大型铸钢主轨中频淬火回火工艺

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1 引言 
    主轨是长江三峡水利枢纽工程水下底孔事故门、深孔事故门及电站进水口快速门埋件上的重要组件之一，是水下闸门启闭时滚轮行走时的轨道。这些主轨要承受滚轮由于闸门受水压而产生的巨大压力及行走时的摩擦力，总水压最高达76MN，每个滚轮作用于主轨上的重量高达500t，所以要求主轨有良好的综合力学性能和足够深的表面硬化层。根据设计要求，材质为ZG42CrMo钢，基体硬度为240--260HB，表面有效硬化层深度≥15mm，表面硬度要求300-350HB，不允许有表层裂纹。
    主轨每根长4m，截面为工字梁，硬化工作面宽300mm。因为感应加热面宽，透热层及硬化层深，不允许有淬裂和变形，其热处理难度较大。这对如何选用合适的感应加热设备和淬火冷却介质以及制定出适宜的热处理工艺提出了较高要求。经计算，选用频率为150--250Hz的专用中频板式淬火机床作为加热设备，同时为使淬火后工件的硬度均匀，淬硬层深，变形小，不产生淬火裂纹，不造成环境污染，最终选用PAG类淬火剂，淬火液浓度为14％。

2．试验内容及试验方法
    2.1 中频感应淬火机床参数试验
    (1)试验方法：用中频淬火机床加热主轨(试件)，调整中频淬火机床的电参数，测量主轨加热的温度，找出设备电参数与温度之间的对应关系。
    (2)试验设备：500V／250Hz中频板式淬火机床。
    2.2 主轨表面感应淬火、回火工艺试验
    (1)试验方法：选用符合感应淬火前各项技术指标的主轨(包括调质硬度，探伤检测，变形量等)，通过调整中频感应加热设备的电参数、淬火机床的移动速度及淬火冷却时间来控制主轨表面感应加热的温度，透热深度及淬透深度。
    (2)试验条件：工件材质为ZG42CrMo钢，成分(质量分数)(w％)：0.43C，0.39Si，0.87Mn，1.12Cr，027Mo；调质硬度240--260HB；超声波探伤裂纹；采用WGG2-201型光学高温计、GXW-221非接触式光纤传感测温仪和目测相结合的方法确定温度；采用HLN-11A里氏硬度计和HB300布氏硬度计，分别测定淬火和回火后的硬度。
    (3)试验工件取样方法：为了能准确反映真实工件的技术指标，采用在合格的半成品主轨上取样。经感应处理后，选有代表性部位，用线切割方法取样。试块(剖片)厚度为l5mm，经磨床磨光后进行检测。
3 试验结果与讨论

    (1)中频感应淬火机床参数试验结果见表1，从中可以看出，工件感应加热时的温度与工件移动速度，感应器电压(二次电压)等参数之间有对应关系，同一温度，可以有两种以上的速度-电压组合，这有利于感应加热时对温度均匀性及透热深度的调整。 - I; _- v, }( H; G" ^7 `* m. T

: \! \) Y1 M/ a# n' H: P" u9 W8 S* F. Z- j3 j9 ]3 [! j7 Q3 ^, j& v7 U! @; R. r0 F% t) J; a5 v M! n) d) C- a9 \0 e7 c7 ]8 s0 l, S [) ~! l) [( T3 O; ^& B4 ]1 f+ v2 B; q$ n% x5 e' n! d% w8 F! j& j! n( E9 o0 F0 @: r" Q) h) g) {) J+ L# s- F: k% X. q0 R) h+ d; p$ s% k; J' v# a7 L$ W6 i& O; s; ~* y D, A6 P* q( Q. e5 h0 V+ Y, r0 j1 {: e# ?% n" d, o, {7 x: e! k2 |8 y* [$ U/ o" E6 }3 A+ X# W. T4 T: _/ {: T, G& V0 [# @6 ]; ?+ G, B2 \2 _9 P' a+ u' Q' N H% p7 u, A! z9 E. O9 b% j2 n: f5 r# s* b7 T6 x2 W7 O+ _ K1 ?; S) S1 z5 w6 t5 ~5 Z z# f3 L( E, x& ]

