摘要：大型回轉(zhuǎn)支承用于風(fēng)力渦輪機(jī)和其他能源工業(yè)設(shè)備，在這些應(yīng)用中，設(shè)備的工作環(huán)境惡劣。為了承受較大的動(dòng)載荷，回轉(zhuǎn)支承輥道可以通過(guò)感應(yīng)加熱進(jìn)行表面硬化，采用無(wú)軟帶工藝，實(shí)現(xiàn)無(wú)軟帶均勻熱處理。與傳統(tǒng)的爐內(nèi)滲碳相比，無(wú)軟帶感應(yīng)淬火速度更快、能耗更低，并已開發(fā)出工藝對(duì)中碳鋼回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行感應(yīng)處理達(dá)到同樣的效果。預(yù)加熱線圈的存在，帶有獨(dú)立的電源，可以調(diào)整加熱速率，以便根據(jù)鋼材特性調(diào)整加熱工藝。預(yù)熱功能保證在不降低掃描速度或生產(chǎn)率的情況下使淬硬層深達(dá)10mm以上。機(jī)械跟蹤系統(tǒng)調(diào)整線圈位置以補(bǔ)償工件的變形，從而確保加熱均勻。對(duì)不同的工藝的淬火區(qū)域，進(jìn)行表面硬度試驗(yàn)和金相檢測(cè)，驗(yàn)證工藝的一致性。通過(guò)預(yù)加熱感應(yīng)器，避免了表面過(guò)熱，在傳統(tǒng)軟帶區(qū)域獲得了細(xì)小而均勻的晶粒組織。
1 序言
本研究的目的是開發(fā)一種適用于中碳鋼大型回轉(zhuǎn)支承的感應(yīng)淬火工藝。通常軸承用鋼主要是高碳鉻鋼、滲碳鋼、中碳合金鋼或特殊用途的其他鋼種。大型回轉(zhuǎn)支承經(jīng)過(guò)表面處理以獲得硬化層。淬硬層可以保證軸承承受高動(dòng)態(tài)載荷。同時(shí)，表面硬化工藝使得未經(jīng)處理的心部具有良好的韌性。淬硬層深度在幾毫米到10mm之間，這取決于軸承尺寸和應(yīng)用。有足夠深的淬硬層是工藝要求必須保證的，以滿足每一個(gè)具體應(yīng)用所需的承載能力。當(dāng)然，也應(yīng)避免淬硬層過(guò)深，因?yàn)榇阌矊由疃冗^(guò)深會(huì)增加淬火期間表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
2 傳統(tǒng)滲碳工藝
滲碳鋼通常用于生產(chǎn)軸承。對(duì)于這種軸承，淬硬層是通過(guò)滲碳工藝獲得的。在高溫、長(zhǎng)保溫時(shí)間的爐內(nèi)進(jìn)行滲碳，不僅能耗高且耗時(shí)長(zhǎng)，而且處理后的材料晶粒粗化。在這種工藝過(guò)程中，馬氏體相變和整個(gè)零件的快速冷卻會(huì)產(chǎn)生很大的變形。由于這些原因，使用低碳鋼制作大尺寸回轉(zhuǎn)支承不能滿足工藝要求。中碳鋼是一個(gè)合適的選擇，當(dāng)進(jìn)行熱處理時(shí)，它們具有良好的成形性，很強(qiáng)的淬透性，良好的導(dǎo)電性和韌性。軸承表面應(yīng)進(jìn)行感應(yīng)淬火，并且必須有足夠的淬硬層深度，以達(dá)到必要的力學(xué)性能。
3 感應(yīng)淬火
與滲碳工藝不同的是，感應(yīng)淬火技術(shù)不需要對(duì)整個(gè)工件進(jìn)行加熱，而是僅對(duì)表層進(jìn)行處理，使心部及其金相組織保持不變，或變形較小。與滲碳相比，感應(yīng)淬火是一種快速、節(jié)能的工藝，它是一種非常通用的加熱方法，可以進(jìn)行局部和表面的均勻硬化。加熱是通過(guò)將導(dǎo)電材料置于通過(guò)感應(yīng)器（通常是水冷銅感應(yīng)器）的高頻交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)中來(lái)完成的。
