轴感应淬火变形问题的解决方法

作者：郝丰林,单位：江苏双环齿轮有限公司,来源：《金属加工(热加工)》杂志

我公司是传动部件专业制造厂，有许多客户的轴类产品要求中频淬火，由于客户众多，产品多样，不可能买很多种感应设备，只能对现有的感应设备调试。在调试的过程中不可避免地出现一些问题，下面主要介绍一种花键轴扫描淬火出现的问题及解决方法。

一、提出问题

图1是一种长轴类产品，技术要求：两端花键部位硬化层3.5+3mm/500HV1(检测部位离端面13mm处)，中间部位硬化层6+2mm/500HV1、表面硬度要求56～64HRC，花键M值要求71.66～71.74mm。

感应淬火要求的长度较长，超过600mm。根据产品的要求和现有设备，我们只有采用扫描淬火，轴在试制过程中出现的问题主要是花键变形不合格。经过多次试验，最终找到一个合适的淬火方法，减少花键变形，达到批产合格。

图1 产品装夹图

二、第一次试验

第一次试验做6件，热前花键M值要求71.66～71.68mm。实测71.66～71.67mm，热处理后实测开始点花键M值在71.70～71.74mm之间，花键能通能止，结束点花键M值在71.64～71.67mm，离端面有3～10mm花键止不住。硬化层形状见图2。

a)中频开始点                             b)中频结束点

图 2

三、第二次试验

热前花键M值要求71.68～71.70mm。这次试验花键是热前热后花键敲点，做数据对比试验。经过试验发现中频开始的部位花键涨0.04～0.08mm，结束点的部位花键缩0.01～0.02mm。这样中频后的产品开始点花键通不进，中频结束点花键合格。检测开始点M值在71.73～71.76mm之间。结束点M值在71.67～71.68mm之间。检测见图3。花键淬火在开始点涨，在结束点缩。

a)中频结束点                                            b)中频开始点

图 3

四、第三次试验

根据第二次试验结果，根据图样检测硬化层要求，检测位置要求从端面13mm开始检测，根据这个要求可以看出，要求端面可以部分不淬火。根据该要求我们对于花键M值在71.68～71.70mm之间的花键轴进行第三次试验，主要是调整开始点淬火位置。同样做标识测量淬火前后的M值，这样处理的花键，开始点涨0.01～0.035mm，花键热前M值只要在71.68～71.70mm之间，热后就是合格。硬化层形状检测如图4所示。

a)中频开始点                                        b)中频结束点

图 4

花键热前M值范围差控制在0.02mm，对于批量生产有困难，尤其产品又重，批量生产材料淬透性的变化、调质质量的稳定性、感应淬火过程的控制还是会出现花键变形超差的产品。根据成品尺寸的要求71.66～71.74mm之间及感应淬火变形数据，开始点花键M值在71.65～71.705mm之间，结束点花键M值在71.68～71.75mm之间，花键过程加工M值控制在0.05～0.07mm之间可以保证，只要标识好，感应淬火按照标识淬火，但是这样会增加加工过程的难度，因此这个方案不可行。

按照第三次试验工艺，生产了部分产品，每次感应淬火都要用花键套检测花键开始点变形。一般先做6件，只要有花键不合格就要检测硬化层，通过调整硬化层深度、硬化层区域来保证变形合格，在工艺上主要是调整加热时间、加热始点位置、加热功率。感应淬火后出现花键不合格的主要原因是：热前尺寸不在要求范围内、调质质量问题、材料变化。出现不合格品花键M值尺寸在71.74～71.75mm之间(根据这个数据热前M值范围差可以控制在0.03mm)，只要花键始点涨量减少0.01mm，热后花键就会全部合格。

花键采用扫描淬火始点花键涨，终点花键缩。根据这个现象分析，花键从端面开始加热时在热应力下膨胀，加热到淬火温度后，开始冷却，在冷却时热应力造成尺寸缩小，但由奥氏体转变为马氏体组织时，尺寸涨大。在这个过程中组织应力大于热应力，表现为花键涨。如果把花键加热的开始点为离端面一定距离时，花键加热位置改变后，加热时花键尺寸膨胀由于受两端没有加热位置的影响，会减少加热时的膨胀量，加热到淬火温度后，开始冷却，在冷却时热应力造成尺寸缩小，但由奥氏体转变为马氏体组织时，尺寸涨大。由于受端面没有组织转变的影响，也会降低膨胀量。因此，花键改变淬火始点后尺寸变化量是0.010～0.030mm，而不是从端面开始淬火的0.040～0.080mm。产品尺寸较长，采用扫描淬火，到淬上端花键时，由于感应淬火硬化层相当于一根管子，其轴向组织应力远大于横向组织应力，在加热的过程中这个硬化管不断地膨胀，造成花键淬火后缩小(主要是组织应力影响大，热应力影响较小)。根据以上分析对于始点淬火后只有减少涨量，才能保证花键变形合格。设备是西门子8402D控制系统，对于很多加热方式可以控制。考虑端面预热几秒(加热温度低于850℃)，然后停止加热，停顿几秒后，再开始加热。根据这个原理重新制定始点感应淬火工艺，工艺为新工艺一。检测始点花键M值涨量在0.005～0.015mm之间，硬化层形状见图5。

图5 新工艺一金相试块

这样试验了30支，在淬火的过程中，由于端面定位尺寸加工的变化，在淬火时看到端面有过热的现象(考虑检测位置在13mm处，不会影响质量)。从开始淬火到结束约4h。工件在箱式回火炉，在150℃回火，到温保温2h。第二天工件清理喷丸时看到有13件出现端面剥圈裂纹，见图6。检测花键变形全部合格。检测有裂纹的工件主要是端面过热造成的。

图6 新工艺一处理

新工艺一处理的花键变形全部合格，只要解决了裂纹，这个处理方式就会保证花键变形合格，这样热前花键M值公差可以放大。由于端面定位孔的变化造成裂纹，那么能否采用第三次试验工艺的加热位置来减少过热。还是在新工艺一原位置预热，停顿几秒后回到第三次试验工艺的加热位置开始加热，这样由于端面温度高，塑性好，加热时尺寸膨胀可以向端面移动，由于端面温度高应力小，组织应力可以沿轴向方向释放，冷却时组织转变的应力也可以减少。根据这个思路我们重新优化了始点感应淬火工艺，这个工艺定为新工艺二，检测涨量在0.010～0.015mm。检测始点花键硬化层形状见图7。

图7 新工艺二金相试块

按新工艺二同样处理了30件，回火后检查没有裂纹，花键变形都合格。新工艺二处理的产品，两个端面硬化后的颜色及形状都很类似(图8与图3比较)由于涨量减少，只要冷加工尺寸控制与原先一样，感应淬火后的尺寸都是合格的。图8与图6比较，可以发现图6淬火明显比图8的颜色深，端面基本颜色都变化了，说明淬火效果好，也就有裂纹的风险。

图8 新工艺二处理的始点

通过多次试验，找出变形的规律及变形的原因，保证了批量生产，减少了公司损失，希望对其他公司有所帮助。