表1 中频感应加热淬火机床各参数间的关系

* i& H# o' n. C: i) S7 E. W 加热温度/℃	移动速度/mm·min-1	二次电压/V	: [1 D2 r( d0 ]' @7 u/ G) {, s 中频功率/kW	0 }- i2 i- n) | 中频频率/Hz	/ O! N; Z. U) o* [, A' \+ q+ c3 x 中频输入电压/V
850～860	100	104.1	200	210	# c7 X* d1 u. H- E& U3 o 570
0 ~% n) r) ]; ]% S( k3 t! K4 q 850～870	100	+ X+ j# V7 R8 b& f/ R& \4 Y! U* n; [ 115.3	& M2 k3 C+ o$ r) Q: C* V3 M 300	225	640
860～880	150	120.5	/ ~5 P; H1 b+ }2 T: o 350	230	650
& n, [- D( m2 [& F1 _ 530～560	# l% l" |& B0 r. T* B3 O, X7 ^ 100	) a1 w4 L) Z/ O1 s 78.2	) D6 b% Q- U7 w- M 100	# g; _2 N6 @" w" w4 ~- K' x 180	430
. Q% V7 h# b& S 560～580	150	' i# o( G/ R8 [1 C 80.2	120	190	460
5 v: a" N9 ]& l 600～650	# h8 p( V9 z. W0 |8 z; P 150	" I v! G* e+ B% b. T 100.3	- d e' u: i0 ^3 A0 J# r' W 200	193	530

m; r/ E# ]' H" x% k3 p

    (2)主轨感应加热淬火试验 主轨感应加热淬火电气参数见表2。由表2可以看出，由于工件有4m的长度，随着感应加热的进行，在工件两端和中间中频设备的频率和功率都有一定范围的波动，引起二次电压及工件加热温度的变化，这与工件加热时的变形(上拱和下弯)有关，它使得工件与感应器之间的间隙发生变化，试验证明，只要保持二次电压的稳定，即可保证淬火温度的基本稳定。

' p/ W& `: o! _* r8 m/ w+ v+ u1 O& o4 |" T" `1 J0 A0 R. D; e' N6 V- M) x, k9 w# h( j0 Z2 B' e+ Y$ a+ h7 ^# G0 I3 V0 B( J' _ i" [3 c* |* O4 j- J) s5 B4 q6 e& B9 e! y7 F4 s$ E* b. P1 Q+ {+ }: F) W( c4 R1 a4 v" o! C3 P% @* Z3 `+ ]% N2 m9 t* ^8 C- e, k- O% v& ?& F7 |7 h) p& q. h/ E; g6 T' G6 ~/ r5 P/ }( H; J- G3 q6 U$ b1 E0 A& c2 Z k. d% I* S. d1 i- x( O# P0 c' U/ }5 j9 o7 ]) t; x; U( \! g* V" r+ `2 y: c! ?$ u* \! \) B0 s: }9 \) w/ T3 M- `3 H8 g+ y7 `0 g) m* J# Y/ H H. F$ u) p- f# `% a5 a; \6 v, N; A9 i- z/ S3 ^- s, S" ]4 ?5 f- @. _

表2 主轨感应加热淬火电气参数间的关系

感应加热电压/V	, R) W" h3 ?* O2 @: h9 ` 中频功率/kW	6 W: _# G( F, `7 F7 A; G7 } 中频频率/Hz	* r# b# ]0 F$ \* r) b% p 中频输电压/V	4 X3 }$ B- \6 v+ {* Y: P4 G/ l 直流电压/V	M$ `9 M' H- A" l 直流电流/kA	加热温度/℃	工件位置
+ ^- [4 y1 A1 m 120.2	285	! g9 ^ ~+ `6 U/ X7 P 210	2 \9 n/ R& U- k5 _7 B 650	% J" m `0 H7 S* c# ] 460	0.71	850～880	% n9 `! @$ c- D) t. n5 w. e 前
120.2	# y l) c7 L, \) v: _ 320	210	9 } _) s8 w+ j, J9 N 660	& K( j' p1 B1 L c 460	0.81	7 B5 ?0 I2 |( H9 n7 b 860～880	& y! W# q* p* e 中
120.1	355	: M" B$ D: J$ q 218	/ w6 Y7 B- G/ c 660	480	0.82	/ D! \; v% u! S1 z/ t: {* f( l 860～880	$ Q4 G6 c4 ^$ R3 ~* K 中
3 i. g( I8 V/ W& P3 x 120.3	$ @# L1 _4 Y; p1 B; b+ r ] 358	220	1 N$ I2 h; @+ ~4 J! m9 @+ w 660	' Z4 ]" D7 B( _, }" I! V7 ~6 n 480	0.85	1 u8 u/ s P+ ]- r- n 850～880	; ]: z5 \/ W0 O6 w/ h0 w/ ]: l! |- |7 R; G 后