摘 要：针对超大直径、超高载荷环形导轨低频淬火工艺技术展开研究，根据零件结构特点及技术要求，分析了工艺技术难点，提出了一系列参数和工艺技术假设，在相关试验的基础上，获得了超大直径、超高载荷环形导轨低频的淬火工艺参数。
关键词：超大直径；超高载荷；环形导轨；低频淬火
武汉重型机床集团有限公司承接的某国防重点装备上的关键零件——环形导轨，主要起回转与支承作用，要求其有足够的刚度和精度保持性。导轨面上有车体滚动，车体承重约1 400 t，这就要求导轨面具有非常高的强度和耐磨性。
该项目为国家重点项目，由于技术保密性，国内外没有相关资料可以借鉴。为了确保项目的顺利进行，本文从材料特性分析、零件技术要求、工艺特性分析、热处理工艺参数、淬火感应器的制造、淬火裂纹的控制以及淬火变形校正等几个方面展开研究，并进行了相关试验，得出了合理的热处理工艺参数。
1 40CrNiMoA材料特性分析
在40CrNiMoA超高强度钢中，w(C)=0.36%～0.44%、w(Cr)=0.6%～0.9%、w(Ni)=1.25%～1.75%、w(Mo)=0.15%～0.25%，其经热处理后具有优良的综合力学性能。铬和镍等合金元素的加入使其淬透性较好，并使铁素体的强度和韧度得到提高；钼和铬等碳化物形成元素的加入，可阻止奥氏体晶粒度长大，提高钢的回火稳定性，在使用中有一定的冲击性和断裂韧度，以及高的疲劳强度，可满足环形导轨对材质的要求[1]。
2 环形导轨的零件结构及技术要求
环形导轨材质为40CrNiMoA，毛坯为锻件，外形尺寸如图1所示。环形导轨可等分为10段，单件质量约为4 200 kg，单段长度近5 200 mm。其技术要求为导轨经过调质处理，硬度达到32～36 HRC；导轨面经过表面淬火处理，硬度达到48～52 HRC，淬硬层深度>10 mm，淬火变形<1.5 mm，淬火面不允许存在任何形式裂纹。
图1 环形导轨零件示意图
3 工艺特性分析
根据零件的结构特点及技术要求分析认为,该环形导轨表面淬火的主要难点如下。
1)很难达到设计要求的硬化层深度(>10 mm)。常规感应淬火一般硬化层深度为3～5 mm，资料数据表明，40CrNiMoA感应淬火最大硬化层深度一般为8 mm。另外，导轨为弧形，弦长5 200 mm，弦高700 mm，要求淬火变压器能两轴联动或者淬火机床回转直径达到16 000 mm，对淬火设备要求较高，在国内多次寻找专业热处理厂家均表示无法满足要求。
2)很难达到设计要求的淬火变形(<1.5 mm)。淬硬层越深，淬火变形越大，变形超差后采用传统的机械校正法几乎难以校平。
3)40CrNiMoA钢淬透性较好，表面淬火时容易产生裂纹，对冷却介质冷却速度要求较高。
针对上述技术难点，采用技术措施如下。
1)现有卧式淬火机床电源为IGBT电源，功率为350 kW，频率为5～30 kHz，设备外形尺寸为14 m×2.5 m×2 m。通过与设备厂家的充分沟通，并进行可行性分析，认为在现有的卧式淬火机床设备的基础上，通过对电源进行局部改造，可使设备频率降到约为1 500 Hz，满足淬火设备频率要求。
2)为减小淬火变形，工艺流程上增加预备正火处理，细化晶粒，消除锻造内应力，为后续热处理作组织准备。淬火变形后，根据变形规律，采用在淬火面背面局部加热的“拉背”技术校正变形，使变形控制在1.5 mm以内。
3)为抑制淬火裂纹的产生，导轨面的边角必须倒钝，同时淬火前增加预热处理，以减少在感应加热过程中因工件截面较大、内部吸热较快而造成的热量损失，便于快速加热。预热可提高热应力，降低淬火冷却过程中开裂的风险。
