感應(yīng)熱處理技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展

       20世紀(jì)50年代，感應(yīng)熱處理開始在國內(nèi)應(yīng)用，當(dāng)時(shí)此工藝被稱作“高周波淬火”。這門熱處理新工藝?yán)镁€圈電磁感應(yīng)加熱工件快速達(dá)到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織。它具有加熱速度快、有較好的勞動條件、表層強(qiáng)度高和變形小等特點(diǎn)，很快為熱處理工作者所接受并速度發(fā)展。

一、感應(yīng)熱處理節(jié)能方面的優(yōu)越性

1.感應(yīng)加熱方面的節(jié)能

感應(yīng)加熱速度快，能提高金屬材料的相變溫度（50～100℃），加速奧氏體轉(zhuǎn)變過程。在淬火后表面得到細(xì)小的馬氏體，表面硬度比一般淬火高2～3HRC。感應(yīng)加熱調(diào)質(zhì)處理代替箱式電爐調(diào)質(zhì)處理可節(jié)電35%～50%；感應(yīng)加熱代替滲碳和碳氮共滲等表面硬化處理，可節(jié)電80%～95%；代替爐中整體加熱淬火可節(jié)電40%～50%。

2.感應(yīng)加熱件回火方面的節(jié)能

利用感應(yīng)加熱將熱量傳到淬火層以外，淬火冷卻時(shí)未全部帶走殘留下來的熱量而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間回火，具有高效節(jié)能，并在許多情況下(如對高碳鋼及高碳高合金鋼)可避免淬火開裂，同時(shí)一經(jīng)確定各工藝參數(shù)可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.感應(yīng)加熱設(shè)備方面的節(jié)能

感應(yīng)熱處理用電量約占熱處理設(shè)備總用電量的20%～25%。我國熱處理常用的電爐熱效率一般都小于55%，箱式電爐淬火為30%～40%，高溫回火為40%～50%。井式氣體滲碳爐滲碳為7%～15%，中溫電極浴爐淬火加熱為18%～25%,井式回火爐回火為40%～60%，井式回火爐回火為40%～60%。感應(yīng)加熱爐的熱效率：燈式高頻爐為44%～60%，機(jī)式中頻爐為49%～69%，可控硅靜止交頻機(jī)57%～78%。利用高頻感應(yīng)加熱直流放電進(jìn)行滲碳，可獲得0.35～0.45mm滲碳層，滲層表面碳勢0.9%～1.05%，可縮短生產(chǎn)周期10～12倍。

二、感應(yīng)加熱電源的發(fā)展

1.晶閘管（SCR）中頻電源

早期感應(yīng)加熱電源是機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)，電效率低，為70%～75%，已被逐步淘汰出感應(yīng)加熱范圍，取而代之的是晶閘管中頻電源亦稱可控硅中頻電源。晶閘管電源頻率在2.5～8kHz，適用范圍大大擴(kuò)展。90年代初wq成熟，某些技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。它與機(jī)械式中頻相比優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕；無機(jī)械運(yùn)動，噪聲??；能瞬時(shí)啟動和停機(jī)；頻率在工件運(yùn)行中自動跟蹤。缺點(diǎn)是過載能力低，故障率高，價(jià)格較高。

2.電子管高頻電源

電子管高頻電源調(diào)諧簡單，使用方便，盡管頻率高，應(yīng)用范圍還是較寬的。缺點(diǎn)為電效率低，約為50%；工作電壓太高，安全性差。

3.晶體管超高頻和高頻電源

90年代后，晶體管高頻電源（SIT高頻電源、MOSFET高頻電源、IGBT超音頻電源等）開始研發(fā)。

靜態(tài)感應(yīng)晶體管SIT(StaticSIT Induction Transistor)實(shí)際上是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。SIT靜電感應(yīng)晶體管電源，集大電流、高耐壓和高頻特性于一體，但由于SIT電源因單管功率小等缺點(diǎn)很難克服，國外公司已經(jīng)停止研發(fā)和生產(chǎn)，國內(nèi)已生產(chǎn)幾十臺，但由于備件缺乏，已經(jīng)逐漸報(bào)廢。

MOSFET（場效應(yīng)晶體管電路）是一種電壓型高頻多數(shù)載流子器件，國內(nèi)晶體管MOSFET高頻電源f=50～200kHz已能生產(chǎn)，功率達(dá)200kW。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極晶體管是MOSFET和GTR(功率晶管)相結(jié)合的產(chǎn)物，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。IGBT超音頻電源我國在90年開發(fā)成功，目前國產(chǎn)IGBT電源已很成熟,頻率可做到幾百千赫。

三、感應(yīng)熱處理新工藝、新技術(shù)的發(fā)展

1.典型零件感應(yīng)熱處理工藝發(fā)展

（1）曲軸 曲軸熱處理強(qiáng)化技術(shù)，由滲氮強(qiáng)化到感應(yīng)淬火，表淬火感應(yīng)器由分合式曲軸頸感應(yīng)器改為半環(huán)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)淬火，解決了油孔淬裂及圓角處淬硬區(qū)窄問題。

