工程机械用销轴两种中频热处理工艺的探讨
作者：刘建明
单位：山东珠琳智造股份有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
1.概述
山东珠琳智造股份有限公司是工程机械四轮一带的专业生产商，销轴是四轮一带里的重要部件，不仅需要承受一定的载荷，表面还需要一定的耐磨性。本文以171节距的销轴（见图1）为例，直径为33.4mm，长度为183mm，材质为45B。技术图样要求热处理工艺可采用两种方式：①整体调质，然后表面进行高频感应热处理。②中频感应加热后喷淋淬火，表面和心部进行差别化硬度处理。出于成本控制和生产效率考虑，第②种热处理方式成为市场的主流选择。详细的技术要求如下：淬硬层7～15mm（临界硬度45HRC），表面硬度52～60HRC，心部硬度252～397HBS。
我公司的销轴热处理全部采用中频感应加热喷淋淬火工艺，但是淬火机床分为两种，分别采取*控冷和*控温来达到销轴内外硬度差别化的目的。
2. *控冷中频感应热处理
此设备主要由自动上料机构、中频感应线圈组成的2.8m长的加热炉膛和三个压淬冷却工位组成，炉膛和冷却工位之间靠移料伺服电动机和伺服推杆进行衔接。销轴首先由自动上料机构上料，然后进入加热炉膛进行加热，加热后移料伺服机构将加热好的销轴依次送到三个压淬工位，然后由相应工位的伺服推杆推入压辊进行喷水压淬，压淬的目的是防止弯曲变形超差。这种设备采取的是步进式生产方式，销轴在炉膛内整体加热至完全奥氏体化温度，然后出炉进入压淬工位进行喷液冷却，依靠*控制喷水量和喷水时间来达到内外差别化硬化的目的。淬火完成的工件及时装入台车炉进行低温回火。主要热处理工艺参数如表1所示。
此工艺是采用较低的电源频率来提高涡流透入深度，并在炉膛保温一段时间，将工件整体加热至Ac3以上，然后控制喷液进行冷却。此工艺的优点：①由于采用三个工位进行冷却，生产效率较高。②过程控制较为稳定。缺点：①此种冷却方式无法保证整根轴各部分同时均匀冷却，导致变形过大，必须依靠压淬才能保证直线度。②增加了三个压淬工位和移送料装置使得设备构造较为复杂，设备故障率偏高，维护保养费用较高。
3. *控温中频感应热处理
此设备主要由自动上料机构、两个反向转动的传输辊和在线感应回火炉组成。传输辊内从前到后依次布置预热感应器、加热感应器和环形喷水器。预热感应器和加热感应器通用，都是用8mm×12mm的矩形铜管制成的内径为43mm的两匝线圈。工件由自动上料装置进行上料，传送链将工件送入传输辊，工件在传输辊内依次经过预热感应器和加热感应器完成加热，然后直接经过环形喷水器进行喷液冷却，*经由在线回火炉完成回火。这种设备采用的是边加热边冷却的生产方式，由于是连续生产，不同于步进式生产，需要连续喷水冷却，喷水时间无法随时启停，工件直径又比较小，很难仅通过调节喷水量来控制工件内外冷却速度，只能依靠控制加热来保证内外差别化硬化处理。主要热处理工艺参数如表2所示。
此工艺预热采用较低的电源频率来提高涡流的透入深度，加热采用稍高于预热的频率使工件表面迅速达到奥氏体化温度，而心部仍处在Ac1～Ac3区间内，然后迅速经过环形喷水器喷水冷却。此工艺优点：①设备结构较为简单，维护保养成本低。②由于工件心部不需加热至完全奥氏体化，淬火后直接使用在线回火，能有效地降低能耗，节能减排效果较为突出。③由于采用环形喷水器，工件径向冷却均匀，热变形较小，直线度极好，无需压淬。缺点是加热时间必须控制精准，由于Ac1～Ac3温度区间很窄，稍有不慎心部就会完全奥氏体化。
4. 检验分析
（1）硬度与淬硬层 结果如表3所示。
（2）金相组织如图2～图5所示
图2 *控冷淬硬区金相（ 回火M，500X）
图3 *控温淬硬区金相（回火M，500X）
图4 *控冷心部金相（ T+回火M+少量先共析F，500X）
图5 *控温淬硬区金相（回火M+T+少量未溶铁素体，500X ）
通过检验发现，两种工艺的硬度都符合图样技术要求，近表面淬硬区金相无差别，都是均匀的回火马氏体组织。心部组织也都是由回火马氏体、屈氏体和少量铁素体组成。心部组织的区别在于回火马氏体和屈氏体组织占比不同，同时少量铁素体的组织形态也不同。控冷的心部铁素体是由于淬火时心部冷速较慢，先共析铁素体沿晶界析出，而控温的心部铁素体呈块状分布，是加热时的未溶铁素体。由于铁素体只在心部存在，且占比极小，对销轴整体强度影响极小，但有利于提高销轴的塑韧性和降低脆性。
5. 结语
两种工艺不同之处就是*种热处理工艺是用较低的频率使工件内外透热，然后靠*控冷，使工件内外冷速不同，让表面和心部获得不同的金相组织，从而得到不同的硬度。第二种热处理工艺是预热用较低的频率来提高加热深度，加热用高于预热的频率来提高工件表面温度，通过*控制每根销轴通过感应器的时间来达到*控温的目的，让工件表面完全奥氏体化，而心部温度仍处在Ac1～Ac3温度区间内，在喷水冷却时，表面得到完全硬化，心部属于亚温淬火，淬火后心部处于半马氏体状态，从而实现表面和心部的差别化硬化效果。两种工艺生产出的工件都能符合图样技术要求，经模拟挠度试验，在200kN的弯曲载荷下，弯曲挠度差别不大，且经市场两年多使用验证，无不良反馈。