感應(yīng)加熱的特殊方面是直接在工件產(chǎn)生熱源，即感應(yīng)器產(chǎn)生的磁場(chǎng)在工件表面產(chǎn)生渦流，并通過(guò)材料的阻性（焦耳）加熱需要處理的工件材料。產(chǎn)生的加熱深度與交流電的頻率有關(guān)：頻率越高，渦流滲入深度越淺。感應(yīng)電源的輸出電壓和頻率、加熱時(shí)間、淬火冷卻介質(zhì)、導(dǎo)磁體和感應(yīng)器形狀等與程序控制的全自動(dòng)化設(shè)備組合，完成對(duì)工件的指定區(qū)域加熱，獲得所需的淬硬廓形、淬火硬度和高重復(fù)性。
4 無(wú)軟帶技術(shù)
軸承的工作條件要求整個(gè)圓周環(huán)形輥道表面具有穩(wěn)定的力學(xué)性能及均勻的淬硬層。具有較低表面硬度和機(jī)械強(qiáng)度的軟帶將導(dǎo)致該區(qū)域容易受到磨損，從而形成裂紋形核和擴(kuò)展的特殊區(qū)域。當(dāng)掃描感應(yīng)加熱路徑末端與掃描起點(diǎn)重疊時(shí)，傳統(tǒng)的掃描感應(yīng)加熱工藝會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軟區(qū)，這種重疊會(huì)使已經(jīng)淬火的材料回火。無(wú)軟帶掃描技術(shù)可滿足軸承感應(yīng)淬火消除軟帶的工藝要求。無(wú)軟帶工藝使用兩個(gè)加熱組件，每個(gè)加熱組件配有兩個(gè)感應(yīng)器，分別稱為預(yù)熱感應(yīng)器和加熱感應(yīng)器。每個(gè)感應(yīng)器都有一個(gè)獨(dú)立的電源，可以設(shè)置為加熱工藝所需的功率輸出。這兩個(gè)加熱組件能夠繞著軸承輥道移動(dòng)，每個(gè)組件覆蓋半個(gè)軸承圓環(huán)。預(yù)熱和加熱感應(yīng)器均設(shè)置為與軸承輥道表面平行，并通過(guò)安裝在加熱組件上與感應(yīng)器連接的旋轉(zhuǎn)數(shù)控芯軸，保證感應(yīng)器和輥道在任何情況下平行。每個(gè)噴淋裝置上配備一個(gè)主冷卻噴淋和一個(gè)輔助冷卻噴淋。必須根據(jù)軸承輥道幾何結(jié)構(gòu)專門設(shè)計(jì)感應(yīng)器和冷卻噴淋裝置。主冷卻噴淋提供實(shí)現(xiàn)馬氏體相變所需的快速冷卻，而輔助冷卻噴淋有助于完成相變并將材料冷卻至室溫。
圖1所示為不同工藝步驟中加熱組件的位置。加熱從環(huán)形工件的一個(gè)點(diǎn)開始，兩個(gè)加熱組件彼此靠近，在該區(qū)域加熱過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)在一定范圍內(nèi)帶動(dòng)工件擺動(dòng)，稱為起始區(qū)（見圖1a）。此時(shí)，所有感應(yīng)器緊靠在一起進(jìn)行加熱。當(dāng)起始區(qū)達(dá)到工藝淬火溫度時(shí)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)停止擺動(dòng)，兩個(gè)獨(dú)立的加熱組件朝相反方向移動(dòng)。這時(shí)，主噴淋器打開，開始快速冷卻起始區(qū)表面。在穩(wěn)定掃描模式下加熱時(shí)，每個(gè)加熱組件將圍繞軸承圓周一半的圓環(huán)移動(dòng)（見圖1b）。根據(jù)工藝要求設(shè)置掃描速度和加熱功率，以獲得所需的淬硬層深度。兩個(gè)加熱組件沿著軸承輥道相對(duì)方向移動(dòng)，到達(dá)與起始區(qū)域相對(duì)的位置，該區(qū)域稱為結(jié)束區(qū)域。當(dāng)兩個(gè)加熱組件相互靠近時(shí)，兩對(duì)預(yù)熱感應(yīng)器彼此緊鄰（見圖1c）。此時(shí)，第一加熱組件預(yù)熱感應(yīng)器的電源供電中斷，該預(yù)熱感應(yīng)器從輥道表面移開。移開一個(gè)感應(yīng)器為兩個(gè)加熱組件創(chuàng)造了更近的加熱空間。當(dāng)?shù)诙€(gè)加熱組件的預(yù)熱感應(yīng)器與第一個(gè)加熱組件的加熱感應(yīng)器相鄰時(shí)，再次關(guān)閉第二個(gè)預(yù)熱感應(yīng)器的電源，同時(shí)該感應(yīng)器離開輥道表面。