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刊自《热处理》2002年第4期

摘要：合理选择淬火冷却介质和确定零件的材料使产品质量处于受控状态和确保产品质量的提高。

关键词：板簧；稳定杆；热处理

中图分类号：TGl62.83    文献标识码：A    文章编号：1008-1690(2002)04-0042-03

An lmprovement on Heat Treating Process Of Heavy
Section PlateSpring and Stabilization Rod

FENG Yue-you，FANG Shu-sheng，HUAN Chang-wen
(Anqing Automobile Steel Plate Spring Plant)

Abstract：The rational selections of quenching medium and material Of parts will help product quality be a controlled condition and ensure raising product quality．
KeyWords：plate spring；stabilization rod；heat treatment

1．前言

近年来我厂大截面的汽车少片簧和稳定杆及支架的产量在不断增多。原采用60Si2Mn材料在15#机油中冷却，经常出现表面淬不硬和心部淬不透的现象，心部组织也难以达到要求。后改用Y15-Ⅱ快速光亮淬火油淬火，对少数特厚件还需采用更换钢材牌号的办法，解决了上述问题。

2．解决问题的途径及解决方法

针对上述情况，解决途径有三条：①改进热处理工艺，适当提高淬火温度、增加淬火冷却过程的摆运速度和延长摆动时间；②选用冷却速度更快些的淬火介质；③改换钢种，选用淬透性更好的钢种，如50CrV、55SiMnVB和60CrMnB等弹簧钢。

2.1 调整热处理工艺参数

在加热方面，调整加热温度和保温时间。从生产的500件Φ20mm稳定杆中，抽查3l件，其硬度为5l～58HRC，波动范围仍较大。

在冷却方面，由于淬火机的摆动速度是固定的；摆动时间经过由40～120s多次的调整，没有明显效果，试验表明延长摇摆时间对粗大件的淬火影响不大，因此冷却介质的冷却速度成为关键因素。

2.2 改换淬火介质

文献表明优质弹簧钢60Si2MnA在15#机油中淬火时只能使Φ20mm和板厚14mm的钢材获得80%的马氏体(M)。如果选择水溶性介质，如PAG类淬火剂，它可以获得较快的冷却速度，但是，一定浓度的水性淬火液往往只适用于一定厚度范围的工件淬火；如果选择快速淬火油，它能满足不同截面工件的淬火要求。

经调研，决定采用北京华立精细化工公司的今禹Y15-Ⅱ快速光亮淬火油。首先，从冷却速度看，它具有较快的冷却速度，又不致于使钢板淬裂(其冷却曲线与15#机油的示于图1a)和b))。其次，我们选取不同直径和一定厚度的板材做了大量对比试验(如下表中所示)，证明它可以使较厚的工件淬透，满足工艺要求。

规格

材料

淬火介质

表面硬度（HRC）

金相组织

脱碳（mm）

备注

Φ16

60Si2Mn

15#机油

59

淬火M

0.15

M为3级

Y15-II

61

淬火M

0.15

M为3级

Φ35

60Si2Mn

15#机油

59

M+F（少）

0.15

M为4级，F占5%

Y15-II

60

淬火M

0.15

M为4级

在此基础上，我们生产了151根Φ35mm和Φ28mm的稳定杆，抽查了40根(占生产总数的26.49%)，硬度为55±2HRC(97.5%在53HRC以上)；金相观察，心部组织为85%M+155F，符合了主机厂的供货要求。

2.3 更换钢种工作

试验表明，当厚度超过20mm的板簧和直径超过Φ40mm的稳定杆(60Si2Mn)，即使在Y15-Ⅱ介质中淬火，产品质量还是达不到要求。为此，做了改换钢种的试验。

将少片簧(C18前簧、C13后簧)改成50CrVA材料，在快速油中淬火，并做了台架试验，此二种板簧的疲劳寿命均超过优等品(14万次)未断，金相组织为中等细回火屈氏体2级，产品质量明显提高。

3 生产应用情况

Y15- Ⅱ介质的投入使用后六个月，共生产少片簧1026.99吨和生产稳定杆16719根，支架37281只，其中Φ35mm稳定杆2964根，Φ28mm稳定杆2406根，直径≥20mm为12712根，占76.03％。稳定杆和支架只能在此介质中生产，并稳定和提高了产品质量。

目前工厂投资200万元，已建成年产10万根稳定杆生产线，并投入使用，其淬火介质采用Y15-Ⅱ快速光亮淬火油。

4 经济效益

原Φ35mm稳定杆外协加工费每根35元，采用Y15-Ⅱ介质后，每根热处理成本约为4.15元，可节约30.85元。同样，Φ28mm稳定杆每根可节约16.94元。按年产10万根稳定杆计，每年可节约成本79.08万元，经济效益显著。

使用Y15-Ⅱ介质后，使产品质量始终处于受控状态，淬火硬度波动幅度明显变小， 回火也便于控制；金相组织大多在2-4级，金相级别明显提高。台架试验寿命明显增加，如C13后簧寿命由原来的不足3万次到超过14万次(未断)。工厂以可靠的产品质量，赢得了用户的信赖。

5 结束语

生产实际表明，使用Y15-Ⅱ淬火介质可满足大截面板簧、稳定杆和支架等悬架件的热处理要求，提高了产品质量。对于板材厚度超过20mm和杆件直径超过Φ40mm时，应采用更换材质，才能取得较好的效果。

参 考 文 献

[1] 张克俭，王德成．大力推广应用新型淬火介质[J]，机械工业标准化和质量，1997，(1)，1-2．
[2] 张克俭．解决淬火变形问题的新方法[J]，金属热处理，1997，(6)．
[3] 朱应波等编译，国外弹簧钢钢种现状及发展趋势[M]，冶金工业出版社，1993，10，第一版．
[4] 机械工程手册，B[M]，机械工业出版社，1996，9，第2版，弹簧钢，4-209．

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刊自《热处理》2002年第2期

摘要：本文介绍用网带炉对35CrMnSiA薄壁零件淬火，对零件变形引起的尺寸超差原因进行了试验与分析并采取了相应的措施。结果表明：采用Y35-II等温分级淬火油冷却介质和热处理前零件的壁厚差尺寸控制，可以得到淬、回火后零件的尺寸满足技术要求。
关键词：网带炉；变形；冷却介质
中图分类号：TG162.7    文献标识码：B    文章编号：1008—1690(2002)02-0040-03