4 环形导轨热处理工艺
环形导轨工艺流程为：锻造→正火→粗铣→超声波探伤→调质→半精铣→表面淬火→着色探伤→精铣→入库。
4.1 正火处理
大型锻件常常存在成分与组织不均匀、晶粒粗大等缺陷，锻后进行正火处理，可达到细化晶粒，消除内应力，改善钢的切削加工性能，消除由于截面尺寸不同在结晶过程中产生的显微组织的不均匀性，为后序表面淬火作组织准备的目的。为降低正火后的硬度和消除内应力，得到良好的机械加工性，还应进行附加回火。具体工艺曲线如图2所示。
图2 正火处理工艺曲线
4.2 调质处理
在环形导轨粗铣并超声波探伤后进行调质处理，工艺类似正火处理，工艺曲线如图3所示。为了得到更大的淬硬层深度，淬火冷却介质采用体积比为8%浓度的PAG合成淬火液。通过淬火和高温回火处理后，表层硬度达到32～36 HRC，满足设计要求。
图3 调质处理工艺曲线
4.3 表面淬火工艺参数
4.3.1 设备频率的选择
为保证工件表面淬火硬化层的深度，电流的透入深度Δ热应大于所要求的淬硬层深度δ。经验表明，δ≥Δ热/4，而以δ=Δ热/2为最佳。由Δ热
可知[2]，理想的频率为1 200～1500 Hz。经过电源局部改造，即更换低频电容和变压器，可使卧式淬火机床电源频率达到1 400～1 500 Hz，满足淬火设备频率要求。
4.3.2 感应器设计及导磁体的选择
根据环形导轨淬火面形状，感应器设计成仿形平面淬火感应器，即2根铜管加热，其中一根铜管上带喷水孔，实现边加热边冷却的连续淬火方式。首先，将φ16 mm紫铜管用拉方工装制成截面14 mm×11 mm的方铜管，然后进行弯形、开孔，最后与紫铜板焊接而成。
为提高加热效率，采用导磁体减少磁力线的逸散，它是平面与内孔感应加热不可缺少的附件。此外，导磁体可进一步强化外表面加热和局部加热，改善复杂形状工件加热区的磁场分布，以获得均匀的温度分布[3]。根据导磁体的驱流作用，将其装卡在铜管上。导磁体的材料通常有铁氧体、硅钢片和矽钢片，试验证明，中、高频导磁体对电源振荡波形图有较大干扰，使加热状态极其不稳定；因此，在低频率淬火时应使用低频矽钢片导磁体，且以厚度≤0.2 mm为佳。
淬火感应器上钻有与底面成45°、φ1.5 mm的斜孔，孔间距以3 mm为宜。为防止淬火液倒流，影响加热效果，除喷水孔与淬火面呈一定角度外，还应在感应器前方增加空气吹扫装置，以及时带走回流飞溅的冷却液。
4.3.3 淬火温度的选择
由于感应加热速度快，奥氏体转变在较高温度下进行，在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高；另由于感应加热一般不进行保温，为了在加热过程中能使先共析铁素体(亚共析钢)等游离的第2项充分溶解，要求感应加热表面淬火温度采用较高的加热温度。一般感应淬火温度比普通淬火温度高30～200 ℃[4]。40CrNiMoA奥氏体化温度为835 ℃，普通淬火温度为860～880 ℃，感应淬火温度初步选为880～900 ℃。试验证明，采用偏下限的淬火温度时，淬火硬化层深度只有6.5～7 mm；而采用偏上限的淬火温度，虽然淬火硬化层深度可以达到10 mm以上，但淬火面两边易出现淬火裂纹。
4.3.4 淬火速度及工件与感应器之间的间隙选择
