45钢高频淬火工艺及性能的研究

45钢高频淬火工艺及性能的研究内容摘要：

淬硬的部分作为感应器导体回路的一部分 ,用高频电流对工件表面同时感应加热和电阻加热 ,实现表面淬火。 通高频电流时 ,工件表层的一部分直接通电 ,由自身的电阻加热。 与此同时 ,感应器附近的工件表面产生感应电流 ,见图 ,两种作用加热工件的表层和表面 ,达到淬火温度后 ,切断电源。 更换不同的感应器 ,可 以加热不同形状的工件表面。 由于加热速度极快 ,加热部分仅限于某一范围 ,周围及深处冷的部分迅速导热 ,使加热区激冷 ,实现自冷淬火。 与传统的高频加热相比 ,工件表面加热电流更集中、密度更大、加热速度更快。 因此可以对工件表面实施高能量热处理。 高频感应电阻加热表面淬火的特点 ： ①适用于齿条轴的齿条淬火和各种凸轮轴汽缸内表面的强化。 ②功率密度高、加热速度快、畸变小、淬硬层浅。 ③不需淬火介质 ,真空室等 ,无需发黑化处理。 （ 6）高频脉冲感应加热表面淬火 用高频脉冲感应加热进行淬火 ,使用 20～ 30MHz的高频脉冲 ,通过感应 圈在毫秒级极短时间内使工件表面急速加热到淬火温度 ,然后自冷。 高频脉冲感应加热综合感应加热与高频脉冲加热的某些特点 ,与其他热处理工艺比较 ,淬火后具有高硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度、以及微变形等特点。 而且相应的设备投资少 ,维修简单。 感应脉冲加热淬火后的超常硬化 ,是有效的晶粒细化 ,高密度亚结构及高的残余应力综合作用的结果 [9]。 感应加热淬火技术常见质量问题及产生原因 感应热处理常见的质量问题有开裂、硬度过硬或过低、硬度不均匀、淬硬层过深或过浅、淬硬层深度不均、表面局部烧熔等 [10]。 其原因归纳如 下： （ 1）开裂原因 加热温度高、不均匀，冷却过快且不均匀；淬火液选择不当，冷却速度过大；材料淬透性偏高，成分偏析，含有毒元素，存在缺陷；零件结构设计不合理，技术规范不当。 （ 2）淬硬层深度过深或过浅的原因 加热功率过高（低）且加热时间过长（短）；电源频率选择不当，并且在此情况下又没有选择合理的比功率与加热时间；材料的淬透性过高或者过低；淬火液的温度、压力、成分选择不当。 （ 3）硬度过高或过低原因 材料含碳量偏高或偏低；回火温度偏低或过高且回火时间不当；淬火液成分、压力、北华航天工业学院毕业论文 6 温度选择不当；材料表面脱碳；淬火加热 温度低组织尚未转变等。 （ 4）表面硬度不均匀的原因 感应器结构不合理；引起加热、冷却不均匀；材料原始组织不良（带状组织、偏析、局部脱碳）。 （ 5）表面局部烧熔的原因 感应器结构不合理；加热时间过长；工件带有尖、角、孔、槽；表面有缺陷；连续加热或半圈旋转加热时，移动或旋转过程中有突然停止现象。 45钢感应加热淬火技术的应用与研究 45钢是优质碳素结构钢，车轴是其中的一个应用方向，对 45钢进行合理的热处理能有效提高车轴的使用寿命。 车轴是一个变直径的圆柱体 ,要实现全长表面淬火在很大程度上取决于感应器 的结构设计与制造。 加热用感应器的设计应主要考虑 ① 使被加热零件的表面温度均匀。 ② 感应器损耗小 ,电效率高。 ③ 感应器冷却良好。 ④ 制造简单 ,有足够的机械强度 ,操作使用方便。 车轴加热感应器用矩形紫铜管制造成圆形感应器 ,并通水冷却 ,零件加热后由用附带喷水圈进行喷射冷却。 为了保证在感应加热中尽可能地减少漏磁 ,提高加热效率 ,感应器与零件之间的间距尽可能小 ,但要有足够的间隙 ,保证使感应器能与车轴的相对运动顺利进行 [10]。 首先，我国的机车、车辆均采用优质碳素钢车轴 ,纵观总体情况 ,应该说碳 素钢车轴是成熟的、可靠的。 对于高速列车车轴材料是选碳素钢还是合金钢 ,我国还没有成熟的技术。 由于各国的国情不同 ,技术观点不同 ,选用的车轴材料不尽相同 ,但都属于低碳钢范畴 [11]。 在调质或正火的基础上再施加表面感应淬火强化处理 ,可使服役寿命成倍地延长。 因此 ,这是提高车轴使用寿命的一种重要工艺方法。 表面感应强化对提高车轴的弯曲或扭转疲劳强度、减少对缺口的敏感性和应力集中十分有效。 表面感应淬火后 ,由于心部高的有效韧性和塑性 ,允许其硬化层有较高的硬度 ,以保持高的耐磨性、 强度和残余压应力 ,充分发挥 材料抗疲劳的潜力。 国外对车轴 高 频感应淬火从过去的局部淬火、 分段淬火 ,发展到现在的表面全长淬火。 