1 前言

网带炉八十年代初引进我国。网带炉因其操作简单，使用方便，可以连续工作，生产效率高而得到迅速发展，已在许多领域被广泛使用。我厂用网带炉对关键零件本体进行淬火，本体零件是薄壁零件，壁厚只有2mm，对淬、回火后的变形要求较严。本体零件淬、回火后出现尺寸变形超差比例较大，如果不解决零件尺寸变形超差问题，将势必影响产品的质量和生产成本。为此，我们对影响零件变形的因素如加热参数、冷却介质等进行分析及试验，从中找到减少变形的方法。

2 试验条件及技术要求

2.1 试验条件

试验设备：RC9型网带炉；零件材料：35CrMnSiA；零件见附图。

2.2 技术要求

零件进行少氧化加热，零件的变形要求∮34.8_+0.02^+0.18孔椭圆度≤0.15mm，淬、回火后硬度为50-55HRC(Z101C)。

3 冷却介质、工艺参数及壁厚差对变形的影响

3.1 冷却介质对变形的影响

用Y35-II等温分级淬火油及10号机械油两种冷却介质作对比试验。

3.1.1 工艺方法

网带炉三区加热：第一区温度是550℃；第二区温度是800℃；第三区温度是910℃。淬火网带运行速度55-65mm／min。冷却提升网带速度 800-1200mm／min。采用甲醇作为保护气氛；采用Y35-II等温分级淬火油冷却介质，淬火油温度90℃；10号机械油，淬火油温度50℃。

试验零件数量各200件，零件加热时竖立在网带上，间距30-40mm。

3.1.2 试验结果

网带炉淬火后经180℃3小时回火，零件硬度在50-55HRC范围内；零件的∮34.8^+0.18孔椭圆度如表1和表2。
表1 200件本体零件∮34.8^+0.18孔椭圆度(Y35-II等温分级淬火油)

椭圆度

0.01-0.03mm

0.04-0.10mm

0.11-0.15mm

>0.15mm

数量(件)

27

131

28

15

椭圆度

0.01-0.03mm

0.04-0.10mm

0.11-0.15mm

>0.15mm

数量(件)

2

59

81

58

表2 200件本体零件∮34.8^+0.18孔椭圆度(10号机械油)

3.1.3 试验分析

从试验结果可以看出：用Y35-II等温分级淬火油作冷却介质比10号机油作冷却介质有着明显减少零件尺寸变形效果。10号机械油冷却特性在高温阶段蒸气膜时间较长，开始对流温度低，高温冷却速度不高，且低温冷却较慢。Y35-II等温分级淬火油冷却特性在高温阶段蒸气膜时间短，开始对流温度高，高温冷却速度高，且低温冷却较慢。由于两者的高温阶段冷却特性不同，从而引起淬火应力的不同及变形的差异，Y35-II等温分级淬火油对减少本体零件变形有着明显作用。经批量生产试验仍有一定比例的变形大于0.15mm，为此对其它因素的分析和试验有着一定的意义。

注意：Y35-II等温分级淬火油在使用前必须加热到120-140℃保温循环3-5天。

3.2 工艺参数对变形的影响

在加热及冷却工艺参数范围内用9组进行对比试验，每组零件100件。冷却介质为Y35-II等温分级淬火油。9组工艺参数如表3。
表3 对比试验的工艺参数

组号

第一区温度℃

第二区温度℃

第三区温度℃

油温℃

1

550

790

900

110

2

550

790

910

100

3

550

800

890

110

4

550

800

910

90

5

550

810

900

90

6

550

810

890

100

7

550

790

890

90

8

550

800

900

100

9

550

810

910

110

淬火后经160-180℃，2.5-3小时回火，零件硬度在50-55HRC范围内，零件的∮34.8_+0.02^+0.18孔椭圆度如表4。表4结果显示每组都有5-8件尺寸变形超差0.15mm，每组变形超差在0.11-0.15mm及0.04-0.10mm的比例相差不大。在工艺范围内调整工艺参数对变形的影响较小。
表4 工艺对比试验数据

椭圆度

1号组件数

2号组件数

3号组件数

4号组件数

5号组件数

6号组件数

7号组件数

8号组件数

9号组件数

0.01-0.03mm

21

21

24

20

19

18

21

21

19

0.04-0.10mm

61

59

58

63

59

63

62

59

62

0.11-0.15mm

12

13

12

11

14

12

12

13

11

>0.15mm

6

7

6

6

8

7

5

7

8

3.3 零件壁厚对变形影响

对表4椭圆度>0.15mm的零件进行壁厚差检测，发现零件最大的壁厚差是0.13mm，最小的壁厚差是0.06mm。零件壁厚尺寸存在较大差异。零件变形是冷却过程中产生的内应力也就是热应力组织应力相互作用而形成的。零件壁厚尺寸的不一致导致零件壁厚部分组织转变形成组织应力较大，零件壁薄部分组织转变形成组织应力较小；零件壁厚部分冷却速度较慢，零件壁薄部分冷却速度较快，从而形成了零件各部分热应力也不同。零件壁厚不同形成淬火后的热应力和组织应力不同，零件的各部分变形不一致而引起零件尺寸的变形超差，因此控制零件壁厚尺寸的大小，对零件热处理后的尺寸变形有着重要的影响。

4 措施及效果

经过分析和比较认为：冷却介质是影响本体零件变形的主要因素，而壁厚差也是影响本体零件变形的重要因素。采用Y35-II等温分级淬火油作为冷却介质及对热处理前本体零件的壁厚差控制在0.06mm范围内，对减少零件变形超差有着较好的作用。满足上述条件，用200件零件进行了淬回火，检测数据表明零件变形超差只有2%-3%，随后又进行了多批次零件淬回火，结果零件变形超差也只有2%左右。目前，本体零件热处理的质量比较稳定，满足了产品生产与技术的要求。

5 结论

35CrMnSiA本体零件变形超差主要因素是冷却介质和零件的壁厚差。

解决35CrMnSiA本体零件变形超差有两个有效措施是：

1)采用Y35-II等温分级淬火油作为冷却介质；

2)热处理前本体零件的壁厚差控制在0.06mm范围内。

参 考 文 献
[1]安运铮．热处理工艺学[M]．1982．7
[2]北京华立精细化工公司．淬火介质的特性和用法技术[M]．第二辑．1996．3
[3]热处理手册[M]．第1册．第二版

