CN102787218B - 用于控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器及制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器，包括石英玻璃管和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置。所述导磁装置为导磁体或者硅钢片；所述导磁体为中频导磁体或高频导磁体；所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片与云母片的数量比为10∶1～20∶1。所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，所述硅钢片和云母片通过孔和粘结剂固定在石英玻璃管上。本发明还公开了一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺。本发明根据工件凹槽的形状，制作与工件凹槽耦合的漏磁控制器，并将其填充在工件凹槽处，解决了工件凹槽处产生的漏磁、磁力线逸散的问题；提升了感应加热效率，同时也减少了畸变和淬火开裂现象。

Description

用于控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器及制备工艺

技术领域

本发明涉及材料的表面热处理工艺，尤其是用于控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器及其制备工艺。

背景技术

2020年，美国热处理能源消耗减少80％，工艺周期缩短50％，生产成本降低75％，热处理件实现零畸变，加热炉使用寿命增加9倍，加热炉价格降低50％，生产实现零污染。目前，美国的热处理单位能耗是400kW·h/t，而我国能耗与美国相比，高出1倍以上。因此，我国热处理节能减排任务重道远，研究低能耗、高品质的淬火热处理技术将具有重要的理论和社会意义。

淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用，汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件千差万别的技术要求，各种淬火工艺都得到了发展。感应淬火是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热的淬火工艺。与传统的淬火工艺相比，感应淬火工艺具备以下优势：(1)热源在工件表层，加热速度快，热效率高；(2)对工件进行局部加热，变形小；(3)加热时间短，表面氧化脱碳量少；(4)工件表面硬度高，缺口敏感性小，提高工件的使用寿命；(5)设备紧凑，使用方便。

然而，目前在感应淬火工艺中，设计人员常常忽略了工件凹槽处产生的漏磁，以及凹槽对磁力线造成的偏聚现象(图1)。当磁力线在穿过工件凹槽处时，表层的磁力线在凹槽界面产生折射，形成漏磁和磁力线逸散，一部分磁力线穿过空气再折射进工件表层中，造成穿过凹槽的磁通密度减少，从而降低了该部位的加热温度，延长了加热时间。由于空气的相对导磁率约为1，金属的相对导磁率2000～6000，所以在相同的磁场下，金属通过的磁通密度是空气通过的几千到上万倍。同时，另一部分磁力线则从凹槽底部穿过，也进一步减少了穿过凹槽的磁力线。因此，常规的感应加热技术就无法实现令人满意的热处理效果，往往越是需要强化耐磨的部位，硬化效果越不理想。其关键原因在于感应淬火时磁力线及温度场的分布完全基于集肤效应，分布形式主要取决于零部件和感应器的形状、距离、加热频率等，对磁力线和温度场的分布控性基本没有或者效果不理想。因此，控制磁力线的分布空间和磁通密度是实现温度场理想分布的关键，也是获得高的淬硬层和淬硬深度的前提。此外，由于漏磁引发的功率消耗导致淬火机床设备需求功率高，能耗高。

就滚珠丝杠感应淬火而言，国内滚珠丝杠主要采用感应表面淬火工艺，普遍存在淬硬层浅、硬度分布不合理、畸变量大等问题。目前，一般滚珠丝杠采用出丝再淬火，即沿滚道外圆淬火，采用外圆加热，喷液淬火。这种工艺方法简单易行，适应性好，适合螺距≤12毫米以内的各种滚珠丝杠。但由于淬火加热时温度分布不均匀，导致丝杠淬火后的硬度分布不均匀，特别是淬硬层深度沿滚道不均匀、畸变量大，最终明显影响滚珠丝杠副的精度和可靠性。同时，对于大螺距丝杠，受材料自身淬硬性影响，难以对滚道形成有效的淬硬深度和硬度。对于螺距≥16毫米的丝杠，专利“一种滚珠丝杠沿滚道表面淬火工艺”(201110296141.9)公开了一种滚珠丝杠沿滚道表面淬火的方法，即使淬火感应圈始终沿着滚珠丝杠滚道表面进行淬火，冷却水始终均匀的喷在滚道的两侧，从而使滚道两侧获得同样的硬度。但这种淬火工艺存在两个问题：(1)不适用螺距小的丝杠；(2)感应线圈和丝杠滚道间隙依然大，滚道棱角处产生的漏磁容易产生局部的过热和过烧现象。

