大型铸钢主轨中频淬火回火工艺
(1.河南省机械设计研究院，郑州 450002；2.河南省计算中心；3.水利部郑州水工机械厂)
康 恩1，郭玉芳2，冯汝昌3，赵育武3，冯祥根3
发表于《金属热处理》2000年第9期
摘要：介绍了确定大型42CrMo铸钢主轨(300mm宽)中频感应加热淬火及回火工艺的试验过程。通过控制设备的功率、频率、二次电压及工件的移动速度，使主轨透热层深>30mm.选用合理的淬火剂，防止了主轨的开裂和变形，使有效硬化层深达22—26mm。确定后的工艺已成功应用于长江三峡大坝及电站主轨的表面感应热处理。
关键词：主轨；感应热处理
1 引言
主轨是长江三峡水利枢纽工程水下底孔事故门、深孔事故门及电站进水口快速门埋件上的重要组件之一，是水下闸门启闭时滚轮行走时的轨道。这些主轨要承受滚轮由于闸门受水压而产生的巨大压力及行走时的摩擦力，总水压最高达76MN，每个滚轮作用于主轨上的重量高达500t，所以要求主轨有良好的综合力学性能和足够深的表面硬化层。根据设计要求，材质为ZG42CrMo钢，基体硬度为240--260HB，表面有效硬化层深度≥15mm，表面硬度要求300-350HB，不允许有表层裂纹。
主轨每根长4m，截面为工字梁，硬化工作面宽300mm。因为感应加热面宽，透热层及硬化层深，不允许有淬裂和变形，其热处理难度较大。这对如何选用合适的感应加热设备和淬火冷却介质以及制定出适宜的热处理工艺提出了较高要求。经计算[1]，选用频率为150--250Hz的专用中频板式淬火机床作为加热设备，同时为使淬火后工件的硬度均匀，淬硬层深，变形小，不产生淬火裂纹，不造成环境污染，最终选用PAG类淬火剂[2]，淬火液浓度为14％。
2 试验内容及试验方法
2.1 中频感应淬火机床参数试验
(1)试验方法：用中频淬火机床加热主轨(试件)，调整中频淬火机床的电参数，测量主轨加热的温度，找出设备电参数与温度之间的对应关系。
(2)试验设备：500V／250Hz中频板式淬火机床。
2.2 主轨表面感应淬火、回火工艺试验
(1)试验方法：选用符合感应淬火前各项技术指标的主轨(包括调质硬度，探伤检测，变形量等)，通过调整中频感应加热设备的电参数、淬火机床的移动速度及淬火冷却时间来控制主轨表面感应加热的温度，透热深度及淬透深度。
(2)试验条件：工件材质为ZG42CrMo钢，成分(质量分数)(w％)：0.43C，0.39Si，0.87Mn，1.12Cr，027Mo；调质硬度240--260HB；超声波探伤裂纹；采用WGG2-201型光学高温计、GXW-221非接触式光纤传感测温仪和目测相结合的方法确定温度；采用HLN-11A里氏硬度计和HB300布氏硬度计，分别测定淬火和回火后的硬度。
(3)试验工件取样方法：为了能准确反映真实工件的技术指标，采用在合格的半成品主轨上取样。经感应处理后，选有代表性部位，用线切割方法取样。试块(剖片)厚度为l5mm，经磨床磨光后进行检测。
3 试验结果与讨论
(1)中频感应淬火机床参数试验结果见表1，从中可以看出，工件感应加热时的温度与工件移动速度，感应器电压(二次电压)等参数之间有对应关系，同一温度，可以有两种以上的速度-电压组合，这有利于感应加热时对温度均匀性及透热深度的调整。
表1 中频感应加热淬火机床各参数间的关系
表1 铬钼合金铸铁的化学成分 w（%）
| C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Mo |
| 3.36 |
2.34 |
0.87 |
0.12 |
0.053 |
0.87 |
0.39 |
(2)主轨感应加热淬火试验 主轨感应加热淬火电气参数见表2。由表2可以看出，由于工件有4m的长度，随着感应加热的进行，在工件两端和中间中频设备的频率和功率都有一定范围的波动，引起二次电压及工件加热温度的变化，这与工件加热时的变形(上拱和下弯)有关，它使得工件与感应器之间的间隙发生变化，试验证明，只要保持二次电压的稳定，即可保证淬火温度的基本稳定。
表2 主轨感应加热淬火电气参数间的关系
表1 铬钼合金铸铁的化学成分 w（%）
| C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Mo |
| 3.36 |
2.34 |
0.87 |
0.12 |
0.053 |
0.87 |
0.39 |
注：工件移动速度为150mm／min，透热深度为30mm。
图1、2为主轨感应加热淬火后经线切割取样后的硬度梯度分布。由上述结果可以看出，淬硬层深度在极限硬度[3]44HRC处计算，则轨道中心有效硬化层深度为26mm，距中心50mm处有效硬化层深度为22--24mm，经探伤检测无淬火裂纹。根据文献[4]及试验证明，淬硬层越深越易引起工件的横向开裂及变形，原因是淬硬层浅表层以相变应力为主，淬硬层深超过3mm则表层可能以热应力为主。为了减小工件的开裂与变形，加热后喷淋冷却至工件表面温度约150—200C即可，让余热产生一定的自回火，实践证明这对防止工件的开裂和变形是有效的。
(3)主轨的感应加热回火试验 主轨感应加热回火电气参数见表3。与感应加热淬火时一样，工件两端与中间的电参数有一定波动，为了使回火尽量充分，工件移动速度由淬火时的150mm／min降至100mm／min，设备的频率也在200Hz以下。
表3 主轨感应加热回火电气参数间的关系
表1 铬钼合金铸铁的化学成分 w（%）
| C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Mo |
| 3.36 |
2.34 |
0.87 |
0.12 |
0.053 |
0.87 |
0.39 |
注：工件移动速度为100mm/min，透热深度为30mm。
工件经线切割后的硬度梯度分布见图3、4。从以上结果可以看出，经感应加热淬火及回火后，主轨中心有效回火层硬度为26mm，距中心两侧50mm处有效回火层深度为18-22mm；满足设计的技术要求。感应回火时，设备频率的降低及工件移动速度的减慢，有利于充分回火，从图4中可看出回火后硬度梯度变化均匀，经探伤检测未发现裂纹，工件变形也在允许范围之内。
4 结论
(1)采用中频板式淬火机床．选用150-200Hz的频率，可使300mm宽的主轨表面透热深度>30mm。
(2)选用PAG类的水溶性淬火剂，使用浓度取14％，可使淬硬层深达到22-26mm，无裂纹，变形小。
(3)中频感应表面加热，可通过控制电参数及工件移动速度控制，加热温度及透热深度。本工件淬火时取二次电压115-125V，工件移动速度为150mm／min，此时加热温度为850-880℃；回火时，二次电压控制在78-82V之间，工件移动速度为100mm／min，此时工件温度为560-580℃。
参考文献
[1] 卿 民．热处理工艺学[M].北京：北京科普出版社，1984．
[2] 张克俭．解决淬火变形问题的新方法[J].金属热处理，1997．(6)：37-42．
[3] 钢的感应淬火或火焰淬火后有效硬化层深度的侧定[S]．中华人民共和国国家标准GB5617--1985．
[4] 韩长城，等．大截面铸铁床身中频淬火裂纹分析[J]．金属热处理，1996，(10)：39-40.