大型鑄鋼主軌中頻淬火回火工藝的一些問(wèn)題
2019-02-15 15:33:23 點(diǎn)擊：
摘要：介紹了確定大型42CrMo鑄鋼主軌(300mm寬)中頻感應(yīng)加熱淬火及回火工藝的試驗(yàn)過(guò)程。通過(guò)控制設(shè)備的功率、頻率、二次電壓及工件的移動(dòng)速度，使主軌透熱層深>30mm.選用合理的淬火劑，防止了主軌的開裂和變形，使有效硬化層深達(dá)22—26mm。確定后的工藝已成功應(yīng)用于長(zhǎng)江三峽大壩及電站主軌的表面感應(yīng)熱處理。
關(guān)鍵詞：主軌；感應(yīng)熱處理
1 引言
主軌是長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程水下底孔事故門、深孔事故門及電站進(jìn)水口快速門埋件上的重要組件之一，是水下閘門啟閉時(shí)滾輪行走時(shí)的軌道。這些主軌要承受滾輪由于閘門受水壓而產(chǎn)生的巨大壓力及行走時(shí)的摩擦力，總水壓最高達(dá)76MN，每個(gè)滾輪作用于主軌上的重量高達(dá)500t，所以要求主軌有良好的綜合力學(xué)性能和足夠深的表面硬化層。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，材質(zhì)為ZG42CrMo鋼，基體硬度為240--260HB，表面有效硬化層深度≥15mm，表面硬度要求300-350HB，不允許有表層裂紋。
主軌每根長(zhǎng)4m，截面為工字梁，硬化工作面寬300mm。因?yàn)楦袘?yīng)加熱面寬，透熱層及硬化層深，不允許有淬裂和變形，其熱處理難度較大。這對(duì)如何選用合適的感應(yīng)加熱設(shè)備和淬火冷卻介質(zhì)以及制定出適宜的熱處理工藝提出了較高要求。經(jīng)計(jì)算[1]，選用頻率為150--250Hz的專用中頻板式淬火機(jī)床作為加熱設(shè)備，同時(shí)為使淬火后工件的硬度均勻，淬硬層深，變形小，不產(chǎn)生淬火裂紋，不造成環(huán)境污染，最終選用PAG類淬火劑[2]，淬火液濃度為14％。
2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)方法
2.1 中頻感應(yīng)淬火機(jī)床參數(shù)試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)方法：用中頻淬火機(jī)床加熱主軌(試件)，調(diào)整中頻淬火機(jī)床的電參數(shù)，測(cè)量主軌加熱的溫度，找出設(shè)備電參數(shù)與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(2)試驗(yàn)設(shè)備：500V／250Hz中頻板式淬火機(jī)床。
2.2 主軌表面感應(yīng)淬火、回火工藝試驗(yàn)
(1)試驗(yàn)方法：選用符合感應(yīng)淬火前各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的主軌(包括調(diào)質(zhì)硬度，探傷檢測(cè)，變形量等)，通過(guò)調(diào)整中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的電參數(shù)、淬火機(jī)床的移動(dòng)速度及淬火冷卻時(shí)間來(lái)控制主軌表面感應(yīng)加熱的溫度，透熱深度及淬透深度。
(2)試驗(yàn)條件：工件材質(zhì)為ZG42CrMo鋼，成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(w％)：0.43C，0.39Si，0.87Mn，1.12Cr，027Mo；調(diào)質(zhì)硬度240--260HB；超聲波探傷裂紋；采用WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)、GXW-221非接觸式光纖傳感測(cè)溫儀和目測(cè)相結(jié)合的方法確定溫度；采用HLN-11A里氏硬度計(jì)和HB300布氏硬度計(jì)，分別測(cè)定淬火和回火后的硬度。
(3)試驗(yàn)工件取樣方法：為了能準(zhǔn)確反映真實(shí)工件的技術(shù)指標(biāo)，采用在合格的半成品主軌上取樣。經(jīng)感應(yīng)處理后，選有代表性部位，用線切割方法取樣。試塊(剖片)厚度為l5mm，經(jīng)磨床磨光后進(jìn)行檢測(cè)。
3 試驗(yàn)結(jié)果與討論
