拖拉机制动器压盘高频感应淬火工艺研究

作者:李瑞卿,孔春花,张沈洁,马戈,刘进营

单位:第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所

来源:《金属加工(热加工)》杂志


制动性能是拖拉机非常重要的安全指标,制动性能不合格是拖拉机的重大质量问题。常见的现象有制动距离超差和制动跑偏,个别拖拉机在坡道上不能驻车、失控溜坡。制动性能达不到要求可能危及驾驶员与第三者的生命安全。

解决拖拉机的制动性能长期以来存在的关键问题,必须对其主要零部件进行基础研究。而大中型轮式拖拉机一般都采用盘式制动器。盘式制动器中的一种重要零件——制动器压盘,其加工质量,尤其是耐磨性能,对拖拉机的制动性能影响尤为显著。

目前,提高制动器压盘锥窝耐磨性能的主要方法为表面感应淬火,主要存在以下问题:感应器仿形性差、淬火工艺难控制。由于制动器压盘锥窝形状小而不规则,给感应器的制作带来很大困难,目前的感应器多为“一字形”,窝头一侧涂覆上导磁粉,这种感应器仿形性差,加热效率低,从而导致表面硬度不足、淬硬层分布不均匀,若加热时间过长则容易过烧甚至烧熔。

1.试验材料及技术要求

试验用零件为我公司某型号制动器压盘(结构见图1),技术要求:材料为QT500-7,铸件,毛坯正火处理;6个锥窝内表面淬火硬度45~50HRC,淬硬层深度不小于1.5 mm,且硬化层要求沿锥窝内表面均匀分布;无过烧、裂纹现象发生。

高频感应加热电源、高频感应加热设备、高频淬火机,淬火设备

2.试验设备

在GP100-C3高频感应淬火设备上,利用设计制作的仿形感应器(见图2),对制动器压盘锥窝部位进行感应淬火。

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3.工艺方法

(1)电流频率  为实现规定深度的高质量的感应加热,首先必须正确选择设备的频率。设备频率除对实现技术要求和提高热处理质量有很大作用外,对于充分发挥设备的效能、提高生产率、节省电能也很重要。所谓频率的选择,这里指的是选择合理的频带或频率范围,并不是严格的具体数值。

电流频率选择的恰当与否,将对以下几个方面产生影响。即:零件淬火生产率、技术经济指标、淬硬层组织的均匀性、零件脆裂的倾向性、零件的疲劳强度。

表面感应淬火主要是利用电流的趋肤效应感应加热时从工件表面电流最大值I0处测到I0/e(e为自然对数的底)处的深度,称为电流透入深度d(mm),计算公式如下:

式中μ——材料的磁导率,当钢加热到居里点温度以上时,μ=1(相对磁导率);

ρ——材料的电阻率(Ω•cm);

f——电流频率(Hz)。

钢在800℃时,当μ=1、ρ=1.11×10-4Ω•cm时,电流透入深度与频率的关系如表1所示。

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电流频率选择的首要原则是透入式加热,第二原则是感应器电效率要高。电效率取决于零件直径(厚度)与热状态下电流透入深度的比值,此值又称为电尺寸。当电尺寸大于6时,感应器的电效率约为80%,且电尺寸越小,感应器的电效率越低。综合考虑,制动器压盘锥窝感应淬火,选择电流频率为200kHz。

(2)电源功率  在一定的频率下,感应加热速度取决于零件单位表面积上所吸收的电功率,也就是所谓的比功率。显然,比功率越大,加热速度越快。加热速度除了与比功率有关外,还与频率有关。在相同的比功率下,频率越高,电流透入深度越浅,具有较高的加热速度。

在设备频率确定后,正确选择比功率值,对满足零件的技术要求是十分重要的。如上所述,频率、比功率确定后,加热速度也就随之而定,经过某一时间后,零件表面一定的厚层就被加热达到淬火温度。此时进行淬火冷却,加热淬火层的深度也就完全确定了。实际上,在透入式加热条件下因表面升温速度相对地比较小,大都是用调整时间的方法来满足要求的加热深度。过多地延长加热时间,将引起表面的严重过热。因此,此时就要重新选择较低的比功率。相反,如要求加热层深度很小时,就需要选用较大的比功率进行加热。