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刘富强¹ 黄建斌² 郭云生¹ 高东海²
(1.中国一汽集团公司辽阳汽车弹簧厂，辽阳111000；
2.北京工业大学材料科学与工程学院，北京100022)

刊自《热加工工艺》2004年第12期

摘要：通过对N32机油和今禹Y15-II快速光亮淬火油的冷却特性的对比研究，以及对采用两种油进行的60Si2Mn和50CrVA钢样品淬火冷却后的组织性能分析，研究了两种油对板簧热处理质量的影响。实验结果表明，N32机油的高温冷却速度不足是其不适于有效厚度大于12mm的60Si2Mn板簧淬火的原因。而今禹Y15-II快速光亮淬火油的蒸汽膜阶段短，高温冷却速度较快，有足够的低温冷却速度，能够满足14mm以下厚度的60Si2Mn和20mm左右50CrVA板簧淬火。

关键词：60Si2Mn板簧；冷却特性；有效厚度

中图分类号：TG162.74;TG154.4  文献标识码：A  文章编号：1001-3814（2004）12-0045-03

Research of Two Kinds of Quenching Oil Affecting on the Heat Treatment Quality of Plate Spring

LIU Fu-qiang¹ HUANG Jian-bin² GUO Yun-sheng¹ GAO Dong-hai²
(1.Liaoyang Auto Spring Factory, FAW Group CO., Ltd, Liaoyang 111000,China；
2.College of Material Science and Engineering, Beijing University of Tecnology, Beijing 100022, China)

Abstract：The effect of two kinds of quenching oil affecting on the plate spring are researched by comparing the cooling property of N32 mechanical oil with Jinyu quich & clean quenching oil, analyzing the structure and properties of the samples of 60Si2Mn and 50CrVA steel using two kings of oil. The result shows that the deficiency of high temperature cooling rate of N32 mechanical oil is the reason of it's unsuitable for the quenching of 60Si2Mn plate spring which effective depth is deeper than 12mm. While the shorter steam film phase and the faster high temperature cooling rate of Jinyu Y15-II quick & clean quenchingoil make it has the capacity to satisfy the quenching of 60Si2Mn plate spring which effective depth is deeper than 12mm and 50CrVA plate spring which effective depth is deeper than 20mm.

Key words：60Si2Mn plate spring；cooling property；effective depth

用机油淬火，油质好并加上良好的摆动，才有可能使12mm厚的60Si2Mn板簧淬透，但在大批量生产，且影响因素较多的前提下，就很难达到满意的效果。虽然使用水溶性淬火液的效果也不错，但因管理环节较多，需要用一个独立的循环系统，对不同材质、不同规格产品的生产缺乏灵活性，难以应对快速多变的市场需求。为了解决以上矛盾，挖掘传统的60Si2Mn弹簧钢的潜能。本文尝试用新型的今禹Y15-II快速光亮淬火油对较厚的60Si2Mn板簧进行淬火冷却，并与N32机油的冷却特性进行了对比。以探索适用于较厚截面的60Si2Mn板簧淬火的新型油品。

1 试验条件及方法

新旧比例不同的N32机油和今禹Y15-II快速光亮淬火油的冷却特性试验是在油温为50℃、体积为1200ml条件下，采用IS09950国际标准进行实验，用KHR-01型冷却特性测试仪测定油的冷却特性。

两种钢的板簧和取材于规格为14×100的60Si2Mn弹簧钢及18×100的50CrVA弹簧钢标准拉伸试样，同时用BLl2-220型步进式加热炉加热，分别用N32机油和今禹Y15-II快速光亮淬火油淬火冷却，油温为20-60℃。用Axiotech 金相显微镜检查金相组织；用WE-30t万能材料试验机进行拉伸试验；用HB-3000型布式硬度计检查硬度。

2 试验结果

2.1 新旧比例不同的N32机油的冷却特性

新旧比例不同的N32机油的冷却特性如表1所列。由表1中数据可知，虽然，旧油的Tvmax明显低于新油，但旧油的Vmax与新油接近。但是随新油量的增加，提高了淬火油V_300℃，使非马氏体转变(A→B)的机会减小。因此对60Si2Mn钢的淬火，新油的综合冷却特性较好。 表1 N32机油的不同成分的新旧油的冷却特性

冷却速度
V_max(℃/s)

冷却速度
V_300℃(℃/s)

冷却时间t₆₀₀(s)

冷却时间t₆₅₀(s)

最大冷速对应的温度T_vmax(℃)

旧油

90

5

6.0

4.8

550

10%新油

85

16

6.0

4.9

561

20%新油

77

16

7.5

6.1

567

30%新油

75

17

8.0

6.9

558

40%新油

73

21

7.0

5.8

575

50%新油

93

19

5.5

4.8

616

100%新油

91

25

5.5

4.8

605

注：650℃为60Si2Mn钢的A→P的鼻尖温度。

2.2 Y15-II快速光亮淬火油与N32机油的冷却特性对比

实验获得的两种油的冷却特性参数如表2所示。通过表2的对比，可以看到Y15-II快速光亮淬火油有较短的蒸汽膜阶段，且出现最高冷却速度的温度较高，这样避免了从过冷奥氏体中先析出先共析铁索体的可能性；同时Y15-II快速光亮淬火油具有足够高的低温冷却速度，减少获得贝氏体(B)的转变量，使马氏体(M)转变充分，得到足够的淬透深度。

表2 Y15-II快速光亮淬火油与N32机油的冷却特性对比

项 目

N32

Y15-II

40 ℃运动粘度， mm²/s

28.8-35.2

不大于22

闪点（开口）， ℃ 不低于

170

180

特性温度， ℃

600

700

最大冷速， ℃/s

61

101

最大冷速对应温度， ℃

535

605

冷到300 ℃的时间，

29.4

12.8

另外，粘度和闪点作为油品的验收标准，Y15-II快速光亮淬火油具有粘度低，流动性好，使用中带出消耗量少，闪点高于普通机油的特点。

2.3 两种钢在两种介质中淬火冷却试验结果的对比

规格为14×100的60Si2Nn与18×100的50CrVA板簧钢及试样，在表3所示的化学成分及热处理工艺条件下，分别在Y15-II快速光亮淬火油和N32机油两种介质中淬火冷却的试验结果如表4所示。 表3 试样的化学成分及热处理工艺

