CN109082501A - 一种45号钢车轴淬火热处理方法 - Google Patents

一种45号钢车轴淬火热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种45号钢车轴淬火热处理方法，涉及热处理技术领域，包括超声导入、感应加热以及水冷等步骤，本发明在车轴淬火的加热、保温、空冷过程中导入一定振动频率和功率的超声场，可降低45钢车轴表面淬火加热温度，显著改善正火热处理组织，从而提高正火过程的效率以及车轴的组织均匀性、强度和韧性，为车轴工具的生产制造提供新的工艺途径。

Description

一种45号钢车轴淬火热处理方法
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，具体涉及一种45号钢车轴淬火热处理方法。
背景技术
热处理工艺在机械工业是一项重要的基础技术，通常像轴、齿轮、连杆等重要的连接零件和重要的模具都是要经过热处理的，而且，只要材料选择和热处理得当就会使零件的寿命成倍、甚至几十倍的增加，如果每次材料选择和热处理都得当，就可以达到事半功倍的效果。热处理对于发挥金属材料潜在性能，提高金属品质，节约材料，减少能耗，提高产品寿命，促进经济发展都具有十分重要的意义。
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。淬火是钢热处理工艺中应用最为广泛的工种工艺方法。
我国的机车、车辆均采用优质碳素钢车轴,纵观总体情况,应该说碳素钢车轴是成熟的、可靠的。车轴在运行中承受的主要载荷形式为旋转弯曲载荷，车体的重量通过轴承施加在车轴两端的轴颈上，力的方向朝下：而通过车轮施加在车轴轮座的支撑力方向向上，这样在轴身、轮座、防尘挡板座和轴颈处均形成弯曲载荷，应力分布为沿轴向的拉压应力，在轴表面，上部最高点为最大拉应力，沿圆周向下逐步衰减到零，再变成压应力，逐步增加，直到下部最低点为最大压应力，沿径向深度方向，表面应力最大，中心为零。扭转载荷在车轴中使第二位的，主要是弯道过程中产生扭转力矩。因此，车轴用钢必须要具备足够的强度和良好的韧性，具有良好的综合机械性能；车轴材质必须具有足够的疲劳强度，即保证在所规定的使用条件下的安全性，可靠性和使用寿命。
45钢是优质碳素结构钢，是常用的车轴用钢，材料来源方便。该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。在45钢调质或正火的基础上再施加表面感应淬火强化处理,可使服役寿命成倍地延长。因此,这是提高车轴使用寿命的一种重要工艺方法。表面感应强化对提高车轴的弯曲或扭转疲劳强度、减少对缺口的敏感性和应力集中十分有效。表面感应淬火后,由于心部高的有效韧性和塑性,允许其硬化层有较高的硬度,以保持高的耐磨性、强度和残余压应力,充分发挥材料抗疲劳的潜力。国外对车轴高频感应淬火从过去的局部淬火、分段淬火,发展到现在的表面全长淬火。
当材料和原始组织一定时,45钢淬火相变温度随着加热速度增大而提高,为得到合格的淬火组织,相应的淬火温度也随之提高。车轴感应加热升温速度一般在30～100℃/s,45钢车轴的表面淬火加热温度选择890～960℃为佳,为了获得较深的淬硬层深度,选择上限加热温度。较长的加热时间和较高的加热温度, 可获得较深的加热深度,反之,加热深度较浅。
目前的45号钢车轴热处理工艺有很多不尽人意的地方，常规的车轴感应淬火热处理工艺过程所得车轴组织存在均匀度差，韧性低，重载下易断裂等问题，车轴综合性能有较大的提升空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种45号钢车轴淬火热处理方法。以解决目前常规的45钢车轴感应淬火热处理工艺过程所得车轴组织存在均匀度差，韧性低，重载下易断裂，车轴综合性能有较大的提升空间等问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的一种45号钢车轴淬火热处理方法，包括如下步骤：
(1)将车轴一端与超声变幅杆紧密固定连接，且将车轴一端伸入感应线圈内；
(2)开启超声，超声振动导入车轴，超声频率范围为15-50KHZ，超声强度为1-20W/cm2；
(3)开启感应电源，进行感应加热，感应线圈从车轴一端缓慢匀速移动往车轴另一端，移动过程中将车轴加热区间的最高温度控制在850-950℃，移动加热过程全程超声输入；