中、高频连续淬火速度一般以3～5 mm/s为宜，而对于低频连续淬火，为了得到更深的淬硬层，在保证表面不过热条件下，可采用降低比功率，延长加热时间，增加工件与感应器的间隙，以及预热处理等工艺方法。试验表明，在淬火温度保持不变的前提下，当淬火速度为1.5～2 mm/s时，淬硬层深度达到10.5 mm；当淬火速度为3 mm/s时，淬硬层深度为8.5 mm。试验中发现，在低频淬火时，感应器与工件之间的间隙较常规中、高频淬火的间隙大，这是因为低频淬火时，产生的磁场更强，感应器与工件之间会产生较大的吸引力，可能会导致感应器与工件接触而烧伤工件表面；但感应器与工件之间的间隙也不能太大，否则会减小涡流的透入深度，从而影响淬火硬化层深度。试验证明，工件与感应器的间隙取6～7 mm较为合适。
4.3.5 冷却介质的选择
感应淬火的冷却速度和冷却均匀性是十分重要的参数，如果淬火冷却介质的冷却性能不良或冷却方式不佳，均有可能造成淬火裂纹或其他缺陷，而40CrNiMoA属于低合金高强度高，淬透性较好，资料显示，该钢水淬时最大淬透直径可到100 mm，但水淬时容易产生裂纹。冷却速度太快和淬火冷却不均匀均易引起不同程度的裂纹。试验证明，当淬火水温为30 ℃喷水冷却时，在环形导轨边角处容易出现不同程度的淬火裂纹。通过磨削后着色探伤检测可知，裂纹深度≤0.5 mm。淬火喷射压力越大，淬火裂纹数量越多，这是因为随着喷射压力的提高，喷出的水柱越强劲，冷却的均匀性越差，淬火裂纹自然也越多[5]。实践证明，采用体积比为0.1%～4%浓度的PAG合成淬火液喷冷时，对抑制裂纹效果不明显；当浓度>4%时，虽能有效抑制裂纹的产生，但浓度提高后冷却能力下降，淬火硬化层深度也随之下降。在把淬火硬化层深度作为首要满足要求的前提下，通过对比试验，结果表明，选择喷水冷却，控制喷射水压在0.15～0.2 MPa，同时淬火前进行预备热处理，能大幅抑制淬火裂纹的产生。
4.4 淬火变形校正方法
尽管采取了多种减小淬火变形的方法，但是淬火变形仍不可避免，且淬硬层越深，变形越大。环形导轨表面淬火变形规律为淬火面中部凸起，两端下凹，通过多次试验，测出淬火面中部凸起最大值为7.5～8 mm。由于导轨面硬度高达48 HRC以上，且淬火硬化层深度>10 mm，采用常规的冷压校直法和热校直法均难以校正。根据多年的现场实践经验，采用“拉背”技术校直法，可将变形校正在合适范围。
所谓“拉背”技术校直法，即对淬火面背面进行加热，找出工件凸起部位，以最高点为中心，两头各一段距离，以一端为起点，通过感应加热此区域，采用连续加热法加热淬火面背面，加热温度同淬火温度，以移动至另一端为终点；然后对加热部分进行激冷，使加热部位迅速收缩，以达到校正的一种方法。通过此方法进行校正，可将淬火变形控制在≤1 mm，满足加工余量要求。“拉背”技术校直法的重点在于找出合适的加热部位，控制好加热温度和感应器移动速度，加热完后进行激冷，校正后需要进行回火处理。因为工件畸变矫正的实质是通过外力作用于工件，使其产生与原变形方向相反的变形，从而相互抵消，达到矫正的目的。由于外力的作用产生相反的变形，工件内部必然产生相应的内应力，此应力也称工件的校直应力。若不对其进行消除，工件在后续的加工或使用过程中产生的应力与该应力合成，当合成应力超过工件的屈服极限时，工件就会产生塑性变形，出现新的畸变。
5 结语
40CrNiMoA大直径环形导轨低频感应淬火前应进行预备正火热处理，以达到细化晶粒，消除应力，为后续热处理作组织准备的目的；粗加工后进行调质处理，增加环形导轨整体强度；半精加工后对环形导轨面进行低频感应淬火处理，频率控制在1 400～1 500 Hz较宜，淬火温度为880～900 ℃。为了减少裂纹的产生，低频淬火前应进行350 ℃保温4 h的预备热处理，喷水压力控制在0.15～0.2 MPa。淬火变形后，可通过“拉背”技术校直法将淬火变形校正在合适的工艺留量范围内，以满足后续加工要求。
