淬火過程輥身不旋轉這四點工藝改進，最終取得了較好的效果。經(jīng)測量，變形振擺基本在8～10mm，這樣的彎曲程度在后續(xù)校直過程中比較容易操作。

經(jīng)過回火后硬度檢測（見表4），完全滿足圖樣要求且不同母線硬度基本一致。

表4 回火后硬度檢測 （HRC）

5. 結語

對于這類細長比大的H13矯直輥，其表面淬火工藝從四個方面進行了改進，應用效果明顯，既減小了變形，又保證了輥身硬度的均勻性。這給我們積累了寶貴經(jīng)驗，為以后細長類軋輥和零件的表面淬火提供了可靠的保障。