感应回火工艺研究_杨帆

图 3 涡流分布特性与电流透入深度
图 3 表明涡流强度随表面距离变化的关系。涡 流高度集中分布在零件的表面中，且涡流强度随距 离增大而急剧下降，随距离的 e 指数比下降的。实际 应用中，规定 Ir 下降到 Io 的 36. 79% 为电流透入深 度，同时可近似认为涡流只存在于零件表面电流透 入深度的薄 层 中， 而 在 薄 层 以 内 的 心 部 没 有 涡 流。 由于涡流产生的热量与涡流强度的平方成正比，所 以从表面向心部，热量的下降要比涡流下降得更快。 经计算证明，85. 6% 的热量是产生在电流透入深度 内。当感应加热时，零件的外表面温度达到了钢回 火要求的温度，但因时间极短 （ 相当于传统回火时 间的千分之一） ，钢的热传导未能发生，同时感应涡 流强度的梯度大，在整个有效淬火硬化层中不能达到
1. 成分设计
冷轧工作辊用钢属高碳过共析钢，其耐磨性能 与碳化物类型、硬度、分布及含量等因素有关。铬 是轧辊中重要的合金元素，它是较强的碳化物形成 元素，随其含量的不同可形成不同晶体类型的合金 碳化物，Cr 含 量 较 低 时 形 成 M3 C 型 碳 化 物，硬 度 800 ～ 1200HV； Cr 含量较高时，可以形成 M7 C3 型碳 化物，硬度 1300 ～ 1800HV，可显著提高耐磨性； 并 且不同的 Cr /C 比例，所形成的 M7 C3 型碳化物的体 檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷 地反映控制零件淬火层的感应回火质量。感应回火 加热的特征是感应涡流发热，具有表面趋肤效应和 涡流强度随距离 e 指数减弱，热传导的作用相对弱， 不适当的感应回火工艺，会使感应淬火硬化层在感 应回火后，表面达到工艺的回火要求，但在感应淬 火层的内部，存在回火不充分。因此，必须在感应 回火的控制和检测方式上有功率、加热时间、表面 温度、表面硬度、淬火硬化层硬度梯度的要素。
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试验工艺如表 4 所示，在第一次感应加热后，空冷 2s，再以第一次功率的 1 /2 感应加热 2s，空冷 2s，喷水 冷却。硬度梯度检验见图 2 中的曲线 3，整个感应淬火 硬化层回火后得到了较均匀的平坦回火硬度曲线。
表 4 回火试验工艺参数及检测结果
回火频率 加热功率 时间 空冷 加热功率 时间 空冷 喷水 表面硬度
/ kHz / kW / s / s / kW / s / s / s HRC
4. 0
28 5 2 15 2 2 2 51. 4
4. 感应回火后的检测方法讨论
本文已阐明了感应回火加热和热传导的方式与 传统回火方式的差异。用传统回火工艺的控制检测 方式，即控制温度和检测表面硬度，不能正确并有效
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表 3 回火试验参数及检测结果
回火频率 / kHz 4. 0 4. 0
回火时间 /s 8 5
回火功率 / kW 28 38
表面温度 /℃ 305 315
表面硬度 HRC 48 46
均匀一致的回火温度，形成感应回火零件表层回火， 而整个淬火硬化层未能充分回火的现象。