(1)中頻感應(yīng)淬火機(jī)床參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表1，從中可以看出，工件感應(yīng)加熱時(shí)的溫度與工件移動(dòng)速度，感應(yīng)器電壓(二次電壓)等參數(shù)之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，同一溫度，可以有兩種以上的速度-電壓組合，這有利于感應(yīng)加熱時(shí)對(duì)溫度均勻性及透熱深度的調(diào)整。
表1 中頻感應(yīng)加熱淬火機(jī)床各參數(shù)間的關(guān)系
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Mo |
| 3.36 | 2.34 | 0.87 | 0.12 | 0.053 | 0.87 | 0.39 |
(2)主軌感應(yīng)加熱淬火試驗(yàn) 主軌感應(yīng)加熱淬火電氣參數(shù)見表2。由表2可以看出，由于工件有4m的長(zhǎng)度，隨著感應(yīng)加熱的進(jìn)行，在工件兩端和中間中頻設(shè)備的頻率和功率都有一定范圍的波動(dòng)，引起二次電壓及工件加熱溫度的變化，這與工件加熱時(shí)的變形(上拱和下彎)有關(guān)，它使得工件與感應(yīng)器之間的間隙發(fā)生變化，試驗(yàn)證明，只要保持二次電壓的穩(wěn)定，即可保證淬火溫度的基本穩(wěn)定。
表2 主軌感應(yīng)加熱淬火電氣參數(shù)間的關(guān)系
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Mo |
| 3.36 | 2.34 | 0.87 | 0.12 | 0.053 | 0.87 | 0.39 |
注：工件移動(dòng)速度為150mm／min，透熱深度為30mm。
圖1、2為主軌感應(yīng)加熱淬火后經(jīng)線切割取樣后的硬度梯度分布。由上述結(jié)果可以看出，淬硬層深度在極限硬度[3]44HRC處計(jì)算，則軌道中心有效硬化層深度為26mm，距中心50mm處有效硬化層深度為22--24mm，經(jīng)探傷檢測(cè)無(wú)淬火裂紋。根據(jù)文獻(xiàn)[4]及試驗(yàn)證明，淬硬層越深越易引起工件的橫向開裂及變形，原因是淬硬層淺表層以相變應(yīng)力為主，淬硬層深超過(guò)3mm則表層可能以熱應(yīng)力為主。為了減小工件的開裂與變形，加熱后噴淋冷卻至工件表面溫度約150—200C即可，讓余熱產(chǎn)生一定的自回火，實(shí)踐證明這對(duì)防止工件的開裂和變形是有效的。
(3)主軌的感應(yīng)加熱回火試驗(yàn) 主軌感應(yīng)加熱回火電氣參數(shù)見表3。與感應(yīng)加熱淬火時(shí)一樣，工件兩端與中間的電參數(shù)有一定波動(dòng)，為了使回火盡量充分，工件移動(dòng)速度由淬火時(shí)的150mm／min降至100mm／min，設(shè)備的頻率也在200Hz以下。
表3 主軌感應(yīng)加熱回火電氣參數(shù)間的關(guān)系
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Mo |
| 3.36 | 2.34 | 0.87 | 0.12 | 0.053 | 0.87 | 0.39 |
注：工件移動(dòng)速度為100mm/min，透熱深度為30mm。
工件經(jīng)線切割后的硬度梯度分布見圖3、4。從以上結(jié)果可以看出，經(jīng)感應(yīng)加熱淬火及回火后，主軌中心有效回火層硬度為26mm，距中心兩側(cè)50mm處有效回火層深度為18-22mm；滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。感應(yīng)回火時(shí)，設(shè)備頻率的降低及工件移動(dòng)速度的減慢，有利于充分回火，從圖4中可看出回火后硬度梯度變化均勻，經(jīng)探傷檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，工件變形也在允許范圍之內(nèi)。
4 結(jié)論
(1)采用中頻板式淬火機(jī)床．選用150-200Hz的頻率，可使300mm寬的主軌表面透熱深度>30mm。
(2)選用PAG類的水溶性淬火劑，使用濃度取14％，可使淬硬層深達(dá)到22-26mm，無(wú)裂紋，變形小。
(3)中頻感應(yīng)表面加熱，可通過(guò)控制電參數(shù)及工件移動(dòng)速度控制，加熱溫度及透熱深度。本工件淬火時(shí)取二次電壓115-125V，工件移動(dòng)速度為150mm／min，此時(shí)加熱溫度為850-880℃；回火時(shí)，二次電壓控制在78-82V之間，工件移動(dòng)速度為100mm／min，此時(shí)工件溫度為560-580℃。
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