(4)同步开启喷水，对移出加热线圈的已加热区间进行水冷，冷却过程保持全程超声输入；
(5)感应线圈从车轴一端移动至另一端为一个循环，重复步骤(3)、(4) 循环1-5次，关闭超声，取下工件空冷至室温。
优选的，所述超声频率范围具体为50-8KHZ。
优选的，所述超声频率范围为20KHZ；超声强度为5W/cm2，车轴加热区间的最高温度控制在850-950℃，循环5次。
功率超声通常指能量高于1W/cm2，频率低于100kHz的超声波，该类超声波主要用于超声加工领域。功率超声的力-声联合效应是指同时将功率超声的超声频微幅机械振动和一系列特殊的声学效应应用在相关工艺过程中，依靠其共同作用达到最终的目的需求。
申请人研究发现，在淬火保温过程中45号钢基体中导入一定振动频率和功率的超声场，可有效降低45号钢奥氏体化温度(Ac3或Acm)，使淬火保温过程所需温度下降。在更低的低温淬火温度下的奥氏体转变过程，有利于新生奥氏体晶粒保持细小，不易长大。且在高频振动条件下，一方面可促进形核，增加新晶粒数量，另一方面促使原子扩散运动速度加快，晶界移动加强，使得奥氏体化进程所需保温时间大幅减少，提高了淬火效率。
本发明的有益效果：
1、本发明在车轴淬火的加热、保温过程中导入一定振动频率和功率的超声场，可降低45钢车轴表面淬火加热温度。即有效降低45号钢奥氏体化温度(Ac3 或Acm)，使淬火保温所需温度下降。
2、在更低的低温正火温度下的奥氏体转变过程，有利于新生晶粒保持细小，不易长大。
3、淬火保温过程中导入高频振动，一方面可促进原子扩散，有利于晶核形核，增加新晶粒数量，另一方面促使45钢组织中的原子扩散运动速度加快，晶界移动加强，使得奥氏体化进程所需保温时间大幅减少。促进了奥氏体组织的形成，提高了正火效率。
4、高频振动带来的瞬时交变拉压应力作用，可产生一定的形变诱导相变，获得一定超细的铁素体晶粒。
5、淬火保温过程中导入高频振动，使奥氏体化过程获得的奥氏体组织、成分更为均匀。
6、冷却过程的马氏体转变过程导入超声振动，可影响冷却过程中发生的马氏体转变，使产生的马氏体组织细化。
7、循环快速加热、水冷的淬火过程可使所得淬火组织进一步细化。
综上，针对目前常规的45钢车轴感应淬火热处理工艺过程所得车轴组织存在均匀度差，韧性低，重载下易断裂，车轴综合性能有较大的提升空间等问题，本发明在车轴淬火的加热、保温、空冷过程中导入一定振动频率和功率的超声场，可降低45钢车轴表面淬火加热温度，显著改善正火热处理组织，从而提高正火过程的效率以及车轴的组织均匀性、强度和韧性，为车轴工具的生产制造提供新的工艺途径。
附图说明
图1为本发明在实施例1中所得车轴试样的2.5K倍下试样金相显微组织图。
图2为本发明实施例2所得车轴试样的2.5K倍下试样金相显微组织图。
图3为本发明实施例3所得车轴试样的2.5K倍下试样金相显微组织图。
图4为本发明对比例1所得车轴试样的2.5K倍下试样金相显微组织图。
图5为本发明实施例1、实施例2、实施例3与对比例1所得淬火组织微米力学性能曲线图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将集合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
本发明实施例和对比例中取材质为45号钢的直径为10mm的圆形试棒作为车轴试样，故感应加热的感应频率均取为2.5KHZ中频。
实施例1
一种45号钢车轴感应淬火热处理方法，其包括如下步骤：
(1)将车轴一端与超声变幅杆紧密固定连接，且将车轴一端伸入感应线圈内。
(2)开启超声，超声振动导入车轴。超声频率范围为40KHZ；超声强度为15W/cm2。
(3)开启感应电源，感应频率为2.5KHZ中频，进行感应加热。感应线圈从车轴一端缓慢匀速移动往车轴另一端。移动过程中将车轴加热区间的最高温度控制在850～950度之间。移动加热过程保持全程超声输入。
(4)同步开启喷水，对移出加热线圈的已加热区间进行水冷，冷却过程保持全程超声输入。
(5)感应线圈从车轴一端移动至另一端为一个循环。步骤3/4循环1次，关闭超声，取下工件。
实施例2
一种45号钢车轴感应淬火热处理方法，其包括如下步骤：
(1)将车轴一端与超声变幅杆紧密固定连接，且将车轴一端伸入感应线圈内。
(2)开启超声，超声振动导入车轴。超声频率范围为30KHZ；超声强度为 10W/cm2。
