CN102787219A - 一种通过涂覆导磁体控制工件凹槽漏磁的感应淬火方法 - Google Patents

Abstract

一种通过涂覆导磁体控制工件凹槽漏磁的感应淬火方法，包括以下步骤：(1)将导磁体进行机械粉碎，得到导磁体粉末并制成泥状；(2)将泥状导磁体涂覆在工件凹槽处，将工件凹槽填平；(3)涂覆导磁体硬化后，将工件安装在淬火装置上，感应加热；清理工件凹槽中的导磁体，喷淋工件凹槽使其均匀冷却。所述淬火装置包括淬火机床卡盘、淬火线圈、导磁清理支架、喷淋线圈；工件安装在淬火机床卡盘上，淬火线圈进行淬火和感应加热，导磁清理支架清理淬火完成后凹槽中的导磁体，喷淋线圈进行喷淋冷却。本发明将导磁体涂覆在工件凹槽处，解决了磁力线在穿过工件凹槽处时产生的漏磁、磁力线发散的问题，提高了工件精度的保持性和使用寿命。

Description

一种通过涂覆导磁体控制工件凹槽漏磁的感应淬火方法

技术领域

本发明涉及材料的表面热处理工艺，尤其是通过涂覆导磁材料控制工件凹槽漏磁，使得淬火硬化层硬度分布梯度趋向合理的感应淬火方法。

背景技术

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，形成漏磁和磁力线发散，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。

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，受材料自身淬硬性的影响，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。岳明君(滚珠丝杠螺纹沟槽高频淬火的数字控制，制造技术与机床，1998(1)33)、黄继淮(大螺距滚珠丝杆中频沿轨道淬火，冶金物理测试，1985(5)29)尝试过沿轨道感应淬火，得到了沿轨道均匀分布的淬硬层。但以上淬火工艺存在两个问题：(1)不适用螺距小的丝杠；(2)必须对传统淬火机床的传动箱进行设计更改，以实现丝杠旋转运动速率与淬火感应线圈进给速度相一致。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。

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，影响了组合机床的质量。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。

发明内容

本发明针对现有感应淬火工艺的上述问题，提供了一种通过涂覆导磁材料控制工件凹槽漏磁，使得淬火硬化层硬度分布梯度趋向合理的感应淬火方法。

本发明的技术方案是：一种通过涂覆导磁体控制工件凹槽漏磁的感应淬火方法，包括以下步骤：

(1)将导磁体进行机械粉碎，得到导磁体粉末并将其制成泥状；

(2)将泥状导磁体涂覆在工件凹槽处，将工件凹槽填平；

(3)涂覆导磁体硬化后，对工件进行淬火处理。

优选的是，所述淬火处理包括如下步骤：①将工件安装在淬火装置上，对工件淬火，进行感应加热；②将工件凹槽中的导磁体清理掉；③喷淋工件凹槽处，使其均匀冷却。

优选的是，所述淬火装置包括淬火机床卡盘、淬火线圈、导磁清理支架、喷淋线圈；所述工件安装在淬火机床卡盘上，所述淬火线圈、导磁清理支架和喷淋线圈固定在溜板箱上；所述淬火线圈对工件进行淬火和感应加热，所述导磁清理支架用于清理淬火完成后凹槽中的导磁体，所述喷淋线圈对工件进行喷淋冷却。

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120～1100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％)、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，涂覆导磁体硬化前，对涂覆导磁体的表面进行修复、打磨处理。

优选的是，所述工件凹槽中清理掉的导磁体再次收集、粉碎后，与新的导磁体混合并再次利用。

优选的是，所述工件为滚珠丝杠、齿轮或尾套，所述滚珠丝杠的螺距≤12毫米。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将导磁体涂覆在工件凹槽处，解决了磁力线在穿过工件凹槽处时产生的漏磁、磁力线发散的问题，在工件凹槽处获得硬度高、层深的等淬硬层，提高了工件精度保持性和使用寿命；