弹簧钢的规格

化学成分（wt%)

热处理工艺

C

Si

Mn

Cr

V

S

淬火（℃）

回火（℃）

14×100（60Si2Mn）

0.57

1.5

0.76

0.009

860-890

480-500

18×100（50CrVA）

0.53

0.33

0.74

0.98

0.18

0.008

840±10

400-410

表4 两种弹簧钢经不同淬火介质淬火后的拉伸试验结果

钢种

60Si2Mn

50CrVA

淬火介质

N32

Y15-II

N32

Y15-II

试样编号

1

2

3

4

1

2

3

4

屈服强度 N/mm²

1401

1337

1401

1401

1745

1745

1745

1745

抗拉强度 N/mm²

1420

1401

1414

1414

1752

1752

1752

1752

伸长率 %

6

5

7

7.5

8

10

8

10

收缩率 %

24

29

31

31

26

19

36

21

由表4可见，同种材料用Y15-II淬火比用N32淬火，塑性高而强度基本一样。

热处理（淬火、回火）前后样品的金相组织如图1所示。可见，60Si2Mn钢的原材料组织为珠光体+铁素体，用N32机油淬火、回火后的组织为屈氏体+少量贝氏体，用Y15-II快速油淬火、回火后的组织为回火屈氏体；50CrVA弹簧钢的原材料组织为珠光体+ 少量铁素体，用N32机油淬火、回火后的组织为回火屈氏体，用Y15-II快速油淬火、回火后的组织为均匀细小的回火屈氏体。显然，Y15-II快速油的冷却优于N32机油。

不同试样的拉伸断口如图2所示，可看出，用Yl5-II快速油淬火的试样的放射区面积小于用N32机油淬火的，前者的断面收缩率高于后者，而前者的强度略高，这样的力学性能对板簧而言更为理想。

2.4 生产现场的产品淬火硬度对比结果及分析

在实际生产中，加热温度为860-890℃，加热时间25-30分钟，每隔半小时抽三片弹簧，用N32机油对12×100的60Si2Mn板簧以及用Yl5-II快速光亮淬火油对14×76的60Si2Mn板簧淬火，两种油温都为20-60℃，淬火后的硬度值见表5。 表5 用不同淬火油进行现场生产的60Si2Mn板簧的淬火硬度

产品规格

分组抽样测得的硬度值(HB)

I

II

III

最低

最高

平均

N32淬12×100板簧

415

388

477

485

335

415

352

415

321

321

485

403

Y15-II淬14×76板簧

475

508

510

550

485

522

510

463

520

463

550

505

可见，在N32机油中12mm厚的 60Si2Mn板簧的淬火硬度最高为485HB，最低为321HB，硬度不均匀，只有少数值满足要求。说明该油对有效厚度为12mm的 60Si2Mn板簧的高温冷却速度和最大冷却速度都不够。而在今禹Y15-II快速光亮淬火油中，14mm厚的60Si2Mn板簧的淬火硬度最高为 550HB，最低为463HB，平均为505HB，硬度较为均匀，其冷却性能能满足14mm厚的60Si2Mn板簧淬火要求。

经过一年的使用和探索，今禹Y15-II快速光亮淬火油能满足14mm以下厚度的60Si2Mn板簧淬火，并在厚度为20mm左右50CrVA板簧淬火处理时，在整个截面上都能淬透，获得良好的机械性能，并保持了工件具有较好的光亮度。

3 讨论

弹簧淬火的目的是把奥氏体化的钢材，以合理的冷却方式淬火形成马氏体，然后回火达到所要求的组织和性能。而保证淬硬的关键是淬火介质在弹簧钢C曲线的鼻尖处的冷速要足够地大，以使过冷奥氏体不致形成珠光体或贝氏体组织，由60Si2Mn钢和50CrVA钢的过冷奥氏体转变曲线和端淬曲线可知，其马氏体形成温度在300℃左右，因此合适的冷却介质应在鼻尖处达到最大冷却速度而在300℃以下有适当的的冷却速度，以达到既能够淬硬淬透又能减少变形的目的。

观察表1数据可知，N32机油(无论是新旧)，t_650℃都≥4.8秒，而 60Si2Mn钢“C”曲线上从到A→P转变鼻尖的最短时间为4s左右，结果使工件的淬火过程中发生中温转变出现不应有的贝氏体组织(B)，见图 1(c)。分析生产现场的硬度(表5)表明，用N32机油淬火硬度不均匀且偏低，这是由于其Tvmax低于60Si2Mn钢“C”曲线的鼻子尖温度以及 Vmax(见表2)偏慢的缘故，这对于有效厚度大于12mm的60Si2Mn钢板簧来说显然不适应于大批量的生产。N32机油对50CrVA钢的淬火是合适的，但效果要差于用Y15-II快速光亮淬火油淬火见图1(d)。

表2中的数据表明：Y15-II快速光亮淬火油的蒸汽膜阶段较短，且出现最高冷却速度的温度较高。这样避免了过冷奥氏体先析出先共析铁素体和贝氏体，同时具有足够高的低温冷却速度(通常用300℃的冷却速度代表淬火介质的低温冷却速度)，得到理想的组织。按金相检验标准区分，60Si2Mn钢用Y15-II淬火的试样的组织级别要高于用N32机油的淬火的；50CrVA弹簧钢经两种淬火介质热处理后，从组织形态上Y15-II快速光亮淬火油具有较N32机油更为细小均匀的回火屈氏体组织，见图1(e)、(f)。虽然从图21的断口形貌照片上看不出太大的区别，但对比拉伸数据可知，Y15-II油热处理后，材料强度略高于N32机油，塑性指标高于N32机油淬火，这主要是由于Y15-II油的特性温度和最大冷速都优于N32机油的缘故。

因此，Y15-II快速光亮淬火油的使用，一方面保证了14×100的60Si2Mn(18×100的50CrVA)板簧在全部截面上淬透；另一方面也保证了热处理后的力学性能。

4 结论

（1）在原有旧的N32机油里添加新油不能对冷却特性产生较大的改善，N32机油不适合有效厚度大于12mm板簧的批量生产。

（2）Y15-II快速光亮淬火油具有较好的冷却特性，对60Si2Mn材料采用Y15-II快速光亮淬火油进行热处理后，材料拉伸后的塑性、金相组织级别均优于N32机油淬火的。