(3)开启感应电源，感应频率为2.5KHZ中频，进行感应加热。感应线圈从车轴一端缓慢匀速移动往车轴另一端。移动过程中将车轴加热区间的最高温度控制在850～950度之间。移动加热过程保持全程超声输入。
(4)同步开启喷水，对移出加热线圈的已加热区间进行水冷，冷却过程保持全程超声输入。
(5)感应线圈从车轴一端移动至另一端为一个循环。步骤3/4循环3次，关闭超声，取下工件。
实施例3
一种45号钢车轴感应淬火热处理方法，其包括如下步骤：
(1)将车轴一端与超声变幅杆紧密固定连接，且将车轴一端伸入感应线圈内。
(2)开启超声，超声振动导入车轴。超声频率范围为20KHZ；超声强度为 5W/cm2。
(3)开启感应电源，感应频率为2.5KHZ中频，进行感应加热。感应线圈从车轴一端缓慢匀速移动往车轴另一端。移动过程中将车轴加热区间的最高温度控制在850～950度之间。移动加热过程保持全程超声输入。
(4)同步开启喷水，对移出加热线圈的已加热区间进行水冷，冷却过程保持全程超声输入。
(5)感应线圈从车轴一端移动至另一端为一个循环。步骤3/4循环5次，关闭超声，取下工件。
对比例1
一种45号钢车轴的常规感应淬火热处理工艺，其包括如下步骤：
(1)将车轴两端固定，且将车轴一端伸入感应线圈内。
(2)开启感应电源，感应频率为2.5KHZ中频，进行感应加热。感应线圈从车轴一端缓慢匀速移动往车轴另一端。移动过程中将车轴加热区间的最高温度控制在900-1000度之间。
(4)同步开启喷水，对移出加热线圈的已加热区间进行水冷。
(5)感应线圈从车轴一端移动至另一端为一个循环。步骤3/4循环1次后，取下工件。
基于上述，将实施例1、实施例2、实施例3与对比例1车轴淬火试样制备金相试样，进而进行显微组织观察，观察如图1至图4的金相显微组织图，其中条带片状组织为马氏体，黑色块状组织为渗碳体。图中可以看出：
1)与对比例的图4相比，实施例1、实施例2、实施例3的图1/2/3中，马氏体明显细化，未溶渗碳体组织明显减少，整体组织排列分布更为均匀细密。
2)实施例1为高频、大功率超声输入、单次循环，实施例3为低频、小功率超声输入、5次循环、实施例2超声介于实施例1实施例3之间。对比实施例 1/2/3的图1/2/3可以看出，实施例3效果最佳。
图5为为本发明实施例1、实施例2、实施例3与对比例1所得淬火组织微米力学性能曲线图，图中曲线1为图4对比例1淬火试样，曲线3为实施例1 淬火试样，曲线4为实施例2淬火试样，曲线5为实施例3淬火试样，图中反映的微米力学实验数据如表1所示可以看出，与对比例相比，实施例硬度未有明显变化，但塑性韧性明显上升。
表1微米力学实验数据
综上，针对目前常规的45钢车轴感应淬火热处理工艺过程所得车轴组织存在均匀度差，韧性低，重载下易断裂，车轴综合性能有较大的提升空间等问题，本发明在车轴淬火的加热、保温、空冷过程中导入一定振动频率和功率的超声场，可降低45钢车轴表面淬火加热温度，显著改善正火热处理组织，从而提高正火过程的效率以及车轴的组织均匀性、强度和韧性，为车轴工具的生产制造提供新的工艺途径。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种45号钢车轴淬火热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将车轴一端与超声变幅杆紧密固定连接，且将车轴一端伸入感应线圈内；
(2)开启超声，超声振动导入车轴，超声频率范围为15-50KHZ，超声强度为1-20W/cm2；
(3)开启感应电源，进行感应加热，感应线圈从车轴一端缓慢匀速移动往车轴另一端，移动过程中将车轴加热区间的最高温度控制在850-950℃，移动加热过程全程超声输入；
(4)同步开启喷水，对移出加热线圈的已加热区间进行水冷，冷却过程保持全程超声输入；
(5)感应线圈从车轴一端移动至另一端为一个循环，重复步骤(3)、(4)循环1-5次，关闭超声，取下工件空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种45号钢车轴淬火热处理方法，其特征在于：所述超声频率范围具体为50-8KHZ。
3.根据权利要求1所述的一种45号钢车轴淬火热处理方法，其特征在于：所述超声频率范围为20KHZ；超声强度为5W/cm2，车轴加热区间的最高温度控制在850-950℃，循环5次。
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