因此,结合感应器的电效率、电流频率、零件硬化层深度等因素,经试验探索,电源功率确定为38kW。

(3)淬火温度  当材料和原始组织一定时,相变温度随加热速度增大而提高,为得到合格的淬火组织,相应的淬火温度也应随之提高。通常加热速度越大,淬火温度的上下限越高,允许的淬火温度范围越大。

加热速度由零件获得的实际比功率所决定。实际选取的淬火温度,往往由淬火层的深度要求而确定。较长的加热时间和较高的加热温度,相应地可获得较深的加热深度,反之,加热深度较浅。

确定加热温度时,金属及合金的相变临界点﹑再结晶温度等是基本的理论依据,但还不能就此来确定各种不同热处理工艺的加热温度,而应根据具体工件的热处理目的来决定,况且工件的原材料及尺寸、加工过程与拟采用的工艺方法都对加热温度的选定有影响。而感应加热的目的,主要是使零件表面达到合适的淬火温度,并使零件达到一定的淬硬层深度。

(4)淬火加热时间  加热时间并不是独立的参量,在加热速度一定时,它由所选定的加热温度所决定。不过,反过来说也一样,即实际的加热温度是由加热速度和经试验确定的加热时间所决定的。由于目前在一般的生产条件下,还缺乏可靠的温度测量和控制方法,实际上往往用加热时间而不是用加热温度作为直接的工艺参数。

在生产实践中,对一定直径的零件,可根据淬硬层的深度要求,在按经验数据确定功率的同时,大致选定加热时间。

根据经验数据,经过试验探索,最终确定以下加热方案:两次加热,每次加热时间5.5s,两次加热间隔0.5s。

(5)淬火冷却时间  预冷时间:预冷是为了减少产生淬火变形和开裂。它就是零件加热到淬火温度后,通常在空气中进行短时间的停留,以适当地降低表面温度,再进行喷冷或浸液冷却。

表面淬火冷却时间:一般要求只保证表面淬火层能充分完成马氏体转变,获得足够的硬度即可。但有时为避免产生淬火裂纹,必须严格控制冷却时间,使零件不冷透,而利用零件内部残存的热量进行零件的自回火。

影响淬火冷却时间的主要因素为淬火冷却介质浓度、压力或流量。为防止零件因为冷却速度过快而产生裂纹,本试验使用的是浓度为0.3%的聚乙烯醇水溶液,预冷时间0.5s,淬火冷却介质压力0.05MPa,冷却时间5s。

4.结果分析

(1)表面缺陷  图3为淬火后压盘锥窝表面磁粉无损检测情况,从图中可以看出磁粉在锥窝表面均匀分布,无磁痕堆积。因此,淬火后压盘锥窝表面无烧伤、淬火裂纹等缺陷。

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(2)表面硬度、淬硬层深度  随机抽取了5件进行了表面硬度和淬硬层深度检测,其中,表面硬度检测,系每件随机检测4个淬火锥窝部位,从表中可以看出表面硬度均在45~50HRC,淬硬层深度均大于2mm,完全符合图样技术要求。

5.结语

本文在GP100-C3高频感应淬火设备上,利用设计制作的仿形感应器,对制动器压盘锥窝部位进行感应淬火,得到如下结论:

(1)设计研制出了用于制动器压盘锥窝的高频感应淬火的感应器。

(2)通过试验成功研发了制动器压盘锥窝的高频感应淬火工艺:①电参数:槽路电压8.6kV,栅极电流1.6A,阳极电流3.8A,阳极电压9.9kV,灯丝电压33.3V。②工艺参数:两次加热,间隔0.5s,每次加热时间5.5s,加热到淬火温后喷水冷却5s。

(3)利用上述工艺成功解决了制动器压盘锥窝表面硬度不足,淬硬层分布不均匀,若加热时间过长则容易过烧,甚至烧熔的问题。