提高感应回火功率或回火时间，能不能改善感 应回火的透入深度？ 分别对感应回火的时间和功率 参数进行试验 （ 见表 3） 。提高感应回火功率或回火 时间，表面温度升高了，感应回火零件表面硬度下 降。吻合相关资料，在要求的硬度范围内，感应回 火温度比传统回火工艺温度高 50 ～ 60℃ 。对感应淬 火层的硬度梯度分析，45 钢、55 钢的感应淬火后， 表面硬度都一般大于 60HRC，有效硬化层的一半， 达到 58HRC 以上，因此，在该部分的回火温度要求 是基本相同的。而上述工艺，因为感应涡流强度随 距离的急速下降，在硬化层各点上产生的温度，难 以满足此处回火硬度要求。感应回火过程中，由感 应涡流产生的回火所需热量及其热传导，两者要有 产生热量的速度及传导热量的速度平衡，当产生热 量的速度大于传导热量的速度，零件表面持续升温， 超过零件回火要求温度，导致表面硬度降低； 反之， 会导致回火不充分。所以，仅提高感应回火功率或 回火时间，不能达到回火要求。
2. 小试样试验
（ 1） 小试样淬火、回火试验 取 20mm × 20mm 普通 8Cr5MoV 材质及新型高耐磨辊试样经不同温度 淬火、回火试验，温度 － 硬度曲线分别如图 1、图 2 所示。
可以看出，相同的淬火、回火条件下，此两种材质 试样的硬度差异均在 1HRC 以内。
（ 2） 残留奥氏体测定 试样经淬火 + 冷处理 + 低温回火，采用 X 射线衍射方法分析试样中残留奥 氏体的含量，结果如表 2 所示。
感应回火参数的选择： 感应回火频率必须比感 应淬火频率低，因为回火加热层厚度一定要大于淬 火加热层； 如设备条件不具备淬火—回火双频工况 时，感应回火的比功率应是感应淬火的 1 /5 ～ 1 /3。
（ 20120317）
积分数也有所不同。 高耐磨轧辊是在普通 8Cr5MoV 材质基础上，调
整含碳量和含铬量，保持合理的 Cr /C 比例，并通过 合适的热处理制度，得到一定量 M7 C3 型合金碳化 物。化学成分设计见表 1。
高耐磨锻钢冷轧工作辊
常州金安轧辊制造有限公司 （ 江苏 213126） 唐广银 周才东 张义静
随着轧钢技术的进步，轧机向自动化、连续化 方向发展，对轧辊的精度、性能等要求也越来越高。 目 前， 我 国 各 大 钢 厂 冷 连 轧 机 组 已 大 量 使 用 8Cr5MoV 材质的锻钢冷轧工作辊。在轧制一些高强 度钢板时，特 别 是 在 冷 连 轧 机 后 机 架 和 平 整 机 上， 普通 8Cr5MoV 材质的锻钢冷轧工作辊经常出现表面 粗糙度值增高过快，造成 “打滑” 等现象出现，这 不仅增加了轧辊的消耗，而且也影响产品质量和生 产节奏。 如 何 提 高 轧 辊 的 耐 磨 性， 延 长 轧 制 周 期， 提高生产效率，成为轧辊制造厂家的新课题。
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感应回火工艺研究
上海恒精机电设备有限公司 （ 201707） 杨 帆 张绍贻 戴华庆
中碳钢或中碳低合金钢的机械零件感应淬火后， 可以得到 56 ～ 65HRC 的硬度，一般还需进行回火处 理。将零件加热至 150 ～ 250℃ ，保温 1. 5 ～ 3h 的回 火处理， 空 冷， 使 淬 火 马 氏 体 析 出 细 小 的 碳 化 物， 形成回火马氏体。
1. 感应回火特点
通常，感 应 淬 火 后，配 以 具 有 温 度、 时 间 自 动 控制的电加热箱式炉、井式炉，或是网带炉。该类 工艺设备的配置，工艺简单，控制可靠，机械零件 的回火质量稳定。我们将此感应淬火零件的回火工 艺称为传统的回火工艺。
现代机械零部件的生产采用了一物流的组织方 式。传统的回火工艺方式因零件在回火工艺设备中 流转周期过长及回火过程中装夹定位不便而不太适 应一物流的生产组织。而零件感应回火的生产节拍 能和感应淬火生产节拍一致，装夹定位一致，故感 应回火工艺及装备被推广应用于一物流生产线中。
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从表 2 测试的数据分析，回火的目的似乎已经 达到。