凹槽零件如轴和齿轮的键槽，键槽的作用是连接孔类零件和轴类零件，使两者之间能够传递扭矩，因此对键槽两侧要求具有一定的硬度，提高疲劳强度。键槽一般采用感应淬火工艺，提高其硬度。当采用圆环形淬火感应器对有键槽的轴类进行淬火处理时，由于圆环效应易出现尖角效应的问题，键槽两侧过热、过烧或产生裂纹不易控制，给配键工作带来很大的困难，影响了传动质量和使用寿命。零件上的键槽变形后，一方面难以通过机械加工来消除变形，占用了大量工时，直接影响了生产周期和经济效益；另一方面造成零件对称度差，合格率低，严重地影响了产品的质量。专利“键槽细长轴淬火感应器”(200820056879.1)针对圆环形淬火感应器对有键槽的轴类进行淬火处理时易出现尖角效应的问题，提供了一种能够均匀加热的淬火感应器，有效降低尖角效应。该方法虽然可以解决键槽淬火变形、过热或过烧问题，但淬火装置复杂，不便于工业生产的实施。

目前，导磁体或硅钢片主要安置在感应线圈上，以实现对零件局部驱磁、导流的作用。而本专利则使将导磁体或硅钢片用在工件凹槽中，用于控制凹槽产生的漏磁，从而进行漏磁控制淬火，获得高的淬硬硬度和深的淬硬层。

发明内容

本发明针对现有感应淬火工艺的上述问题，提供了一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器及其制备工艺，使用漏磁控制器可以有效控制工件凹槽处的漏磁，使得淬火硬化层硬度分布梯度趋向合理。

本发明的技术方案是：一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器，包括石英玻璃管和包裹在石英玻璃管外层的导磁装置。

优选的是，所述导磁装置为导磁体或者硅钢片；所述导磁体为中频导磁体或高频导磁体；所述中频导磁体按照重量分数计，包括90～95wt％的中频导磁体粉末和5～10wt％的硅酸钠；所述高频导磁体按重量份数计，包括90～94wt％的高频导磁体粉末、2～3wt％的氢氧化铝、2～6wt％的氧化铜和2～6wt％的磷酸。

优选的是，所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片与云母片的数量比为10∶1～20∶1。

优选的是，所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，所述硅钢片和云母片通过孔和粘结剂固定在石英玻璃管上。

优选的是，所述粘结剂为泥状导磁体或胶黏剂。

优选的是，所述漏磁控制器与工件凹槽耦合使用，所述工件凹槽槽宽直径不小于8.0mm，所述漏磁控制器与工件凹槽的间隙为0.2～0.5μm，所述石英玻璃管的壁厚为1.0～3.0mm。

优选的是，所述工件为滚珠丝杠、齿轮或尾套。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将导磁体进行机械粉碎，得到导磁体粉末并将其制成泥状；

(3)将泥状导磁体涂抹于石英玻璃管上，晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

优选的是，所述导磁体为中频或高频导磁体，机械粉碎后的粒径为120目～1100目。

优选的是，所述步骤(1)中泥状中频导磁体的配制方法如下：①将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；②将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体。

优选的是，所述步骤(1)中泥状高频导磁体的配制方法如下：①按照比例称取高频导磁体(90～94wt％)、氢氧化铝(2～3wt％)、氧化铜(2～6wt％)和磷酸(2～6wt％；②将上述组分混合均匀，加入适量水搅拌均匀，得到泥状的高频导磁体。

优选的是，所述步骤(3)中，泥状导磁体晾至半凝固时，进行导磁体控制器修型，并用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；所述漏磁控制器与工件凹槽之间的间隙为0.2～0.5μm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明根据工件凹槽的形状，制作与工件凹槽耦合的漏磁控制器，并将其填充在工件凹槽处，解决了丝杠凹槽处产生的漏磁、磁力线逸散的问题；(2)提高了工件凹槽界面的磁通密度、淬硬层的深度和硬度，延长工件的精度保持性和使用寿命；(3)提升了感应加热效率，同时也减少了畸变和淬火开裂现象；(4)采用漏磁控制器，显著提高了功率因数和淬火效率，改善了电源系统的使用工况，延长了设备的使用寿命。