(2)涂覆的导磁体减少了漏磁和磁力线发散，提高了磁通密度，提高了淬火机床的工作效率，降低了感应淬火能耗；

(3)本发明还提升了淬火机床设备的加工范围，具备了小马拉大车生产能力。

附图说明

图1是感应磁力线在丝杠滚道处产生漏磁与磁力线偏聚的示意图；

图2是涂覆了导磁体的丝杠滚道剖面示意图；

图3是将导磁材料涂覆在丝杠滚道后，磁力线均匀通过丝杠滚道的示意图；

图4是1^#涂覆导磁体的滚珠丝杠高频淬火后的丝杠剖面硬度曲线；

图5是3^#未涂覆导磁体的滚珠丝杠中频淬火后的丝杠剖面硬度曲线；

图6是涂覆导磁体控制漏磁的淬火方法采用的淬火装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

表1几种工件凹槽涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺参数

实施例1：Ф40GCr15滚珠丝杠涂覆导磁体控制漏磁的高频淬火及对比试验

选用卧式淬火机床，对Ф40GCr15滚珠丝杠进行涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺，淬火工艺参数见表1中1#、2#试样所示。

(1)采用高频导磁体，将导磁体进行机械粉碎至125目，得到高频导磁体粉末；

(2)按照比例称取高频导磁体(90～94wt％)、氢氧化铝(2～3wt％)、氧化铜(2～6wt％)、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；

(3)将泥状高频导磁体涂覆在滚珠丝杠的滚道处，使涂覆层与丝杠外径一致；在涂覆层硬化前，对涂覆丝杠进行表面打磨处理，提高丝杠涂覆层的表面质量；

(4)涂覆导磁体硬化后，将其安装在淬火装置上，对滚珠丝杠通磁，进行感应加热；将丝杠滚道中的导磁体清理掉；喷淋丝杠滚道处，使其均匀冷却；

(5)将清理掉的导磁体收集，再次粉碎后，掺入新的导磁体，循环利用。

所述淬火装置包括淬火机床卡盘1、淬火线圈3、导磁清理支架4、喷淋线圈5；所述工件7安装在淬火机床卡盘1上，所述淬火线圈3、导磁清理支架4和喷淋线圈5固定在淬火机床溜板箱8上；所述淬火线圈3对工件7进行淬火和感应加热，所述导磁清理支架4用于清理淬火完成后凹槽6中的导磁体2，所述喷淋线圈5对工件7进行喷淋冷却。

检测表明，与未进行导磁体控制漏磁的工艺相比，导磁体控制漏磁的淬火工艺处理的丝杠淬硬层深度均匀、淬硬层深，硬度高，在滚道滚珠接触处，获得了高硬度的等硬淬硬层。对比1^#、2^#试样硬度可知，随着淬火机床输入功率的增加，淬火硬度有所提高，达到1000HV，其硬度值接近激光淬火硬度，其等硬层到达5000毫米，因此可以显著的提高丝杠的使用寿命。

实施例2：Ф40GCr15滚珠丝杠涂覆导磁体控制漏磁的中频淬火及对比试验

选用立式淬火机床，对Ф40GCr15滚珠丝杠进行涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺，淬火工艺参数见表1中3^#、4^#试样所示。

(1)采用中频导磁体，将导磁体进行机械粉碎至325目，得到中频导磁体粉末；

(2)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；

(3)将泥状中频导磁体涂覆在滚珠丝杠的滚道处，使涂覆层与丝杠外径一致；在涂覆层硬化前，对涂覆丝杠进行表面打磨处理，提高丝杠涂覆层的表面质量；

(4)涂覆导磁体硬化后，将其安装在淬火装置上，对滚珠丝杠通磁，进行感应加热；将丝杠滚道中的导磁体清理掉；喷淋丝杠滚道处，使其均匀冷却。

(5)将清理掉的导磁体收集，再次粉碎后，掺入新的导磁体，循环利用。

所述淬火装置包括淬火机床卡盘1、淬火线圈3、导磁清理支架4、喷淋线圈5；所述工件7安装在淬火机床卡盘1上，所述淬火线圈3、导磁清理支架4和喷淋线圈5固定在淬火机床溜板箱8上；所述淬火线圈3对工件7进行淬火和感应加热，所述导磁清理支架4用于清理淬火完成后凹槽6中的导磁体2，所述喷淋线圈5对工件7进行喷淋冷却。