（3）对于大截面(12mm左右厚)60Si2Mn板簧采用Y15-II快速光亮淬火油热处理，能够提高材料的综合机械性能，更好的满足产品的性能要求。

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涂层刀具有效地解决了刀具材料的硬度和耐磨性愈高而强度和韧性愈低的矛盾。本文就涂层方法、涂层材料、涂前刀具处理以及涂层刀具合理使用等问题作了综述。
　　引言
　　涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度 20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过 50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。
　　涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用範围。
　　a)涂层刀片
　　b)涂层刀具 图1涂层刀片及其刀具
　　涂层方法
　　目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5µm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10µm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD 法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PCVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至600℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。
　　用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，日本三菱公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。
　　表1瑞士PLATIT公司推出的各种新型涂层涂层 颜色 硬度GPa 厚度µm 摩擦系数 最高使用温度℃ 说明
　　TiAlN单层 紫黑 35 1-4 0.5 800 通用高性能涂层
　　TiAlN多层 紫黑 28 1-4 0.6 700 适用断续切削
　　TiCN-MP 红-铜 32 1-4 0.2 400 高韧性通用涂层
　　MOVIC 绿-灰 - 0.5-1.5 0.15 400 MoS2基涂层
　　CrN 银亮 18 1-4 0.3 700 适用加工铜、钛
　　TiAlCN 红-紫 28 1-4 0.25 500 高性能通用涂层
　　CBC(DLC) 灰 20 0.5-4 0.15 400 润滑涂层
　　GRADVIC 灰 28 1.5-6 0.15 400 TiAlCN CBC
　　AlTiN 黑 38 1-4 0.7 800 属高性能涂层
　　µAlTiN 黑 38 1-2 0.3 800 涂层表面质量好
　　AlTiN/SiN 紫兰 45 1-4 0.45 1100 纳米结构
　　涂层材料
　　涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的 TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。
　　工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和 T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2~3 倍。
　　TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。例如，美国Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrC和CrN是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于 TiN。
　　德国CemeCon公司开发了Supernitride涂层系列，其中超级氮铝钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000℃)，它比一般的TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达58HRC以上的淬火钢。
　　此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本住友电工公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约2.5µm。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士PLATIT公司推出的纳米结构涂层 (AITiN/SiN)立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100℃，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍，比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。表1是PLATIT公司推出的各种新型涂层，除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂层外，还有特定功能的涂层，如CBC、DLC润滑涂层，其摩擦因数小(0.15)，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。
　　纳米结构
　　日本日立工具公司推出的GM20、GM25多层厚膜涂层刀片，它是在比普通CVD涂层稍低温度条件下(约800℃~900℃)进行的，以形成耐磨性很高的柱状结晶，为了提高刀片的抗粘附性，再在刀具表面上涂覆一层Al2O3膜。据称，这种镀膜的厚度大，韧性高，与基体结合紧密，抗崩刃性好，尤其适于断续切削的工作，刀具寿命可比一般涂层刀片高1.5~2倍以上。
　　美国Kennametal Hertel公司在KC9315型刀片上涂有16µm厚的厚涂层，这种刀片特别适于加工高强度铸铁(如球墨铸铁和蠕墨铸铁)，切削速度可达 400m/min，并可在干切削和断续切削条件下使用。该刀片涂层总共有三层：氧化铝(Al2O3)、碳氮化钛(TiCN)和氮化钛(TiN)。
　　目前，金刚石薄膜涂层刀具的应用已进入实用阶段。它是在硬质合金基体(常用K类合金)上采用CVD法沉积一层由多晶组成的膜状金刚石而成，常称CVD 金刚石刀具(简称CD刀具)。因基体易于制成复杂形状，故适用于几何形状复杂的刀具。美国和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25)等产品，用于有色金属和非金属材料的高速精密加工，刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍、甚至几十倍。而另一种适于加工钢铁材料的CBN涂层亦已开发成功，并正在走向工业试用阶段。前几年，武汉大学研制出一种C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，用其涂覆在高速钢钻头上，可使钻头寿命大大提高。此外，美国一家涂层公司使用热阴极蒸发技术把碳蒸发沉积到高速钢刀具表面上，获得结合得很好的类金刚石碳涂层(DLC)。类金刚石是非晶体，但它有很多金刚石相似的性能，如高的抗压强度与硬度、低的摩擦因数和好的耐蚀性等，类金刚石刀具的问世，为涂层刀具的应用展现了一个新的前景。
　　除上述各种硬质涂层材料外，还开发了MoS2基的软涂层材料及WC/C“中硬”型滑性涂层材料。前者能大大改善刀具的切入性能，并防止积屑瘤的产生；后者切入时摩擦因数虽比MoS2涂层稍高，但它的抗磨损性能较好。软涂层可单独使用，也可先在刀具表面上进行硬质涂层，再在其上涂MoS2软涂层，无论是切钢或加工高硅铝合金都有好的效果(见图2)，而且对铸件也同样有效。例如，采用一种(Ti, Al)N MoS2软涂层的硬质合金钻头干钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔，刀具寿命高达1600min，而只涂TiN或TiCN涂层的钻头，其寿命分别为 19.6min和44min。
　　目前，一些工业发达国家还着手根据被加工材料的性质来设计涂层成份、涂层厚度及与之相匹配的基体材料，以求获得其最佳组成并取得最佳涂覆效果。同时，还在开发智能涂层，这种涂层在磨损、变形或暴露于高温的情况下，会引起电阻的变化，并发射电子而能被机床识别。
　　工件材料：42CrMo4V(1000MPa)刀具整体硬质合金；D=8.5mm钻削速度：70m/min，进给量：0.15mm/r钻深42.5mm，干切削
　　工件材料：AlSi9刀具整体硬质合金；D=8.5mm钻削速度：90m/min，进给量：0.315mm/r钻深25.5mm，微量冷却润滑 图2不同涂层材料钻头在钢件及铝件上钻削时切削行程长度的对比
　　涂层刀具的合理使用
　　涂层刀具的使用效果除与涂层方法及设备、涂层工艺和涂层材料有关外，还有以下情况。涂前刀具的表面质量
　　被涂刀具表面应是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有锈斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上无毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度应达到Ra<0.8~1.25µm。表面粗糙度值愈小，涂层的结合度愈好。此外，刀具表面的清洗质量也十分重要。
　　刀具基体材料
　　涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配，须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体，既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速钢，也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PM HSS)。因粉末冶金的基体均匀，故使用效果好。加工钛合金时，推荐用含钴超硬高速钢如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作为刀具的基体材料。对于涂层滚刀，当以正常切削速度(小于45m/min)加工齿轮时，崩刃是滚刀磨损的主要原因，因此应选择韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料；而在高速滚齿时(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因，因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或 CW9Mo3Cr4VN高速钢为刀具的基体材料。
　　涂层硬质合金刀具的基体，在加工钢材时，宜选择加工钢材的硬质合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多)；加工铸铁和有色金属时，宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。
　　被加工材料的硬度及切削加工性，对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实，涂层刀具最适于切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。
　　刀具的几何角度
　　由于涂层的润滑性好，所以涂层刀具工作时常会在工件表面上打滑，为此涂层刀具上的后角应比未涂层刀具的后角略大。实践表明，对铰刀等一类精加工刀具，加大后角后，可使刃口锋利，切屑形成容易，打滑现象明显减少，刀具的使用性能提高。
　　切削用量和切削液
　　为了充分发挥涂层刀具的性能，必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好，抗月牙洼磨损能力强，故可采用较大进给量和切削速度工作，但首先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合适的。为了提高工效，涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%~70%的切削速度进行切削。目前，用涂层硬质合金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度，立铣刀可达 100~150m/min，钻头可达80~100m/min；丝锥加工铸铁为20~40m/min。
　　实践证明，使用20号机械油加10%煤油冷却时，可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1~2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS) 钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时，使用20号机械油和煤油混合润滑，刀具寿命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切时寿命仅提高1倍。
　　涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小，刀具或刀片的夹持也应牢固。
　　涂层刀具的重磨和重涂
　　涂层刀具磨损后必须进行重磨。涂层刀具重磨时，须将刀具上的磨损部分全部磨掉。对于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齿轮滚刀和插齿刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如钻头和铰刀等)，若在其毗连切削刃的另一个刀面(如钻头的螺旋出屑槽)上的涂层未受损伤，刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂层刀具，其刀具寿命可达原来新涂层刀具寿命50%左右或更长，仍比未涂层刀具的寿命要高。
　　刃磨涂层硬质合金刀具所用砂轮可采用金刚石砂轮。但刃磨涂层高速钢刀具时，用立方氮化硼(CBN)砂轮磨削有较好效果。刀具的磨损处应全部磨去，涂层不能剥落，又不能使刀具退火。
　　使用涂层刀具的一个重要问题是重磨后刀具切削性能恢复的问题，即刀具每次刃磨(开口)后可否再进行重复涂层(重涂)的问题。对于重磨的成形刀具，只有进行重涂，才能保证刀具的总寿命提高3~5倍以上。凡重涂刀具首先必须按工艺要求将各几何参数磨好，其磨光部分不允许存在各种质量缺陷，如磨糊、毛刺等。重涂时可采用局部屏蔽技术只对刃磨面进行涂层。对于不采用屏蔽技术的重涂，在重涂4~6次后，刀具的非刃磨面的涂层厚度就会过大，从而影响刀具的精度和产生局部剥落现象，此时要对刀具进行脱膜处理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂层刀具，刀具可重涂多次，直到报废为止。
　　由上可知，重涂对提高刀具耐磨性和生产率是有很大潜力的。但重磨后是否要重涂，还要看该刀具在技术上可否重涂和在经济上是否合算而定。
　　涂层刀具在中国应用概况
　　中国对涂层刀具的研究与应用是从20世纪80年代开始的。目前，湖南株洲硬质合金厂已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各种涂层刀具的产品。YB 系列是用引进设备生产相当于瑞典Sandvik公司GC系列涂层刀片的产品，涂层材料为TiC、TiC Al2O3及TiC Al2O3 TiC；CN系列主要用于钢材的精加工，其涂层材料为TiC Ti(C,N) TiN；CA系列涂层材料为TiC Al2O3，适于铸铁和有色金属材料的加工。四川自贡硬质合金厂用美国的涂层设备，生产ZC系列涂层刀片。但与制造技术先进的工业发达国家相比，中国应用涂层刀具的比例与涂层技术的水平均较低。为此，上海工具厂有限公司和湖南株洲硬质合金集团公司新近又从瑞士和德国分别引进了PLATIT公司和 CemeCon公司的涂层设备，以使中国刀具的涂层技术和涂层刀具的性能迅速赶上并接近国际先进水平。与此同时，还成立了中瑞合资上海纳微涂层有限公司，这是一个大型涂层服务中心，开展刀具的涂层、重磨及重涂服务，该公司引进了4套涂层设备，可涂覆S-AlTiN(超级氮钛化铝)、S-TiN(超级氮化钛)、TiCN、DLC、CrN等多种涂层。可以预料，随着涂层刀具的推广与应用，必将促进中国高速切削、干式切削和硬切削等先进切削技术的发展，而先进切削技术的发展，又将进一步推动涂层刀具的应用。