附图说明

图1是感应磁力线在丝杠滚道处产生磁力线逸散和磁力线偏聚示意图；

图2是与漏磁控制器耦合的丝杠滚道的剖面结构示意图；

图3是采用与丝杠滚道耦合的漏磁控制器后，磁力线均匀通过丝杠滚道的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器2，包括石英玻璃管3和包裹在石英玻璃管3外层的导磁装置1。所述导磁装置为中频导磁体。所述漏磁控制器2与工件凹槽4耦合使用，所述工件为滚珠丝杠，所述工件凹槽为丝杠凹槽；所述漏磁控制器2与工件凹槽4的间隙为0.2μm；所述工件凹槽4的槽宽为8.0mm，所述石英玻璃管3的壁厚为1.0mm。所述中频导磁体按照重量分数计，包括90wt％的中频导磁体粉末和10wt％的硅酸钠。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将中频导磁体进行机械粉碎至120目，得到中频导磁体粉末；

(3)将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体。

(4)将泥状中频导磁体涂抹于石英玻璃管上，待泥状中频导磁体晾至半凝固时，进行导磁体控制器修型，并用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干后，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

实施例2：

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器2，包括石英玻璃管3和包裹在石英玻璃管3外层的导磁装置1。所述导磁装置为高频导磁体。所述漏磁控制器2与工件凹槽4耦合使用，所述工件为滚珠丝杠，所述工件凹槽为丝杠凹槽；所述漏磁控制器2与工件凹槽4的间隙为0.5μm；所述工件杠凹槽4的槽宽为16.0mm，所述石英玻璃管3的壁厚为3.0mm。所述高频导磁体按重量份数计，包括90wt％的高频导磁体粉末、3wt％的氢氧化铝、5wt％的氧化铜和2wt％的磷酸。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将高频导磁体进行机械粉碎至1100目，得到高频导磁体粉末；

(3)按照比例称取高频导磁体粉末(90～94wt％)、氢氧化铝(2～3wt％)、氧化铜(2～6wt％)和磷酸(2～6wt％)；将上述组分混合均匀，加入适量水搅拌均匀，得到泥状的高频导磁体。

(4)将泥状高频导磁体涂抹于石英玻璃管上，待泥状高频导磁体晾至半凝固时，进行导磁体控制器修型，并用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干后，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

实施例3：

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器2，包括石英玻璃管3和包裹在石英玻璃管3外层的导磁装置1。所述导磁装置1为硅钢片，所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片与云母片的数量比为10∶1～20∶1；所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，所述硅钢片和云母片通过孔和泥状中频导磁体固定在石英玻璃管上。所述漏磁控制器2与工件凹槽4耦合使用，所述工件为滚珠丝杠，所述工件凹槽为丝杠凹槽；所述漏磁控制器2与工件凹槽4的间隙为0.3μm；所述工件凹槽4的槽宽为24.0mm，所述石英玻璃管3的壁厚为2.0mm。所述中频导磁体按照重量分数计，包括95wt％的中频导磁体粉末和5wt％的硅酸钠。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将硅钢片和云母片穿在石英玻璃管上，所述云母片均匀穿插在硅钢片之间；将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将中频导磁体进行机械粉碎至500目，得到中频导磁体粉末；

(3)将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体。

(4)将泥状中频导磁体涂抹于石英玻璃管上，将硅钢片和云母片固定住；晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

