CN101775476A

CN101775476A - 轴类零件的中频热处理工艺

Info

Publication number: CN101775476A
Application number: CN 201010127392
Authority: CN
Inventors: 杜振峰
Original assignee: Shanghai GKN Huayu Driveline Systems Co Ltd
Current assignee: Shanghai GKN Huayu Driveline Systems Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2010-07-14

Abstract

本发明公开了一种轴类零件的中频热处理工艺，所述轴类零件为细长杆体，在轴体表面设有多个小孔，所述热处理工艺包括淬火步骤，在25～30KHz中频范围内进行，轴体置于淬火感应器内整体式加热，中频淬火机输出电流经变频器、变压器，加载到感应器的线圈上，其中变频器的输出加热功率为第一功率，加热时间为第一时间，感应器加热采用的变频器输出加热功率为第二功率，加热时间为第二时间，所述第二功率低于第一功率，所述第二时间大于第一时间。本发明以感应加热原理及热处理应力理论分析为依据，采用降低加热功率，延长加热时间的整体式中频感应淬火，获得了理想的硬化层分布，保障了杆体表面小孔横截面的强度，减少了小孔两侧应力集中和过热倾向，并杜绝了快速感应加热产生的零件淬火开裂现象。

Description

轴类零件的中频热处理工艺

技术领域

本发明属于金属热处理范畴，尤其适用于轴类零件杆体上存在多处小孔的中频热处理工艺。

背景技术

涡轮轴作为轴类零件的代表，同时也是手自一体变速箱中连接旋转离合器、输出恒星轮、负载输出轴与扭矩转换器的关键动力传送部件。见图1，为涡轮轴的结构示意图，及A-A向的截面图。由图可知，该涡轮轴为细长杆体，轴体表面存在多个小直径盲孔或通孔，对热处理工艺提出了较高的加工要求。其技术要求具体为：材料40CrH(冷拉正火态)，心部硬度20～26HRC(洛氏硬度)，中频表面淬火、回火，表面硬度50～56HRC，总硬化层深2～4mm，Φ3.5孔横截面两侧层深3～4mm。针对总硬化层深及Φ3.5孔横截面两侧的硬化层深技术要求，选用25～30KHz的感应加热频率及整体感应加热方式，功率331KW，冷却10s，零件转速为500rpm，BW淬火液浓度为8％，淬火液温度为30℃，经金相检验得到了理想的硬化层深，并且淬硬层与心部组织界线清晰明显，Φ3.5孔横截面两侧中频淬火组织2.5级，无过热，满足了零件设计技术要求。需要合理的感应器设计制作及合理的中频加热参数，来保证硬化层深分布，同时减少淬火应力集中，杜绝中频淬火开裂倾向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在满足产品技术要求的前提下，溶解预处理组织中的脆性相，削弱急热热应力、相变应力对淬裂倾向的影响，实现涡轮轴合理的硬化层深分布，保证了零件强度和疲劳寿命。

本发明采用以下技术方案：

一种轴类零件的中频热处理工艺，所述轴类零件为细长杆体，在轴体表面设有多个小孔，所述热处理工艺包括淬火步骤，在25～30KHz中频范围内进行，轴体置于淬火感应器内整体式加热，中频淬火机输出电流经变频器、变压器，加载到感应器的线圈上，其中变频器的输出加热功率为第一功率，加热时间为第一时间，感应器加热采用的变频器输出加热功率为第二功率，加热时间为第二时间，所述第二功率低于第一功率，所述第二时间大于第一时间。

优选地，所述变频器的输出电压经变压器后输出感应电压，第一、第二功率分别对应第一、第二感应电压，在第二感应电压比第一感应电压降低27.3％的工况下，第二输出加热功率比第一输出加热功率降低55.3％。

优选地，所述第一输出加热功率、第一感应电压为605V、331KW，第二输出加热功率、第二感应电压为440V、148KW。

优选地，所述第一时间为1.7s，第二时间为2.8s。

优选地，轴体置于淬火感应器的施感体中，施感体内圈与轴体表面间的最小空隙为1～1.5mm。

优选地，施感体的导磁体与绝缘体配比为2∶1，该配比分布于各小孔及小孔两侧各3mm以内。

优选地，感应加热完毕后延迟0.3s后喷射冷却。

进一步地，淬火完毕后进行回火步骤。

本发明以感应加热原理及热处理应力理论分析为依据，采用控制加热功率，加热时间的整体式中频感应淬火，获得了理想的硬化层分布，保障了杆体表面小孔横截面的强度，减少了小孔两侧应力集中和过热倾向，并杜绝了快速感应加热产生的零件淬火开裂现象。

