轮毂轴承内法兰盘淬火工艺优化

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-04-24 09:23 热度：

　　摘要: 对 55 钢轮毂轴承内法兰盘感应加热淬火工艺进行了试验优化，研究了淬火液浓度、电流频率、功率时间比、淬火液流量等因素对淬硬层表面硬度和组织的影响。结果表明，随着淬火液浓度的降低和加热功率的增加，淬硬层表面硬度逐渐升高，在一定范围内，淬火液流量和淬火频率对淬硬层表面硬度影响不显著。淬火液浓度过低会导致淬火开裂风险增加，加热功率升高会导致淬硬层表面马氏体粗大。淬火液浓度 5% ，加热功率 169 kW，加热时间 5. 6 s，淬火频率 15 kHz，淬火液流量 80 L /min 为最优工艺参数。

　　关键词: 轮毂轴承; 感应淬火; 马氏体; 淬硬层; 硬度

　　在第三代轿车轮毂轴承的设计制造中，钢球和小内圈常采用 GCr15 轴承钢，其热处理后表面硬度可达到 63 ～ 65 HRC，从热处理设备、工艺参数、质量分析等方面进行了较多研究，相对较为成熟[1-5]。而内法兰盘为了保持较高表面硬度和良好心部韧性，并考虑经济性，常选用 65Mn、70、55 钢。因其形状复杂，不同区域对淬火深度、硬度要求不同，对热处理工艺要求较高。目前，对这 3 种材料用于轮毂轴承内法兰的感应淬火研究不多，许佩宜等对 70 钢的内法兰盘的淬火进行了工艺研究[6]，闫野等对 55 钢与 S55C 钢丝杠的淬火工艺进行了对比研究[7]。生产实践表明，相比于 65Mn 和 70 钢，55 钢的感应淬火硬度会偏低。本文以某型号三代轮毂轴承内法兰盘为研究对象，在前期研究基础上，以硬度为主要指标，对 55 钢的内法兰盘淬火工艺进行优化研究。

　　1 技术要求

　　三代轮毂轴承内法兰盘如图 1( a) 所示，其表面需要进行淬火的区域如图 1( b) 所示，其中，A 处为法兰盘台肩，B 处为与密封圈配合处，C 处为与钢球接触的滚道，D 处为与小套圈装配台肩，E 处为与小套圈配合面，各区功能不同对淬火要求也有区别。对于关键的 C 区，研究表明，滚道淬硬层深度在 2 mm 左右时疲劳寿命最好，滚道硬度应比滚动体低 2 HRC 左右[8]，各区域具体要求见表 1。

　　某型三代轮毂轴承内法兰材料为 55 钢，其主要化学成分用 ARL3460 直读光谱仪实测值见表 2。基体采用调质处理，组织为回火索氏体，硬度范围在 230 ～ 260 HBW10 /3000。

　　2 试验方案

　　本次工艺优化时，根据前期研究及现场经验，对于部分已掌握的影响因素不做研究，选用 PAG 淬火液，保持淬火液压力 0. 5 MPa，冷却时间 12 s，淬火能量 945 kW·s 不变。选取淬火功率与时间比值作为变量因素之一( 取值见表 3) ，加上淬火液浓度( 质量 分数) 、淬火频率、淬火液流量共四因素，每个因素三水平，忽略交互作用影响，采用 L9 ( 34 ) 正交试验，淬火后采用固定方案进行回火，试验方案见表 4。

　　由单人、单机、同工位、同感应器，同型号同批次产品进行感应淬火回火试验，淬火设备为国产某型号中频感应淬火机，机床最大功率 200 kW。回火在网带式连续回火炉上进行。

　　为降低误差，每组试验取 5 件样品，取 5 组的平均值作为该组试验值进行分析。样品经切样、磨抛、腐蚀后制成试样进行观察、测试分析。按标准操作程序采用 200HRS-150 洛氏硬度计( 精度 0. 1 HRC) ，测试各区域淬火、回火硬度，检测位置在距表面 1 mm 处。采用 Axio Vert. A1 金相显微镜观察组织形貌，采用 MH5l 测量淬硬层深度。

　　3 试验结果与分析

　　3. 1 淬硬区轮廓及淬硬层深度

　　经观察，所有样品淬硬区宏观轮廓清晰，无微观裂纹，9 组试验方案的轮廓没有明显区别，典型轮廓见图 2，可以看到，淬硬层覆盖了关键位置 A ～ E，边界尚清晰，有约 0. 2 mm 过渡区，过渡区与基体调质及冷却方式有关，一般认为过渡层过小或过大对滚道耐疲劳性能均不利，但目前尚未形成明确控制标准，倾向于较小的过渡层，本文不对过渡区大小进行研究。经测量，9 组试验方案的淬硬层深度均能满足技术要求，且相差不大，这是因为淬火能量不变的结果。