感应加热和传统回火加热的方式有本质的不同。 感应加热是感应涡流使钢的表面自体发热加热，时 间短； 传统回火加热是外部发热体通过热传导和辐 射进行加热，时间长，需足够的时间使热量在钢内 部传导并使温度均匀。为了检查整个硬化层的回火 程度，对感应 回 火 后 的 零 件 进 行 硬 度 梯 度 的 测 定， 以反映感应回火时感应涡流透入加热深度效果。硬 化层梯度测定，如图 2 所示。
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图 2 淬火及回火硬度曲线 感应淬火后的硬化层的硬度梯度曲线 1，感应回 火后的硬化层的硬度梯度曲线 2 表明，仅零件淬火 层的表面得到充分回火，而表层下的硬化层，未能 得到充分的回火。文献表明，感应加热回火的加热 深度，要大于淬火时的加热深度，以减少或消除硬 化层与过渡层之间的拉应力。感应加热时零件的涡 流分布特性与电流透入深度见图 3。
淬火马氏体通过低温回火，其 α 固溶体仍有一 定的碳的过饱和度，仍保持了淬火钢的高硬度和高 耐磨性，同时 降 低 了 零 件 淬 火 层 的 脆 性 和 内 应 力， 以免零件在服役过程中过早失效。那么，如何知道 淬火零件回火充分性？ 用什么方法来评判回火的充 分性和检测回火的程度？ 传统回火工艺方式的回火 充分性是通过对回火零件的表面硬度检测，和第二 次该零件相同温度、时间回火后，检测表面硬度差 不大于 1HRC，即为零件回火充分。电加热回火炉的 加热是空气传导和热辐射，测温器件是热电偶，零 件的温度可以用炉内温度场的温度来准确表征。而 感应回火及其装备，采取的是电磁场感应加热，即 钢在频率较 低 的 磁 场 中 产 生 感 应 涡 流， 从 而 发 热， 使零件被回火。零件是发热体，用红外测温仪测零 件的表面温度为准 （ 红外测温仪在测温过程中受环
表 1 高耐磨轧辊化学成分 （ 质量分数） （ % ）
C
Si Mn Cr Ni Mo
V P、S
0. 80 ～ 0. 35 ～ 0. 30 ～ 5. 00 ～ 0. 30 ～ 0. 20 ～ 0. 10 ～ ≤0. 015
0. 86 0. 65 0. 50 5. 40 0. 50 0. 40 0. 20
3. 工艺方案
在试 验 的 测 温 过 程 中，感 应 加 热 结 束 后 温 度 从 280℃2 ～ 3s 内降到 90 ～ 100℃。零件表面层的热量向外 表空气和内部———钢扩散，当然，钢的热传导系数比空 气大的多，感应回火加热热量大部传递给钢的内部。在 感应回火过程中，感应加热并保持表面的温度在 270℃， 以传导加感应涡流方式，来加热整个感应淬火硬化层， 达到淬火层的回火目的。
淬火频率 淬火加热 淬火功率 回火频率 回火加热 回火功率表面温度
/ kHz 时间 / s / kW / kHz 时间 / s / kW / ℃
64
3. 7
78
4. 0
5
28
275
表 2 淬火回火检测结果
材料
热处理
淬火表面硬度 有效硬化层 回火后表面硬度
HRC
/ mm
HRC
40Cr 高频感应淬火
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境条件等诸多因素影响不在本文的讨论范围） 。零件 回火后的硬度检测，目前沿用了传统回火工艺的回 火检测，即检测零件表面硬度。
2. 感应回火的试验及检验 我们用上海恒精公司制造的通用设备对图 1 所 示零件感应淬火后进行感应回火试验。试验条件和 检验结果见表 1、表 2。
图 1 感应淬火回火后零件硬化层分布 表 1 淬火回火试验条件