正常中频感应淬火，希望通过感应的热态涡流透入式加热来保障加热层的深度，得到相对清晰的硬化层与心部组织的分界线，而不是热传导的方式。通过分析多次切割分析裂纹试件，观察到横截面上的裂纹并未深至受残余拉应力的过渡层，而是全部位于距表面0.5～3mm的硬化层区域内。而众所周知，中频淬火冷却时期产生的裂纹主要生成于受残余拉应力的过渡层，说明裂纹并非淬火中后期产生。从显微组织上看，裂纹附近亦无组织粗大等异常现象，心部组织为上贝氏体+珠光体+少量铁素体，预处理组织中的上贝氏体是一种脆性相，在组织形态上因碳化物较粗大，并且碳化物和铁素体具有明显的方向性，强韧性差，快速感应加热时在热态涡流透入深度附近的极值拉应力(急热热应力)作用下易萌生裂纹，所以判定裂纹是中频加热过程中产生的，经过多次工艺验证，整体式感应加热采用较低的感应加热功率，电压440V，延长感应加热时间至2.8s，中频加热功率的降低，降低了工件表面温度，不但可以利用热传导溶解靠近热态涡流透入深度的上贝氏体，消除了组织中容易萌生裂纹的脆性相；降低中频加热速度，急热程度变小，急热热应力的影响变弱，热态涡流透入深度附近的拉应力极大值降低，并且应力波峰变得不明显；并在一定程度上扩大了淬火过渡区，有利于热处理应力的过渡，合理的应力分布防止了裂纹的产生的扩展。在实现理想的硬化层分布的前提下，保障了φ3.5孔横截面两侧3～4mm总硬化层深，同时降低了小孔两侧组织的过热倾向，增加了涡轮轴的扭转强度和疲劳寿命，延迟0.3s喷冷淬火，淬火前工件表面温度稍微降低，缓和了冷却过程中的急冷热应力的复加作用。

附图说明

图1为涡轮轴的结构示意图。

具体实施方式

本发明通过以下步骤实施：

1.将涡轮轴置于淬火感应器中，采用整体式感应加热方式(single shot，相对的是扫描式感应加热scanning shot)，感应加热频率选用25～30KHz；

2.涡轮轴与施感体(淬火感应器的线圈)的最小间隙为1～1.5mm，即涡轮轴最大外径与施感体内圈的间隙保持在1mm左右，施感体在靠近轴体表面小孔处的导磁体与绝缘体比率2∶1，分布于各小孔及小孔两侧各3mm以内；

3.以热传导方式感应加热，即降低中频感应加热功率，降低感应加热的速度：感应电压比初始工艺降低27.3％，从原来的605V降为440V；而变频器的输出功率从原来的331KW降为148KW，延长感应加热时间，将加热时间从1.7s延长至2.8s，保证了总硬化层深度；

4.喷冷淬火延迟，加热完毕后延迟0.3s喷射冷却；

5.金相检验总硬化层分布及层深是否符合要求；

6.输送履带及时输送至回火炉，对涡轮轴进行回火，加热温度为200℃，保温时间为120Min；

7.磁粉探伤检验。

在本实施例中，所述的输出加热功率为中频淬火机变频器所输出的功率。50Hz电流输入中频淬火机，经逆变成8～30KHz的中频(0～550V)高压电流，加载到中频感应变压器原边，由中频感应变压器的副边输出10～30KHz的中频低压压电流，加载到感应器的线圈上。大电流产生强磁场，轴类零件在强磁场中，零件表层产生感应电流和涡流发热到900℃左右。加热时间为淬火感应器从开始加热至加热完毕的时间总长。加热包括两个阶段：通过电流透入产生有效加热层的加热，和从有效加热层到心部的继续加热(即传导加热)。选择频率及电压，可使轴体表面至心部透热的时间最短，该时间为第一时间，即保证达到轴体预设的心表温差所需的最短时间。