　　3. 2 淬硬区硬度

　　按前述试验方案及测量方法，得到淬火及回火后各区域硬度。限于篇幅，本文只列出最为关键的 C 区( 滚道) 硬度( 其余各区硬度变化规律与 C 区一致，且与 C 区较为接近) ，结果见表 5。使用 Minitab 做田口分析得均值-效应图( 见图 3) 。

　　从图 3 中可看出:

　　1) 淬火液浓度对硬度影响最为显著，在清水、5%和10%浓度时，硬度均值分别为63. 9、62. 7 和 61. 7 HRC。淬火液浓度越高，冷却效果越差，淬火后硬度越低。反之，浓度越低，淬火硬度越高，但淬后开裂风险增加。为进一步分析淬火液浓度的影响，对所选某品牌 PAG 淬火液，按 ISO 9950: 1995 标准测试不同浓度淬火液 ( 40 ℃时) 的冷却速度，如表 5 所示，可以看出，清水具有最大的最大冷速和 300 ℃冷速值，故淬火硬度最高， 10% 浓度时最大冷速和 300 ℃ 冷速值均最低，故淬火硬度最低。5% 浓度具有适中的最大冷速和 300 ℃ 冷速值，硬度居中，开裂风险相对较小。结合前期残余应力及裂纹分析研究结果，淬火液浓度取 5% 较为合适。

　　2) 淬火液流量对淬硬层硬度影响不显著。流量太小，影响冷却效果降低，前期研究表明低于 50 L/min 时，工件表面温度过高易产生自回火。在本次优化所选范围内，流量从 80 L /min 到 120 L /min，硬度变化 < 0. 1 HRC，从 节 能 的 角 度，选 择 80 L /min 较 为合适。

　　3) 在淬火总能量一定的情况下，淬火功率时间比对硬度有明显影响，功率时间比越高，硬度越高。功率时间比从 20、30 到 41，硬度提高了约 0. 6 HRC，仅从硬度考虑选取 41 的功率时间比更好，此时选用功率为 197 kW，已接近机床功率上限。

　　4) 淬火频率对淬硬层硬度影响不明显。淬火频率从 15、16 到 17 kHz，硬度变化 < 0. 1 HRC。但电流频率过低时，会使用高的功率密度，此时感应器上的载流密度高，容易造成感应器损坏。频率越高时，电流的集肤效应越强，加热层越趋向金属表面，因此淬硬层深度越浅。基于前期研究，在本次优化试验频率范围内，淬硬层深度都能满足技术要求，综合考虑，选取偏低的淬火频率 15 kHz 更合适。

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　　此外，无论 55 钢淬火硬度多大，在本试验回火条件下，回火后淬硬层硬度均稳定下降约 2. 5 HRC 左右，硬度下降值符合控制标准。

　　3. 3 显微组织分析

　　观察发现，9 组试验得到滚道 C 处的显微组织有区别，其中，1、6、8 组( 对应功率时间比 20) 试验得到的组织类似，为细马氏体，按 JB /T 9204—2008《钢件感应淬火金相检测》，在 400 倍下评级为 5 级淬回火马氏体，见图 4( a) 。2、4、9 组( 对应功率时间比 30) 试验得到的组织类似，为较细马氏体，在 400 倍下评级为4 级淬回火马氏体，见图 4( b) 。3、5、7 组( 对应功率时间比 41) 试验得到的组织类似，其马氏体针粗大，在 400 倍 下 评 级 为 3 级淬回火马氏体，如 图 4 ( c) 。由于加热能量不变，加热功率越高的产品，加热时间就越短，由表面向内部的热量传导越少，表面集肤效应强，导致表层淬火温度过高，故马氏体针粗大，此时淬硬层硬度增加，淬裂的风险增大，耐磨性、冲击性能下降，JB /T 9204—2008 标准要求 3 ～ 7 级合格，为避免过热倾向，将功率时间比从 41 /1 调整为 30 /1 较为适宜，对应机床功率 169 kW，淬火时间 5. 6 s。

　　4 结论与展望

　　1) 55 钢内法兰盘淬火优化工艺参数为: PAG 淬火液( 浓度 5% ) ，淬火液压力 0. 5 MPa，冷却时间 12 s，淬火能量 945 kW·s，功率 169 kW，时间 5. 6 s，淬火频率 15 kHz，150 ℃ 回火 90 min。使用该组参数进行连续生产，产品淬硬层深度、表面硬度、显微组织等基本能满足技术要求，且设备性能得到了充分利用，硬度> 60 HRC，但仍低于 65Mn 钢淬火后的硬度，这可能与材料本身有关。

　　2) 随着产品质量要求的提高和技术的进步，未来可从以下几方面进一步优化 55 钢轮毂轴承淬火工艺: ①采用高效率淬火机床和感应器，提高热效率; ② 采用感应回火工艺，降低整体回火时间。——论文作者：熊 伟1，2 ，杨 阳3 ，梅 松3 ，张 文1

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文章名称：轮毂轴承内法兰盘淬火工艺优化

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