我公司是傳動部件專業制造廠，有許多客戶的軸類產品要求中頻淬火，由于客戶眾多，產品多樣，不可能買很多種感應設備，只能對現有的感應設備調試。在調試的過程中不可避免地出現一些問題，下面主要介紹一種花鍵軸掃描淬火出現的問題及解決方法。
一、提出問題
圖1是一種長軸類產品，技術要求：兩端花鍵部位硬化層3.5+3mm/500HV1（檢測部位離端面13mm處），中間部位硬化層6+2mm/500HV1、表面硬度要求56～64HRC，花鍵M值要求71.66～71.74mm。感應淬火要求的長度較長，超過600mm。根據產品的要求和現有設備，我們只有采用掃描淬火，軸在試制過程中出現的問題主要是花鍵變形不合格。經過多次試驗，最終找到一個合適的淬火方法，減少花鍵變形，達到批產合格。
圖1 產品裝夾圖
二、第一次試驗
第一次試驗做6件，熱前花鍵M值要求71.66～71.68mm。實測71.66～71.67mm，熱處理后實測開始點花鍵M值在71.70～71.74mm之間，花鍵能通能止，結束點花鍵M值在71.64～71.67mm，離端面有3～10mm花鍵止不住。硬化層形狀見圖2。
a）中頻開始點 b）中頻結束點
圖 2
三、第二次試驗
熱前花鍵M值要求71.68～71.70mm。這次試驗花鍵是熱前熱后花鍵敲點，做數據對比試驗。經過試驗發現中頻開始的部位花鍵漲0.04～0.08mm，結束點的部位花鍵縮0.01～0.02mm。這樣中頻后的產品開始點花鍵通不進，中頻結束點花鍵合格。檢測開始點M值在71.73～71.76mm之間。結束點M值在71.67～71.68mm之間。檢測見圖3。花鍵淬火在開始點漲，在結束點縮。
a）中頻結束點 b）中頻開始點
圖 3
四、第三次試驗
根據第二次試驗結果，根據圖樣檢測硬化層要求，檢測位置要求從端面13mm開始檢測，根據這個要求可以看出，要求端面可以部分不淬火。根據該要求我們對于花鍵M值在71.68～71.70mm之間的花鍵軸進行第三次試驗，主要是調整開始點淬火位置。同樣做標識測量淬火前后的M值，這樣處理的花鍵，開始點漲0.01～0.035mm，花鍵熱前M值只要在71.68～71.70mm之間，熱后就是合格。硬化層形狀檢測如圖4所示。
a）中頻開始點 b）中頻結束點
圖 4
花鍵熱前M值范圍差控制在0.02mm，對于批量生產有困難，尤其產品又重，批量生產材料淬透性的變化、調質質量的穩定性、感應淬火過程的控制還是會出現花鍵變形超差的產品。根據成品尺寸的要求71.66～71.74mm之間及感應淬火變形數據，開始點花鍵M值在71.65～71.705mm之間，結束點花鍵M值在71.68～71.75mm之間，花鍵過程加工M值控制在0.05～0.07mm之間可以保證，只要標識好，感應淬火按照標識淬火，但是這樣會增加加工過程的難度，因此這個方案不可行。按照第三次試驗工藝，生產了部分產品，每次感應淬火都要用花鍵套檢測花鍵開始點變形。一般先做6件，只要有花鍵不合格就要檢測硬化層，通過調整硬化層深度、硬化層區域來保證變形合格，在工藝上主要是調整加熱時間、加熱始點位置、加熱功率。感應淬火后出現花鍵不合格的主要原因是：熱前尺寸不在要求范圍內、調質質量問題、材料變化。出現不合格品花鍵M值尺寸在71.74～71.75mm之間（根據這個數據熱前M值范圍差可以控制在0.03mm），只要花鍵始點漲量減少0.01mm，熱后花鍵就會全部合格。