常州精密钢管博客

城轨车辆扭力杆感应加热穿透淬火

扭力杆是应用在汽车、客车及地铁车辆上控制平衡的关键部件,能够有效的减缓车辆运行时车体由于受到轨道不平顺和其他外界的激扰而产生的侧滚力,同时用于保证车体与转向架之间的横向和垂向之间的连接刚度,提高旅客乘坐的舒适度,并将车辆限制在包络线内。扭力杆是抗侧滚装置中的主要受力部件,一般汽车扭力杆热处理工艺为表面中频感应淬火和回火处理,其表面淬硬层深度≤直径的25%,而城轨车辆扭力杆属于长杆类变径轴,直径变化在φ50~φ70mm之间,要求扭力杆整体淬硬,且性能均匀性较好。城轨车辆扭力杆传统的热处理工艺一般采用井式电阻炉进行整体淬火、回火,热处理完成后变形量较大(7~15mm),需要反复校直和去应力回火处理,产品生产周期长,热处理后精加工困难,造成加工周期较长,制造成本较高。


为实现城轨车辆扭力杆的高效生产,本文在传统的城轨车辆扭力杆调质热处理工艺和汽车扭力杆的中频感应淬火和回火的变形量控制严格的工艺基础上,通过对中频感应淬火参数的设计选择,进行了城轨车辆扭力杆中频感应淬火、回火热处理试验,满足了产品性能要求,并减少了变形量和加工量。


1.试验方案


(1)试验材料及技术要求

本试验采用扭力杆本体作为试件,试件尺寸规格见图1,成分满足表1。试验前试件经锻造后半精加工成型。

试件的化学成分符合表1。

化学成分(质量分数)(%

C

Si

Mn

Cr

V

Mo

0.480.56

0.40

0.701.10

0.901.20

0.100.20

0.30

热处理后,试件力学性能指标符合表2。

2  力学性能指标

(2)理论依据和试验方案

根据感应加热原理,电流频率越高,感应加热集肤效应约明显,不利于截面穿透加热,但频率过低会降低电效率。因此,要两者兼顾,合理选择。感应加热频率可根据下列公式选择:

式中  f ——电流频率,Hz

         ρ ——工件热态电阻率,Ω·m

         D——工件直径,m

       μr——相对磁导率,H/m


按以上理论依据,为实现扭力杆穿透淬火,选用中频频率1~5kHz的电源设备和立式淬火机床,采用环形感应器和环形冷却器。选择A、B、C三种感应淬火试验方案,具体工艺参数见表3。感应淬火完成后,试件在电阻炉内回火。然后,检测试件的力学性能、组织和变形量。

3    试验方案ABC的工艺参数

试验方案

电流频率/kHz

加热功率/kW

感应器移动速度/mm·min-1

淬火冷却介质压力/MPa

A

35

2030

90110

0.51

B

35

2232

50~90

12

C

24

2535

30~50

12


2.试验结果及数据分析


(1)试验结果

按试验方案A、B、C淬火、回火后,对试件进行检测。试验方案A、B、C热处理后试件的力学性能见表4、表5、表6。

4     试验方案A力学性能(未回火)

检测直径/mm

表面硬度HRC

心部硬度HRC

变形量/mm

φ50

60

56

3

φ70

50

30

5    试验方案B力学性能(回火后)

检测

直径/mm

抗拉强度/MPa

屈服强度/MPa

伸长率(%)

断面收缩率(%

冲击功KU25mm/J

  硬度HRC

 变形量

  /mm

φ50

1453

1315

7.5

34

13

47

2mm

φ70

1534

1372

8.5

44

10

48

6    试验方案C力学性能(回火后)

检测

直径/mm

抗拉强度/MPa

屈服强度/MPa

伸长率(%)

断面收缩率(%

冲击功KU25mm/J

  硬度HRC

 变形量

  /mm

φ50

1612

1363

8.5

36

14

46

3mm

φ70

1603

1389

8.5

33

12

46

试验方案A心部硬度不合格,故只对试验方案B、C热处理后试件的进行金相组织检测,见图2、图3。

φ50mm和φ70mm晶粒度均为8级,φ50mm位置处组织为回火马氏体+未溶铁素体,φ70mm位置处组织为回火马氏体


φ50mm和φ70mm晶粒度均为8.5级,组织均为针状回火托氏体。


(2)数据分析

方案A的试验,试件在φ70mm处心部硬度低于标准值,表明在此种加热条件下心部未能达到奥氏体化的温度,淬火时未达到淬硬效果,说明在大截面位置的加热时间不足。


方案B的试验,试件在φ50mm处力学性能中强度明显偏低,组织中存在未溶铁素体相,是由于加热时间或加热温度不足,导致心部组织不能完全奥氏体化,从而出现了先未溶解的铁素体相。


方案C的试验,在方案B的试验参数下,适当降低了感应电流的频率和加热移动速度,并增加了加热功率和淬火介质的压力,试件在φ50mm、φ70mm处力学性能和组织均满足了技术要求,变形量也较小,证明其工艺参数是可行的。


3.结语


(1)采用中频频率范围2~4kHz感应加热电源,可以有效实现城轨车辆扭力杆的穿透淬火。


(2)调整中频加热功率和移动速度可以有效解决变截面扭力杆的性能和组织均匀性问题,从而获得低变形量的热处理产品。


(3)感应加热穿透淬火加回火可替代传统的调质热处理工艺,实现城轨车辆扭力杆生产效率的大幅度提升。

作者:张旭东

单位:株洲九方热表技术有限公司

来源:《金属加工(热加工)》杂志





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