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Reference source from the internet.

康
恩¹，郭玉芳²，冯汝昌³，赵育武³，冯祥根³
(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)

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
中图分类号：TGl56.13
   文献标识码：B    文章编号：0254-6051(2000)09-0036-02

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

加热温度/℃

移动速度/mm·min^-1

二次电压/V

中频功率/kW

中频频率/Hz

中频输入电压/V

850～860

100

104.1

200

210

570

850～870

100

115.3

300

225

640

860～880

150

120.5

350

230

650

530～560

100

78.2

100

180

430

560～580

150

80.2

120

190

460

600～650

150

100.3

200

193

530

(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

感应加热电压/V

中频功率/kW

中频频率/Hz

中频输电压/V

直流电压/V

直流电流/kA

加热温度/℃

工件位置

120.2

285

210

650

460

0.71

850～880

前

120.2

320

210

660

460

0.81

860～880

中

120.1

355

218

660

480

0.82

860～880

中

120.3

358

220

660

480

0.85

850～880

后

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

感应加热电压/V

中频功率/kW

中频频率/Hz

中频输电压/V

直流电压/V

直流电流/kA

加热温度/℃

80.6

110

192

440

320

0.42

560～580

80.6

120

190

430

330

0.42

560～580

80.2

120

189

430

350

0.41

550～580

80.1

120

189

430

300

0.40

560～580

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.