检测表明，涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺处理后的3#丝杠淬硬层深度均匀、淬硬层深，硬度高，在滚道滚珠接触处，获得了高硬度的等硬淬硬层。随着功率的增加，淬硬层深度增加，淬硬层硬度没有发生变化。在4^#试样相同的工艺参数下，未进行导磁体涂覆丝杠，由于感应尖角效应，滚道棱角发生了过烧与融化现象。

实施例3：推土机尾套键槽涂覆导磁体控制漏磁的中频淬火及对比试验

选用卧式淬火机床，对推土机尾套键槽进行涂覆导磁体控制漏磁的淬火工艺，淬火工艺参数见表1中5^#试样所示。

(1)采用中频导磁体，将导磁体进行机械粉碎至1100目，得到中频导磁体粉末；

(2)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；

(3)将泥状中频导磁体涂覆在推土机尾套的键槽中，使涂覆层将键槽填平；在涂覆层硬化前，对涂覆键槽进行表面打磨处理，提高键槽涂覆层的表面质量；

(4)涂覆导磁体硬化后，将其安装在淬火装置上，对尾套进行感应加热；将尾套键槽中的导磁体清理掉；喷淋尾套键槽处，使其均匀冷却。

(5)将清理掉的导磁体收集，再次粉碎后，掺入新的导磁体，循环利用。

所述淬火装置包括淬火机床卡盘1、淬火线圈3、导磁清理支架4、喷淋线圈5；所述工件7安装在淬火机床卡盘1上，所述淬火线圈3、导磁清理支架4和喷淋线圈5固定在淬火机床溜板箱8上；所述淬火线圈3对工件7进行淬火和感应加热，所述导磁清理支架4用于清理淬火完成后凹槽6中的导磁体2，所述喷淋线圈5对工件7进行喷淋冷却。

检测表明，导磁体控制漏磁的淬火工艺得到的尾套键槽的淬硬层深度均匀、淬硬层深，硬度高，并获得了高硬度的等硬淬硬层，解决了键槽角棱过热和过烧问题。

Claims (10)

1.一种通过涂覆导磁体控制工件凹槽漏磁的感应淬火方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将导磁体进行机械粉碎，得到导磁体粉末并将其制成泥状；(2)将泥状导磁体涂覆在工件凹槽处，将工件凹槽填平；(3)涂覆导磁体硬化后，对工件进行淬火处理。

2.根据权利要求1所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述淬火处理包括如下步骤：①将工件安装在淬火装置上，对工件淬火，进行感应加热；②将工件凹槽中的导磁体清理掉；③喷淋工件凹槽处，使其均匀冷却。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述淬火装置包括淬火机床卡盘(1)、淬火线圈(3)、导磁清理支架(4)、喷淋线圈(5)；所述工件(7)安装在淬火机床卡盘(1)上，所述淬火线圈(3)、导磁清理支架(4)和喷淋线圈(5)固定在淬火机床溜板箱(8)上；所述淬火线圈(3)对工件(7)进行淬火和感应加热，所述导磁清理支架(4)用于清理凹槽(6)中的导磁体(2)，所述喷淋线圈(5)对工件(7)进行喷淋冷却。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述导磁体为中频或高频导磁体，机械粉碎后的粒径为120～1100目。

5.根据权利要求4所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：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。

6.根据权利要求4所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：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％)、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。

7.根据权利要求1所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述步骤(3)中，涂覆导磁体硬化前，对涂覆导磁体的表面进行修复、打磨处理。

8.根据权利要求1所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述步骤(3)中，涂覆导磁体半凝固时，将导磁体从工件凹槽中取出，放置干燥后再填充到工件凹槽中淬火。

9.根据权利要求2所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述工件凹槽中清理掉的导磁体再次收集、粉碎后，与新的导磁体混合并再次利用。

10.根据权利要求1所述的一种通过涂覆导磁材料控制漏磁的感应淬火方法，其特征在于：所述工件为滚珠丝杠、齿轮或尾套。

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