花鍵采用掃描淬火始點花鍵漲，終點花鍵縮。根據這個現象分析，花鍵從端面開始加熱時在熱應力下膨脹，加熱到淬火溫度后，開始冷卻，在冷卻時熱應力造成尺寸縮小，但由奧氏體轉變為馬氏體組織時，尺寸漲大。在這個過程中組織應力大于熱應力，表現為花鍵漲。如果把花鍵加熱的開始點為離端面一定距離時，花鍵加熱位置改變后，加熱時花鍵尺寸膨脹由于受兩端沒有加熱位置的影響，會減少加熱時的膨脹量，加熱到淬火溫度后，開始冷卻，在冷卻時熱應力造成尺寸縮小，但由奧氏體轉變為馬氏體組織時，尺寸漲大。由于受端面沒有組織轉變的影響，也會降低膨脹量。因此，花鍵改變淬火始點后尺寸變化量是0.010～0.030mm，而不是從端面開始淬火的0.040～0.080mm。產品尺寸較長，采用掃描淬火，到淬上端花鍵時，由于感應淬火硬化層相當于一根管子，其軸向組織應力遠大于橫向組織應力，在加熱的過程中這個硬化管不斷地膨脹，造成花鍵淬火后縮小（主要是組織應力影響大，熱應力影響較小）。根據以上分析對于始點淬火后只有減少漲量，才能保證花鍵變形合格。設備是西門子8402D控制系統，對于很多加熱方式可以控制。考慮端面預熱幾秒（加熱溫度低于850℃），然后停止加熱，停頓幾秒后，再開始加熱。根據這個原理重新制定始點感應淬火工藝，工藝為新工藝一。檢測始點花鍵M值漲量在0.005～0.015mm之間，硬化層形狀見圖5。
圖5 新工藝一金相試塊
這樣試驗了30支，在淬火的過程中，由于端面定位尺寸加工的變化，在淬火時看到端面有過熱的現象（考慮檢測位置在13mm處，不會影響質量）。從開始淬火到結束約4h。工件在箱式回火爐，在150℃回火，到溫保溫2h。第二天工件清理噴丸時看到有13件出現端面剝圈裂紋，見圖6。檢測花鍵變形全部合格。檢測有裂紋的工件主要是端面過熱造成的。
圖6 新工藝一處理
新工藝一處理的花鍵變形全部合格，只要解決了裂紋，這個處理方式就會保證花鍵變形合格，這樣熱前花鍵M值公差可以放大。由于端面定位孔的變化造成裂紋，那么能否采用第三次試驗工藝的加熱位置來減少過熱。還是在新工藝一原位置預熱，停頓幾秒后回到第三次試驗工藝的加熱位置開始加熱，這樣由于端面溫度高，塑性好，加熱時尺寸膨脹可以向端面移動，由于端面溫度高應力小，組織應力可以沿軸向方向釋放，冷卻時組織轉變的應力也可以減少。根據這個思路我們重新優化了始點感應淬火工藝，這個工藝定為新工藝二，檢測漲量在0.010～0.015mm。檢測始點花鍵硬化層形狀見圖7。
圖7 新工藝二金相試塊
按新工藝二同樣處理了30件，回火后檢查沒有裂紋，花鍵變形都合格。新工藝二處理的產品，兩個端面硬化后的顏色及形狀都很類似（圖8與圖3比較）由于漲量減少，只要冷加工尺寸控制與原先一樣，感應淬火后的尺寸都是合格的。圖8與圖6比較，可以發現圖6淬火明顯比圖8的顏色深，端面基本顏色都變化了，說明淬火效果好，也就有裂紋的風險。
圖8 新工藝二處理的始點
通過多次試驗，找出變形的規律及變形的原因，保證了批量生產，減少了公司損失，希望對其他公司有所幫助。
作者：郝豐林
單位：江蘇雙環齒輪有限公司
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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