其次，加热温度和加热时间当材料和原始组织一定时 ,相变温度随着加热速度增大而 提高 ,为得到合格的淬火组织 ,相应的淬火温度也随之提高。 车轴感应加热升温速度一般在 30～ 100 ℃/ s ,4 5钢车轴的表面淬火加热温度选择 890～ 960 ℃ 为佳 ,为了获得较深的淬硬层深度 ,选择上限加热温度。 较长的加热时间和较高的加热温度 ,可获得较深的加热深度 ,反之 ,加热深度较浅。 据文献介绍 [12] [13]， 45钢易淬裂的尺寸范围为 5～ 11mm，截面尺寸过小或过大均不易淬裂。 由于由于车轴直径较大 ,需要加热深度较深 ,因此 ,选择加热功率 150～ 220kW ,北华航天工业学院毕业论文 7 加热时间 6～ 15s ,加热温度 920～ 960 ℃。 北华航天工业学院毕业论文 8 第 2 章 工艺方案制定与实验过程 总体实验 方案 本章根据对感应加热淬火技术的了解，利用现有的实验手段和已掌握的实验技术，选取相应的实验设备，制定实验参数，对 45 钢正火预处理，然后进行高频感应加热淬火处理与调质处理。 并测量试件经感应加热淬火与调质后的硬度，最后观察试件感应加热淬火后的进行组织。 先 对 原始正火组织的 45 钢 试件 采用不同的加热时间参数和不同的感应电流参数，对具有等同的原始正火组织的 45 钢进行高频感应加热表面淬火处理，并进行水淬，然后进行显微硬度的测量，比较几组实验数据。 选出性能最优的试件进行 金相组织的测试和观察。 之后进行回火。 然后 对具有等同的原始正火组织的 45 钢进调质热处理 ， 之后进行显微硬度 的测量。 并和感应加热淬火并回火的试件进行比较。 实验材料与设备的选取 本实验 选用 的是实验室中的 φ 20mm 的 45 钢棒材， 使用切割机将其截成 11个 高度为10mm 的试件备用。 实验设备的选取 本课题研究的是 车轴 （ 45钢）高频感应加热淬火热处理，拟采用不同的加热功率、温度、时间、冷却、回火等工艺参数的组合，通过检测试件截面硬度、金相组织等进行对比，以期获得 45钢 车轴 优异的机械性能，从而探究出高频感热处理的优化工艺，为工具生产制造提供新的工艺途径。 所以选取合适的实验设备可以让预设的各种参数和测量出的数据精确而全面。 （ 1） SP15系列 中、 高频感应加热焊接设备 （图 21） 北华航天工业学院毕业论文 9 图 21 主要用途：金刚石工具焊接 、 车刀焊接 、 贵金属熔炼 、 锤子淬火 、 钻头热轧。 技术参数： 最大振荡功率： 15KVA 振荡频率： 30～ 100KHZ 输入电压：单相 220V,50或 60HZ 冷却水要求： ,2～ 5L/min 负载持续率： 80% 自动控制型的计时功能：加热时间 、 保温时间 、 冷却时间 (1～ 99s) 分体式主 — 分机连线长度： 2m（最长可定制 6m） 主要特点： ① 采用 MOSFET功率器件和我公司第一代变流控制技术。 ② 特别 轻巧 ， 只有 18～ 30KG左右。 ③ 操作简单，几分钟即可学会。 ④ 安装简单，只需接电源和水即可，无需专人安装。 ⑤ 自动控制型可调节加热、保温过程的功率和时间，有利于提高加热质量的重复性简化工人操作。 ⑥ 分体式机型主要用于工作环境脏、高温、有腐蚀性等恶劣条件。 （ 2） Leica DMI5000MMDS倒置金相显微镜及图像分析系统（图 22） 用于观察分析材料的金相显微组织，具有高性能无限远光学系统、完善的观察功能、先进的图像采集分析系统，可进行自动智能管理、控制操作、图像分析并生成报告。 主要技术指标： 光学系 统 ： 校正多重色差，消除杂散光干扰 目镜 ： 25mm宽视场双目镜 物镜 ： 50、 100倍平场复消色差 物镜转盘 ： 5位电动控制 观察方式：明场、暗场、偏光 载物台： 127x83mm移动范围 操作规程： ①根据要求选择目镜、物镜、样品托盘，从干燥器取出放于镜座上。 ②接通电源，启动主机和控制系统。 调节载物台的机械中心与显微镜光轴重合。 ③将充分清洁、干燥的金相试样放于载物台上。 ④粗调旋钮，视场逐渐变亮，微调至图像清晰。 调节物台旋钮找到试样的观测区域。 ⑤调节光强、孔径光阑和视场光阑至视场亮度适中，图 象反差依需要而定。 ⑥进行金相组织观察、摄取、保存及分析。 北华航天工业学院毕业论文 10 ⑦工作结束，关闭电源，取下物镜、目镜放于干燥器中，盖上镜筒防尘盖，载物台调至低位。