实施例4：

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器2，包括石英玻璃管3和包裹在石英玻璃管3外层的导磁装置1。所述导磁装置1为硅钢片，所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片与云母片的数量比为10∶1～20∶1；所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，所述硅钢片和云母片通过孔和泥状高频导磁体固定在石英玻璃管上。所述漏磁控制器2与工件凹槽4耦合使用，所述工件为推土机尾套，所述工件凹槽为尾套键槽；所述漏磁控制器2与工件凹槽4的间隙为0.4μm；所述工件凹槽4的槽宽为32.0mm，所述石英玻璃管3的壁厚为2.0mm。所述高频导磁体按重量份数计，包括94wt％的高频导磁体粉末、2wt％的氢氧化铝、2wt％的氧化铜和2wt％的磷酸。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将硅钢片和云母片穿在石英玻璃管上，所述云母片均匀穿插在硅钢片之间；将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将高频导磁体进行机械粉碎至800目，得到高频导磁体粉末；

(3)按照比例称取高频导磁体粉末(90～94wt％)、氢氧化铝(2～3wt％)、氧化铜(2～6wt％)和磷酸(2～6wt％)；将上述组分混合均匀，加入适量水搅拌均匀，得到泥状的高频导磁体。

(4)将泥状高频导磁体涂抹于石英玻璃管上，将硅钢片和云母片固定住；晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

实施例5：

一种控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器2，包括石英玻璃管3和包裹在石英玻璃管3外层的导磁装置1。所述导磁装置1为硅钢片，所述硅钢片之间设有均匀分布的云母片，所述硅钢片与云母片的数量比为10∶1～20∶1；所述硅钢片和云母片上设有与石英玻璃管匹配的孔，所述硅钢片和云母片通过孔和胶黏剂固定在石英玻璃管上。所述漏磁控制器2与工件凹槽4耦合使用，所述工件为推土机尾套，所述工件凹槽为尾套键槽；所述漏磁控制器2与工件凹槽4的间隙为0.3μm；所述工件凹槽4的槽宽为48.0mm，所述石英玻璃管3的壁厚为2.0mm。

一种控制工件凹槽漏磁的漏磁控制器的制备工艺，包括如下步骤：

(1)根据工件凹槽的尺寸选择合适的石英玻璃管，将硅钢片和云母片穿在石英玻璃管上，所述云母片均匀穿插在硅钢片之间；将石英玻璃管耦合在工件凹槽中；

(2)将胶黏剂涂抹于石英玻璃管上，将硅钢片和云母片固定住；晾至半凝固时，用锉刀或砂纸修理其表面的毛刺；晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

Claims (3)

1.用于控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器(2)，其特征在于：所述工件为滚珠丝杠或齿轮；所述漏磁控制器(2)的制备工艺包括如下步骤：(a)根据工件凹槽的尺寸选择管径合适的石英玻璃管(3)，将石英玻璃管(3)耦合在工件凹槽中；(b)将导磁体进行机械粉碎，得到导磁体粉末并将其制成泥状，得到泥状导磁体；所述导磁体为中频或高频导磁体，机械粉碎后的粒径为120目～1100目；所述泥状中频导磁体的配制方法如下：①将一定量的硅酸钠倒入60～70℃的水中，搅拌至硅酸钠不再溶解，得到饱和的硅酸钠水溶液；②将饱和的硅酸钠水溶液倒入适量的中频导磁体粉末中，混合均匀，得到泥状的中频导磁体；所述泥状高频导磁体的配制方法如下：①按照比例称取90～94wt％的高频导磁体、2～3wt％的氢氧化铝、2～6wt％的氧化铜和2～6wt％的磷酸；②将上述组分混合均匀，加入适量水搅拌均匀，得到泥状的高频导磁体；(c)将泥状导磁体涂抹于石英玻璃管(3)上，晾干，得到与工件凹槽耦合的漏磁控制器。

2.根据权利要求1所述的用于控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器，其特征在于：所述漏磁控制器(2)与工件凹槽(4)耦合使用，所述漏磁控制器(2)与工件凹槽(4)的间隙为0.2～0.5μm；所述工件凹槽(4)的槽宽不小于8.0mm，所述石英玻璃管(3)的壁厚为1.0～3.0mm。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的用于控制工件凹槽感应淬火漏磁的漏磁控制器，其特征在于：所述步骤(c)中，还包括当泥状导磁体晾至半凝固时，进行导磁体控制器修型，并用锉刀或砂纸修理、去除其表面的毛刺。