第二個(gè)預(yù)熱感應(yīng)器覆蓋的輥道表面，隨后由兩個(gè)相互靠近的加熱感應(yīng)器進(jìn)行加熱（見圖1d）。當(dāng)兩個(gè)加熱感應(yīng)器彼此相鄰靠到最近時(shí)，電源關(guān)閉，并快速移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)平臺(tái)，使其中一個(gè)輔助淋浴器覆蓋最后一個(gè)加熱輥道部分。感應(yīng)器和輥道表面之間的間隙恒定是獲得均勻加熱模式的基礎(chǔ)。
圖1 加熱過(guò)程感應(yīng)器位置
淬火過(guò)程的快速冷卻和馬氏體轉(zhuǎn)變?cè)诖阌矊又挟a(chǎn)生應(yīng)力，這些應(yīng)力將導(dǎo)致軸承產(chǎn)生形變，使感應(yīng)器與輥道之間的間隙在加熱過(guò)程中發(fā)生變化。為了避免這種情況，采用了機(jī)械跟蹤系統(tǒng)。每個(gè)加熱組件都配有跟蹤裝置，跟蹤裝置與輥道表面保持接觸。當(dāng)加熱組件圍繞軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)，跟蹤系統(tǒng)測(cè)量軸承表面位置的變化并補(bǔ)償感應(yīng)器位置，以保持間隙恒定。
5 42CrMo4 中碳鋼
我們已針對(duì)42CrMo4、50CrMo4和100Cr6三種不同的鋼材開發(fā)了無(wú)軟帶工藝。在這些鋼種中，42CrMo4鋼是最難處理的，因?yàn)樗枰叩睦鋮s速度才能得到完全的馬氏體轉(zhuǎn)變。本文列舉出了42CrMo4鋼工藝開發(fā)的結(jié)果。42CrMo4鋼是一種十分適合感應(yīng)表面硬化的材料，可制作要求具有良好沖擊韌度、耐磨性和抗疲勞性的零件。當(dāng)熱處理時(shí)，如果采用足夠的冷卻速度，42CrMo4鋼硬度可達(dá)到62HRC。如圖2所示，必須達(dá)到40℃/s的冷卻速度，以獲得完全轉(zhuǎn)變的馬氏體晶粒組織。
圖2 42CrMo4鋼連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變圖
圖2中，冷卻曲線尾部的數(shù)字是冷卻后的硬度值，＜200的為HRC，≥200的為HV；貝氏體B、鐵素體F、珠光體P區(qū)域的數(shù)字為冷卻后相應(yīng)的金相組織中非馬氏體組織百分比。
保證完全馬氏體相變的淬硬層深度不僅取決于冷卻條件，還取決于鋼的淬透性和加熱特性。當(dāng)要求淬硬層深度較深時(shí)，淬透性是一個(gè)重要指標(biāo)。在鐵碳體系中，淬透性取決于合金元素的含量。一些合金元素，如錳和鎳，可以在奧氏體晶界處分離，促進(jìn)馬氏體的形成。在大型軸承的表面感應(yīng)加熱中，加熱時(shí)間為數(shù)十到數(shù)百秒，Ac1和Ac3的溫度將略高于平衡值。另外，從表面到零件心部會(huì)有一個(gè)溫度梯度，為了使加熱溫度達(dá)到所需的淬硬層深度，表面的溫度應(yīng)該更高。
6 工藝開發(fā)
大型軸承套圈的感應(yīng)淬火存在一些難點(diǎn)，因此必須為每個(gè)特定的軸承輥道的形狀和尺寸制定工藝參數(shù)、感應(yīng)器和噴淋裝置。輥道幾何結(jié)構(gòu)通常要求不同的淬火冷卻強(qiáng)度。感應(yīng)器上裝有導(dǎo)磁體，在需要較高功率的地方聚集磁力線，提高工件上的感應(yīng)功率。在每個(gè)加熱組件上使用兩個(gè)感應(yīng)器，可以在保證要求的淬硬層的基礎(chǔ)上，保持較快的掃描速度。掃描速度為1mm/s時(shí)，可達(dá)到10mm以上的淬硬層深度。該掃描速度保證加熱工件的表面在被噴淋冷卻之前，表面溫度不會(huì)冷卻。1～5kHz的加熱頻率最適合于深淬硬層的要求。穩(wěn)定掃描過(guò)程中每個(gè)預(yù)熱感應(yīng)器的電源輸出已設(shè)置為將表面溫度加熱到920～970℃。對(duì)于加熱感應(yīng)器，電源輸出設(shè)置為保持表面溫度，并通過(guò)熱傳導(dǎo)使熱量到達(dá)所需深度。主噴淋和輔助噴淋裝置安裝在加熱組件上，保證在淬火過(guò)程中淬火冷卻介質(zhì)覆蓋工件的整個(gè)輥道長(zhǎng)度。正確選擇淬火冷卻介質(zhì)聚合物濃度和溫度，以避免工件在淬火過(guò)程中形成裂紋。