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刊自《金属热处理》1998年第11期

汽油机凸轮轴感应加热表面淬火有两种工艺方法，一种是逐个凸轮加热冷却，另一种是全部凸轮同时加热冷却。目前国内生产厂家都采用前一种，一方面，由于受到设备条件的限制，另一方面这种工艺方法更适合于多品种小批量的生产方式。我厂利用卧式淬火机床配国内新开发的大功率可控硅中频电源，对EQ491发动机铸铁凸轮轴的8个凸轮一次感应加热淬火，满足了产品图纸的技术质量要求。

1 凸轮轴表面淬火的技术要求

EQ491发动机凸轮轴的材料为铬钼合金铸铁，其化学成分如表1。

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

铬钼合金铸铁凸轮轴加热前的金相组织如图1a、b所示，为B型石墨+细珠光体+网状碳化物。

凸轮毛坯在铸态进行感应加热淬火，淬火的技术要求是表面硬度50-60HRC，桃尖硬化层深度为4.6mm-10.0mm，基圆硬化层深度为1.5mm-8.0mm。

2 感应加热淬火设备

用于EQ491发动机凸轮轴感应加热淬火的设备是卧式淬火机床和可控硅中频装置。

卧式淬火机床的结构如图2所示，主要由装料辊1、托架5等组成，其中尾架9和头架10由同一长活塞杆带动，沿两平行的圆导轨左右移动，其作用是将推杆4送来的工件送入和退出感应器3，托架5将受热后的工件传递到滚筒7的顶尖位置，滚筒上对称分布着4对顶尖，图示为其中一对顶尖的待工位置，当它顶住工件后带动工件自转，同时滚筒转动90°，将工件送入淬火介质。当第2对处于待工位置的顶尖顶住下—受热工件后，滚筒再转动90°，第1对顶尖松开，工件落在运输机 6上，运输机将它提出液面并送往下道工序。

用于加热的感应器如图3所示，由8个有效圈并联而成，有效圈通水冷却。

机床侧边安装有热交换器，用于降低淬火介质的温度。淬火介质通过高压泵在淬火介质箱与热交换器之间循环，经过 热交换器冷却后的淬火介质以0.4MPa的压力在淬火介质箱中向加热后的工件喷出。

工件在机床内的传递由活塞油缸实现。 淬火机床的全部动作由FX2-128MR PC机控制，当手动调至总零位灯亮时，自动循环工作开始。

3 感应加热淬火工艺

淬火机床的结构确定后，8个凸轮感应加热淬火的工艺方法随之确定了，这一工艺方法就是工件进入感应器中，一次通电加热，工件退出感应器后转入淬火介质，浸液冷却淬火。淬火所采用的工艺参数如表2。 表2 凸轮轴感应加热淬火工艺参数

电 参 数

时间参数/s

淬火介质

直流电压/V

直流电流/A

中频电压/V

有效功率/kW

电容量/uF

变压器匝比

中频电频率/kHz

加热

预冷

浓度（%）

温度/℃

搅动泵出口压力/MPa

380

800

620

350

180

18/1

3.7

13

2

11

10-40

0.4

淬火后的工件露出液面时要有一定的余热，以便利用余热回火，消除淬火应力。控制工件出液温度高低的方法有两种，一种是调整工件在淬火介质中的停留时间，可以通过改变运输机6间歇运动时间的长短来实现。另一种方法是改变淬火介质的浓度。我们使用的淬火剂是今禹8-20水溶性淬火剂，其冷却能力随浓度的提高而下降。

4 感应加热淬火质量

8个凸轮一次感应加热浸液冷却后，硬化层的深度和淬火硬度如表3。从表3可以看出两项指标都达到产品图的技术要求。从凸轮淬火部位剖面图中可以看出，硬化层均匀，位置正确。 表3 凸轮轴淬火硬度、硬化层深度

凸轮序号

淬火硬度HRC

硬化层深度/mm

尖部

基圆

1

51 53.5 55

7.8

5.7

2

52 54 54

7.2

6.0

3

55 55.5 53

10.0

6.5

4

53 53 56

7.5

6.4

5

50 51 52.5

9.6

7.3

6

56 55 56

10.3

7.5

7

54 52 54

10.8

7.7

8

52 50 52

9.5

7.0

凸轮轴淬火后，径向跳动增加值经测试为0.15mm，可以不经校直满足下道工序的要求。淬火介质的温度在l0℃-40℃范国内，淬火后的凸轮经荧光探伤检查无淬火裂纹。

5 结论

(1)凸轮轴卧式淬火机床配用大功率的可控硅中频电源可以实现汽油机凸轮轴一次感应加热，浸液冷却，余热回火的工艺方法。不仅淬火质量稳定，面且自动化程度高，有利于大批量生产。

(2)采用今禹8-20水溶性淬火剂，可以控制工件在低温阶段的冷却速度，即使淬火介质的温度为10℃，合金铸铁凸轮轴淬火也不产生淬火裂纹，这是用自来水冷却达不到的。

(3)用紫钢板焊接的8个并联有效圈感应器不仅结构简单，而且安装可靠，使用寿命长。

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刊自《金属热处理》2001年第9期

中图分类号：TG162．7   文献标识码：D   文章编号：0254-6051(200l)09-0049-01

热处理技术对高强度紧固件尤其是它的内在质量有着至关重要的影响，因此，要想生产出优质的高强度紧固件，必须要有先进的热处理技术和装备。

1 东风汽车高强度紧固件热处理现状

东风汽车高强度紧固件有4个性能等级，即8.8、9.8、10.9、12.9级。而这4个等级的高强度紧固件都要进行调质处理。

热处理调质是为了提高紧固件的综合力学性能，以满足产品规定的抗拉强度值和屈强比。因此，调质工艺对原材料，炉温控制、炉内气氛控制、淬火介质、热处理质量检测和控制等都有严格要求。

1.1 材料

东风汽车高强度紧固件材料主要有ML35、35K、ML40Cr、ML35CrMo钢等，其中75%ML35CrMo钢进口。材料主要有方框偏析、脱碳、裂纹等问题。材料在冷成形前需进行球化退火，退火在油炉内进行，炉内无保护气氛，存在脱碳现象。

