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大型鑄鋼主軌中頻淬火回火工藝的一些問題

2019-02-15 15:33:23      點擊:
摘要:介紹了確定大型42CrMo鑄鋼主軌(300mm寬)中頻感應加熱淬火及回火工藝的試驗過程。通過控制設備的功率、頻率、二次電壓及工件的移動速度,使主軌透熱層深>30mm.選用合理的淬火劑,防止了主軌的開裂和變形,使有效硬化層深達22—26mm。確定后的工藝已成功應用于長江三峽大壩及電站主軌的表面感應熱處理。
1 引言
主軌是長江三峽水利樞紐工程水下底孔事故門、深孔事故門及電站進水口快速門埋件上的重要組件之一,是水下閘門啟閉時滾輪行走時的軌道。這些主軌要承受滾輪由于閘門受水壓而產生的巨大壓力及行走時的摩擦力,總水壓最高達76MN,每個滾輪作用于主軌上的重量高達500t,所以要求主軌有良好的綜合力學性能和足夠深的表面硬化層。根據設計要求,材質為ZG42CrMo鋼,基體硬度為240--260HB,表面有效硬化層深度≥15mm,表面硬度要求300-350HB,不允許有表層裂紋。
主軌每根長4m,截面為工字梁,硬化工作面寬300mm。因為感應加熱面寬,透熱層及硬化層深,不允許有淬裂和變形,其熱處理難度較大。這對如何選用合適的感應加熱設備和淬火冷卻介質以及制定出適宜的熱處理工藝提出了較高要求。經計算[1],選用頻率為150--250Hz的專用中頻板式淬火機床作為加熱設備,同時為使淬火后工件的硬度均勻,淬硬層深,變形小,不產生淬火裂紋,不造成環境污染,最終選用PAG類淬火劑[2],淬火液濃度為14%。
2 試驗內容及試驗方法
2.1 中頻感應淬火機床參數試驗
(1)試驗方法:用中頻淬火機床加熱主軌(試件),調整中頻淬火機床的電參數,測量主軌加熱的溫度,找出設備電參數與溫度之間的對應關系。
(2)試驗設備:500V/250Hz中頻板式淬火機床。
2.2 主軌表面感應淬火、回火工藝試驗
(1)試驗方法:選用符合感應淬火前各項技術指標的主軌(包括調質硬度,探傷檢測,變形量等),通過調整中頻感應加熱設備的電參數、淬火機床的移動速度及淬火冷卻時間來控制主軌表面感應加熱的溫度,透熱深度及淬透深度。
(2)試驗條件:工件材質為ZG42CrMo鋼,成分(質量分數)(w%):0.43C,0.39Si,0.87Mn,1.12Cr,027Mo;調質硬度240--260HB;超聲波探傷裂紋;采用WGG2-201型光學高溫計、GXW-221非接觸式光纖傳感測溫儀和目測相結合的方法確定溫度;采用HLN-11A里氏硬度計和HB300布氏硬度計,分別測定淬火和回火后的硬度。
(3)試驗工件取樣方法:為了能準確反映真實工件的技術指標,采用在合格的半成品主軌上取樣。經感應處理后,選有代表性部位,用線切割方法取樣。試塊(剖片)厚度為l5mm,經磨床磨光后進行檢測。
3 試驗結果與討論
(1)中頻感應淬火機床參數試驗結果見表1,從中可以看出,工件感應加熱時的溫度與工件移動速度,感應器電壓(二次電壓)等參數之間有對應關系,同一溫度,可以有兩種以上的速度-電壓組合,這有利于感應加熱時對溫度均勻性及透熱深度的調整。
表1 中頻感應加熱淬火機床各參數間的關系
表1 鉻鉬合金鑄鐵的化學成分 w(%)
C Si Mn S P Cr Mo
3.36 2.34 0.87 0.12 0.053 0.87 0.39
(2)主軌感應加熱淬火試驗 主軌感應加熱淬火電氣參數見表2。由表2可以看出,由于工件有4m的長度,隨著感應加熱的進行,在工件兩端和中間中頻設備的頻率和功率都有一定范圍的波動,引起二次電壓及工件加熱溫度的變化,這與工件加熱時的變形(上拱和下彎)有關,它使得工件與感應器之間的間隙發生變化,試驗證明,只要保持二次電壓的穩定,即可保證淬火溫度的基本穩定。
表2 主軌感應加熱淬火電氣參數間的關系
表1 鉻鉬合金鑄鐵的化學成分 w(%)
C Si Mn S P Cr Mo
3.36 2.34 0.87 0.12 0.053 0.87 0.39
注:工件移動速度為150mm/min,透熱深度為30mm。
圖1、2為主軌感應加熱淬火后經線切割取樣后的硬度梯度分布。由上述結果可以看出,淬硬層深度在極限硬度[3]44HRC處計算,則軌道中心有效硬化層深度為26mm,距中心50mm處有效硬化層深度為22--24mm,經探傷檢測無淬火裂紋。根據文獻[4]及試驗證明,淬硬層越深越易引起工件的橫向開裂及變形,原因是淬硬層淺表層以相變應力為主,淬硬層深超過3mm則表層可能以熱應力為主。為了減小工件的開裂與變形,加熱后噴淋冷卻至工件表面溫度約150—200C即可,讓余熱產生一定的自回火,實踐證明這對防止工件的開裂和變形是有效的。
(3)主軌的感應加熱回火試驗 主軌感應加熱回火電氣參數見表3。與感應加熱淬火時一樣,工件兩端與中間的電參數有一定波動,為了使回火盡量充分,工件移動速度由淬火時的150mm/min降至100mm/min,設備的頻率也在200Hz以下。
表3 主軌感應加熱回火電氣參數間的關系
表1 鉻鉬合金鑄鐵的化學成分 w(%)
C Si Mn S P Cr Mo
3.36 2.34 0.87 0.12 0.053 0.87 0.39
注:工件移動速度為100mm/min,透熱深度為30mm。
工件經線切割后的硬度梯度分布見圖3、4。從以上結果可以看出,經感應加熱淬火及回火后,主軌中心有效回火層硬度為26mm,距中心兩側50mm處有效回火層深度為18-22mm;滿足設計的技術要求。感應回火時,設備頻率的降低及工件移動速度的減慢,有利于充分回火,從圖4中可看出回火后硬度梯度變化均勻,經探傷檢測未發現裂紋,工件變形也在允許范圍之內。
4 結論
(1)采用中頻板式淬火機床.選用150-200Hz的頻率,可使300mm寬的主軌表面透熱深度>30mm。
(2)選用PAG類的水溶性淬火劑,使用濃度取14%,可使淬硬層深達到22-26mm,無裂紋,變形小。
(3)中頻感應表面加熱,可通過控制電參數及工件移動速度控制,加熱溫度及透熱深度。本工件淬火時取二次電壓115-125V,工件移動速度為150mm/min,此時加熱溫度為850-880℃;回火時,二次電壓控制在78-82V之間,工件移動速度為100mm/min,此時工件溫度為560-580℃。
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