起始區(qū)和結(jié)束區(qū)需要特定的工藝參數(shù)。在起始區(qū)，冷卻的第一步僅在主噴淋間進(jìn)行，以避免與輔助噴淋間相互干擾。在加熱組件離開起始區(qū)數(shù)十毫米后，起動(dòng)輔助噴淋，穩(wěn)定掃描區(qū)域沿輥道圓周方向以相同參數(shù)進(jìn)行。在結(jié)束區(qū)域，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)預(yù)熱線圈從支承面移開時(shí)，由于只剩下一個(gè)感應(yīng)器來(lái)加熱半圓周的其余部分，因此相應(yīng)加熱組件的掃描速度必須降低。當(dāng)?shù)诙€(gè)預(yù)熱感應(yīng)器移開時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的情況。掃描速度的這些變化在被主噴淋冷卻的加熱材料中產(chǎn)生延遲，但這并沒有導(dǎo)致貝氏體和其他非馬氏體相變組織的形成。由于在起始區(qū)和結(jié)束區(qū)存在這些挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，在這些區(qū)域進(jìn)行冶金和機(jī)械檢測(cè)時(shí)需要特別小心。
7 工藝驗(yàn)證結(jié)果
通過(guò)測(cè)量淬硬層深度和表面硬度，評(píng)估沿輥道圓周淬硬層的均勻性。這兩種技術(shù)指標(biāo)是衡量工件在工作條件下機(jī)械特性的基礎(chǔ)。采用無(wú)損檢測(cè)（NDT）方法對(duì)工件表面進(jìn)行檢測(cè)，即采用超聲波檢測(cè)裝置對(duì)淬硬層深度進(jìn)行了測(cè)量，表面硬度的測(cè)量是用配備了一個(gè)LEEB-DL探針的便攜式硬度計(jì)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)ASTM E140標(biāo)準(zhǔn)，用里氏硬度計(jì)測(cè)量的硬度值需換算成洛氏硬度。在輥道中心測(cè)量淬硬層深度和表面硬度。通過(guò)對(duì)首次加熱試驗(yàn)的軸承套圈圓弧段進(jìn)行測(cè)量，并與破壞性檢測(cè)方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了非破壞性檢測(cè)方法的有效性。對(duì)輥道表面拋光，以去除氧化層，再進(jìn)行超聲波淬硬層深度測(cè)量和表面硬度測(cè)量，然后用帶鋸切割樣品并進(jìn)行酸蝕（酸的濃度為3%），以顯現(xiàn)淬硬層廓形。然后，用研磨機(jī)研磨樣品，并將其嵌入在酚醛樹脂中。
試樣制作包括加熱過(guò)程，將溫度升高到160℃，樣品由自動(dòng)拋光機(jī)用砂紙拋光，然后用1μm級(jí)金剛石拋光布進(jìn)行試件拋光。在垂直于表面位置進(jìn)行維氏硬度測(cè)量，以測(cè)量有效淬硬層深度。根據(jù)ASTME140標(biāo)準(zhǔn)，在距離表面0.4mm深度處的維氏硬度測(cè)量值需轉(zhuǎn)換為洛氏硬度值，這些測(cè)量值已用Leeb探頭進(jìn)行校準(zhǔn)。用3%濃度的硝酸蝕刻試件，然后用光學(xué)顯微鏡觀察。
在起始區(qū)和結(jié)束區(qū)，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法，沿輥道周長(zhǎng)方向每10mm測(cè)量一次檢查點(diǎn)的淬硬層深度和表面硬度。在穩(wěn)定掃描區(qū)域，除起始區(qū)域和結(jié)束區(qū)域外，每100mm圓弧上測(cè)量一次。