1.2 热处理调质炉

12.9级为主的高强度紧固件在铸链炉生产线上进行调质处理。炉内温度，气氛由计算机控制，采用Rx气作为保护气氛，加热和防氧化脱碳能做到有效控制，紧固件在加热过程中质量完好。

8.8级为主的高强度紧固件是在震底炉上进行调质处理，受震底炉结构的影响，炉子密封性能差、Rx气氛不易控制、炉温温差大、零件在炉内加热存在碰撞和时间长短不—致，紧固件在加热过程中的质量较差、存在脱碳、碰伤、加热不均匀等现象。

1.3 淬火介质

东风汽车高强度紧固件调质，淬火介质有两种，ML35类用碱水淬火，中碳合金钢用普通机械油淬火。在碱水中淬火存在淬火开裂现象。在普通机械油中淬火存在硬度不均甚至不合格现象，生产中不得不进行反复调质处理。

1.4 检测

东风汽车高强度紧固件热处理后的检测，主要检测硬度、抗拉强度、金相组织(定性检测)、Rx气分析、12.9级的进行100％磁粉莹光无损检查裂纹等。而淬火介质冷却性能测定、金相组织的定量分析、零件内在缺陷和硬度分选尚无检测手段。

2 国外高强度紧固件热处理水平

2.1 材料

材料改制中的球化退火，日本神户钢厂具有领先技术，神户钢厂提供的球化钢，不需要紧固件生产厂再球化退火，因而不存在退火脱碳问题。我国台湾省和俄罗斯有的生产厂家材料退火采用感应加热，然后进入保护气氛炉内保温的球化退火，该工艺先进，脱碳问题可以得到很好解决。西方国家大多采用保护气氛控制的电加热罩式球化退火炉实现材料球化退火，设备和工艺先进，球化质量可靠，无脱碳现象。

2.2 热处理调质炉

国外广泛采用网带式或铸链式热处理调质线。调质线除了炉子密封性能好以外，还具有先进的气氛，温度和工艺参数计算机控制，设备故障报警和显示等功能。高强度紧固件从上料-清洗-加热-淬火-清洗-回火-着色到下线，全部自动控制运行，有效保证了热处理质量。

2.3 淬火介质

淬火介质直接影响淬火冷却能力、淬火开裂和变形等。国外高强度紧固件调质处理时，对中碳钢广泛采用水溶性淬火介质(PAG)，对中碳合金钢广泛采用快速淬火油。

2.4 检测

国外对原材料采用直读光谱仪进行化学成分快速检测，对改制材料进行在线无损检测裂纹。确保材料热处理前处于完好状态。

零件进行调质时，采用碳势控制、温度控制和工艺参数控制。淬火介质实行温控和冷速监测，淬、回火硬度测量，淬、回火金相测定，必要时进行定量测定，调质后零件100％的莹光磁粉无损探伤，100％的零件硬度和内在缺陷分选和力学性能测定等。

3 技术提升

综上所述，东风汽车高强度紧固件的热处理技术和装备与国外先进的热处理技术和装备相比，存在一定的差距。为了进一步开拓国内外市场，东风汽车紧固件公司在热处理技术提升方面做出了很大努力。

3.1 已实现的技术提升项目

3.1.1 更新金相显微镜 进口金相显微镜2台，购进金相图谱分析软件系统。从而使高强度紧固件的金相分析、失效分析达到了定量水平，并且制定了高强度紧固件调质组织中的铁素体含量等级标准，今后还要做更多的研究，确保深层次的内在质量在受控状态。

3.1.2 更换淬火油 购进快速淬火油实现中碳合金钢高强度紧固件全部淬快速油。使淬火质量有了明显的提高，体现在淬火硬度高且均匀，淬硬层加深，心部铁素体明显减少，力学性能稳定，不存在零件返修和废品。

3.1.3 采用水溶性淬火介质 购进水溶性淬火介质代替碱水用于部分中碳钢高强度紧固件调质淬火。淬火效果很好，未发现淬火开裂现象，淬火硬度均匀，淬火质量较好。代替普通淬火油，可以解决淬油易产生油污烧结而影响后序电镀质量的难题。(使用今禹8-20淬火剂）

3.2 正在技术提升项目

3.2.1 购置调质线 东风汽车高强度紧固件热处理技术提升重点在热处理调质线，通过招标选用了实力雄厚，技术水平高的台湾省一家企业设计制造的两条热处理调质线。该线具有气氛、温度和工艺参数计算机控制，设备故障报警和显示等功能，设备密封性能好，自动化程度高，技术水平达到国外先进水平。

3.2.2 全面更换淬火介质和添置淬火介质测定仪 两条新调质线一台为油炉，介质选用快速淬火油，另一台为水炉，介质选用水溶性淬火介质。为了确保淬火冷却性能稳定，进口先进的携带式淬火介质测定仅一台，这样可以做到定期对淬火介质进行监测，确保淬火质量。

3.2.3 保护气氛选用 由于Rx气质量比甲醇裂解所产生的保护气气质更好—些，12.9级东风汽车高强度紧固件采用Rx气作为保护气，以提高和确保12.9级高强度紧固件的质量。水炉采用甲醇裂解气作为保护气，当一种保护气出现供气问题时，两条调质线还可以共用一种保护气，用气非常方便。

3.2.4 进口涡流分选仪 利用先进的涡流分选仪，对出厂的东风汽车高强度紧固件100％进行在线检测，确保出厂产品质量。

3.2.5 东风汽车高强度紧固件用材料 已对新型冷成形用球化钢进行了试验，该新钢种在冷成形和热处理过程中都具有很好的表现。在康明斯发动机上试装也很好。采用球化钢可以省去退火工序，避免油炉退火造成的环境污染、脱碳、又可以减少模具消耗和淬火开裂。

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Bewise Inc. talaşlı imalat sanayinde en fazla kullanılan ve üç eksende (x,y,z) talaş kaldırabilen freze takımlarından olan Parmak Freze imalatçısıdır. Çok geniş ürün yelpazesine sahip olan firmanın başlıca ürünlerini Karbür Parmak Frezeler, Kalıpçı Frezeleri, Kaba Talaş Frezeleri, Konik Alın Frezeler, Köşe Radyüs Frezeler, İki Ağızlı Kısa ve Uzun Küresel Frezeler, İç Bükey Frezeler vb. şeklinde sıralayabiliriz.

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