涡轮轴通过低感应电压、长时间的感应加热方式，延迟淬火后将总硬化层的深度范围控制在2.2～3.0mm，而Φ3.5孔横截面两侧层深控制在3.7～3.9mm，满足了产品设计的技术要求。

本发明所涉及的适用于杆体多孔细长型涡轮轴的中频淬火工艺与一般中频淬火工艺相比，并没有充分利用感应加热原理中所希望的热态涡流透入式加热，而是依靠热传导的方式保障加热层深度的增加，并增加了淬火延迟。实际生产中若按正常的中频淬火工艺，需在尽可能短的时间内达到规定的加热深度，力求利用热态涡流透入方式加热，可是无论如何调整淬火液的冷却速度，即调整淬火介质的浓度，经磁粉探伤均会发现零件有开裂现象。主要原因是涡轮轴材料心部硬度要求较高，导致预处理组织中含有少量上贝氏体等非平衡组织。由于上贝氏组织是一种脆性相。在快速感应加热时，存在于基体中的上贝氏体在热态涡流透入深度附近的极值拉应力(即急热热应力)作用下易萌生裂纹。本发明以热传导方式对涡轮轴进行感应加热。加热功率的降低，降低了工件表面温度，不但可以利用热传导溶解靠近热态涡流透入深度的上贝氏体，消除了组织中容易萌生裂纹的脆性相；同时降低中频加热速度，急热程度变小，急热热应力的影响变弱，热态涡流透入深度附近的拉应力极大值降低，并且应力波峰变得不明显；并在一定程度上扩大了淬火过渡区，有利于热处理应力的过渡，合理的应力分布防止了裂纹的产生的扩展，有效地避免了因不平衡组织快速加热产生的裂纹，延迟0.3s喷冷淬火，淬火前工件表面温度稍微降低，缓和了冷却过程中的急冷热应力的复加作用。

与一般的扫描式中频淬火工艺(Scanning Shot)相比，本发明的优势不但表现在生产节拍短、能耗低上，并且由于整体式感应淬火工艺是对加工件的整体进行加热，感应涡流为轴向流向(扫描式感应涡流为周向流向)，这样就能保障杆体表面小孔横截面两侧深度。整体式淬火感应器可对涡轮轴轴体实现整体上的加热，涡轮轴整体置于施感体即线圈内，加热时轴体与线圈不发生相对位移。施感体靠近孔处的导磁体比率减小，能降低杆体横截面孔两侧的过热倾向，并能得到较细的中频淬火组织，整体合理的硬化层分布，可保障零件扭转强度(扭矩≥1200Nm)和疲劳寿命(≥11万次，扭矩±425Nm，10Hz)。

Claims

1.一种轴类零件的中频热处理工艺，所述轴类零件为细长杆体，在轴体表面设有多个小孔，所述热处理工艺包括淬火步骤，在25～30KHz中频范围内进行，轴体置于淬火感应器内整体式加热，中频淬火机输出电流经变频器、变压器，加载到感应器的线圈上，其中变频器的输出加热功率为第一功率，加热时间为第一时间，其特征是：感应器加热采用的变频器输出加热功率为第二功率，加热时间为第二时间，所述第二功率低于第一功率，所述第二时间大于第一时间。

2.根据权利要求1所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：所述变频器的输出电压经变压器后输出感应电压，第一、第二功率分别对应第一、第二感应电压，在第二感应电压比第一感应电压降低27.3％的工况下，第二输出加热功率比第一输出加热功率降低55.3％。

3.根据权利要求2所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：所述第一输出加热功率、第一感应电压为605V、331KW，第二输出加热功率、第二感应电压为440V、148KW。

4.根据权利要求1所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：所述第一时间为1.7s，第二时间为2.8s。

5.根据权利要求1所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：轴体置于淬火感应器的施感体中，施感体内圈与轴体表面间的最小空隙为1～1.5mm。

6.根据权利要求5所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：施感体的导磁体与绝缘体配比为2∶1，该配比分布于各小孔及小孔两侧各3mm以内。

7.根据权利要求1所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：感应加热完毕后延迟0.3s后喷射冷却。

8.根据权利要求7所述的轴类零件的中频热处理工艺，其特征是：淬火完毕后进行回火步骤。