輥道中心檢查的測(cè)量結(jié)果：超聲裝置在起始區(qū)和結(jié)束區(qū)測(cè)量的淬硬層深度如圖3所示：
圖3 起始區(qū)和結(jié)束區(qū)的淬硬層深度
掃描區(qū)域的淬硬層深度如圖4所示，從圖中可知獲得了良好的工藝一致性，當(dāng)平均淬硬層深度值為10mm時(shí)，沿圓周方向的淬硬層深度變化約為±2mm：
圖4 穩(wěn)定區(qū)的淬硬層深度
用Leeb-DL探針測(cè)量并轉(zhuǎn)換成洛氏硬度的起始區(qū)和結(jié)束區(qū)的表面硬度如圖5所示：
圖5 起始區(qū)和結(jié)束區(qū)的表面硬度
穩(wěn)定掃描區(qū)域的表面硬度如圖6所示。用Leeb法測(cè)量的表面硬度在58～62HRC，其值與中碳鋼良好的淬透性相匹配。一些超出此范圍的測(cè)量值可能是由于Leeb儀器的精度和測(cè)量方法的重復(fù)精度造成的。在起始區(qū)和結(jié)束區(qū)沒有軟帶，這是由于處理這兩個(gè)區(qū)域時(shí)加熱功率均勻性好，冷卻噴淋設(shè)計(jì)合理，冷卻參數(shù)設(shè)置正確。
圖6 穩(wěn)定區(qū)的表面硬度
分析最關(guān)鍵工藝區(qū)域的顯微組織，如起始區(qū)和結(jié)束區(qū)。在這些區(qū)域，為了獲得與穩(wěn)定掃描區(qū)域相當(dāng)?shù)拇阌矊由疃龋枰獙?duì)表面進(jìn)行輕微的過(guò)熱處理。在處理這些區(qū)域時(shí)達(dá)到最高表面溫度，表面被加熱到1050℃，可能產(chǎn)生晶粒粗化。盡管過(guò)熱，顯微組織仍然是細(xì)晶粒。
在圖7a中，測(cè)量了結(jié)束區(qū)域最熱部分表面的晶粒度。根據(jù)ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)，平均晶粒度為8.5級(jí)。這種晶粒度與穩(wěn)定掃描區(qū)域測(cè)量的晶粒度相當(dāng)。根據(jù)ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)，在起始區(qū)和結(jié)束區(qū)發(fā)現(xiàn)最大晶粒度為8級(jí)。在掃描速度發(fā)生變化的端部區(qū)域位置檢查顯微組織，以驗(yàn)證奧氏體是否完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。在圖7b中，顯示的馬氏體顯微組織中沒有可見貝氏體或非馬氏體相變組織。
圖7 結(jié)束區(qū)的馬氏體組織
8 結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)用無(wú)軟帶工藝對(duì)大型回轉(zhuǎn)支承感應(yīng)加熱表面硬化，避免形成軟區(qū)。采用42CrMo4鋼制造的軸承經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的感應(yīng)器加熱淬火處理，所需的高冷卻速度是通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)冷卻噴淋器和設(shè)置適當(dāng)?shù)睦鋮s工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)感應(yīng)淬火處理后的材料特性進(jìn)行了驗(yàn)證。
機(jī)械特性和冶金分析表明，該工藝使加熱和淬火具有很好的一致性，淬火處理后，輥道具有均勻的淬硬層深度和沿輥道圓周方向的表面硬度。在關(guān)鍵的起始區(qū)和結(jié)束區(qū)，淬硬層深度和表面硬度與穩(wěn)定掃描區(qū)的結(jié)果一致。淬硬層深度達(dá)10mm，表面沒有過(guò)熱。根據(jù)ASTM E112標(biāo)準(zhǔn)，在輥道起始和結(jié)束區(qū)域獲得了一個(gè)細(xì)晶粒組織，最粗晶粒度為8級(jí)，淬火表面無(wú)貝氏體或非馬氏體相變組織。
