不等截面零件的感应透热淬火工艺技术

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作者：黄建斌，米佩，张磊，金培武

单位：宁夏天地奔牛实业集团有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

感应加热淬火技术具有节能、清洁、效率高、易于实现自动化的优点，但同时因为其尖角效应易使零件尖角部位过烧，一般应用于结构对称、截面变化小的零件的表面处理。刮板是煤矿采煤工作面的输送设备——刮板输送机的主要零件，是一种典型的截面不均匀的零件。刮板承担着从工作面向转载机运煤的任务，工作条件苛刻，在输送煤的过程中，承受槽帮和煤块矸石的磨损和链条拉伸的冲击力作用，容易损坏。因此，对刮板的性能要求是：中断具有良好的综合机械性能，而斧头具有一定耐磨性，一般热处理工艺是调质后再进行斧头淬火。本文作者研究了刮板的感应透热淬火技术，为不均匀截面零件的清洁高效热处理探索了一种可靠的工艺方法。

1.试验零件的材料及方法

（1）材料

刮板材料为40Mn2，其主要化学成分见表1，锻造后经850℃正火处理。

表1 试验零件的主要化学成分（质量分数，%）

（2）试验及检测设备

感应加热电源使用KGPS-350可控硅中频电源，额定功率为350kW。自制仿形感应器、淬火喷淋器和送料机构。感应器和刮板的形状见图 1，喷淋器的结构见图2。当送料机构把刮板运送到感应线圈后开始加热（图1），加热完成后，送料机构再把刮板送到喷淋器淬火（图2），在喷淋器内的淬火是分段淬火的，喷淋器相对于刮板的端头和中段的内腔是隔开的，分别由两个泵控制其流量及喷淋时间。

刮板的斧头要求有高耐磨性，要求硬度≥HRC40。而中段则要求具有良好韧性和强度，在受到冲击力的作用下不发生脆性脆断裂，因此除了刮板加热功率、加热时间外，还要研究中段淬火冷却时间。进行压弯试验，测试其挠度能否满足设计图纸要求。

根据感应加热的特点和零件的性能要求，斧头喷淋冷却时统一，加热频率为2000Hz，主要研究的工艺参数为：输出功率、加热时间、喷淋时间（中间段），采用L9(33)正交试验法进行感应透热热处理试验。用手持式里氏硬度计检测刮板斧头硬度，使用万能试验机进行抗弯试验，加载力560kN，要求挠度≤20mm。

2.试验结果

（1） 感应透热淬火正交试验和压弯结果

刮板感应透热淬火正交试验因素水平、正交试验安排及结果如表2所列。

表2 刮板感应透热淬火正交试验结果

由表2的结果可知，影响刮板感应透热淬火后挠度的主次因素依次为：加热功率>喷淋时间>加热时间，优化的工艺参数为A3B3C3或A2B3C3，但考虑挠度过小可能会造成刮板实际使用时受到冲击力作用而断裂，加热时间又是影响因素最小的，为保证生产效率，实际生产的工艺参数确定为：加热功率220kW、加热时间270s、喷淋时间30s。

（2）斧头硬度

刮板是整体透热而分段淬火的，刮板整体的加热功率和加热时间参数同表1，每件刮板斧头的冷却时间都为150s，斧头的硬度结果见表3。 

表3 感应透热淬火后的刮板斧头硬度

从表3中可以看出，在表1的试验条件下，刮板斧头的硬度都大于HRC40，达到设计要求，说明感应透热时，斧头的所有表面都达到了奥氏体化温度，只是深度有所差别。经喷淋淬火后，正火态的铁素体组织转变为马氏体组织，提高了表面硬度。

3.讨论

感应透热深度和频率及加热时间有关，频率越低，加热时间越长，透热深度就会越深。但是实际的硬化层深度不仅受到透热深度的影响，同时受冷却速度——即喷淋的水的冷却能力的制约，因此合理的感应透热淬火参数应兼顾加热功率、加热时间和喷淋时间。

刮板是一种典型的不等截面的零件，不同部位的截面尺寸相差较大加热时电流会走捷径，不同部位的加热温度有较大差别，不同部位表面温度会超过100℃。但是只要零件的加热温度在奥氏体化温度范围内而不过烧，那么对于这种零件来对，一定的加热频率和加热时间保证了透热深度，加上合理的分段冷却时间，就能保证斧头硬度和挠度达到使用要求，这样才能在生产中具有实用性。本文的研究工作对于不等截面的零件高效来说，具有较好的示范意义和实际推广价值。

4.应用效果

图1所示刮板应用整体感应透热淬火技术，斧头硬度高，压弯能够满足设计要求，从生产效率看，每270秒可生产一件，每班可生产80件。而调质+斧头淬火的传统工艺而言，调质使用240kW电炉加热，淬火和回火都需6小时，每炉装40件，同样完成80件的生产要使用两台电炉共12小时。调质完成后还需要调平和喷丸，再进行斧头淬火工序。因此，感应透热淬火技术比传统工艺省去调质和喷丸工序，而且每件刮板热处理的质量稳定一致，不仅降低了生产成本、提高了生产效率，而且提高了热处理质量。项目达到预期效果。