美國應(yīng)達(dá)公司最近開發(fā)成功曲軸靜止淬火技術(shù)，利用集流器原理實(shí)現(xiàn)軸徑的靜止加熱淬火，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，設(shè)備成本低。但該技術(shù)僅局限于軸徑淬火，在我國還未推廣使用。

（2）軸類零件采用矩形管縱向加熱淬火 臺階軸使用縱向加熱淬火法 (感生電流方向與施感電流方向一致)對階梯軸表面淬火，工件成為感應(yīng)器的一部分, 工件表面同時(shí)受高頻電流和感應(yīng)電流加熱, 加熱速度快(一般只有0.5s)，自冷淬火?？晒ぜ砻嫱瑫r(shí)獲得連續(xù)的表面硬化層, 不存在臺階處過熱現(xiàn)象，變形小，大大提高了軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度。一汽、東汽等均已將此工藝用于半軸生產(chǎn)。

（3）齒輪 人們對齒輪感應(yīng)淬火的研究和應(yīng)用歷史悠久，但在汽車齒輪上的應(yīng)用卻非常有限，汽車零件中發(fā)動機(jī)飛輪齒圈普遍采用感應(yīng)淬火，其他一些變速箱齒輪等還是采用滲碳、滲氮處理。這是因?yàn)槠圐X輪感應(yīng)淬火不采用沿齒溝的單齒淬火工藝，而主要采用整體加熱淬火工藝。德國 ELDE公司研發(fā)出用SDF，即對汽車齒輪同時(shí)雙頻仿齒廓感應(yīng)淬火。這種感應(yīng)淬火方法使得齒輪具有很好的仿形淬硬層，高的疲勞強(qiáng)度并減小淬火變形。用SDF齒輪淬火替代齒輪滲碳處理,對提高生產(chǎn)率、節(jié)能具有現(xiàn)實(shí)意義。

（4）軋輥雙頻感應(yīng)淬火 要求高硬度、深淬硬層的軋輥由單頻淬火發(fā)展為雙頻淬火。雙頻感應(yīng)器包含兩個(gè)并排的感應(yīng)器分別供給不相同頻率的電流。上感應(yīng)器通入較低的頻率，工件移動使加熱深度較深(低頻率)；而下感應(yīng)器通入較高的頻率，工件移動使加熱深度較淺，此深度相當(dāng)于所需的硬化層厚度。雙頻淬火較單頻淬火能使工件獲得更好的性能(表面硬度、截面硬度梯度、硬化深度)，并提高工效和降低能耗。國內(nèi)已能自制雙頻電源及淬火成套裝置，軋輥雙頻淬火已在多個(gè)冶金廠進(jìn)行生產(chǎn)，其工裝淬火噴液環(huán)已進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，取得實(shí)效。

（5）鋼軌感應(yīng)淬火 對鋼軌使用全長淬火，提高鋼軌表面硬度和實(shí)現(xiàn)鋼軌強(qiáng)韌化，解決了鋼軌熱處理的變形問題；使鋼軌壽命提高一倍以上，已有幾十條鋼軌全長中頻淬火生產(chǎn)線在國內(nèi)運(yùn)用，此技術(shù)并擴(kuò)大到鐵道的其他件，如道岔、翼軌等。

（6）鋼管焊縫感應(yīng)退火 此工藝主要xc焊接殘余應(yīng)力，改善組織結(jié)構(gòu)，使得焊縫及其熱影響區(qū)具有與母材一致的組織結(jié)構(gòu)、韌性和強(qiáng)度性能。國內(nèi)已有多個(gè)企業(yè)從事此行業(yè)，所有裝備絕大數(shù)是國內(nèi)技術(shù)。廣泛用于石油輸送管、大口徑鋼管、不銹鋼管焊縫在線退火和其他優(yōu)質(zhì)鋼管制造等行業(yè)。

（7）長內(nèi)孔管件淬火 內(nèi)孔φ124mm，深達(dá)3000mm的管件內(nèi)孔掃描淬火的全套裝備與工藝在國內(nèi)研制成功并投產(chǎn)。

2.感應(yīng)熱處理技術(shù)發(fā)展

隨著新的知識和設(shè)備的發(fā)展,擴(kuò)大感應(yīng)加熱應(yīng)用的范圍，應(yīng)用于爐內(nèi)滲碳和其他化學(xué)熱處理等領(lǐng)域成為可能。

（1）感應(yīng)表面堆焊硬化 像挖掘機(jī)犁頭、 礦用鏟斗和鐵道零件等經(jīng)受嚴(yán)重磨損的零件，其表面均需有一層較厚的耐磨耐蝕層，感應(yīng)表面堆焊硬化是解決這一問題的有效技術(shù)之一。這項(xiàng)技術(shù)在俄羅斯已使用了很長時(shí)間，比如用來處理犁刀的刃部等。隨著固態(tài)電源、現(xiàn)代控制系統(tǒng)及新材料的推廣應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)將更具吸引力。將焊劑和硬質(zhì)材料粉末的粉狀或糊狀混合物施加于工件表面，并用靜止或移動的感應(yīng)器對其加熱。最常用的是發(fā)夾形和垂直環(huán)形感應(yīng)器。發(fā)夾形感應(yīng)器裝有用 Ferrotron 559制作的導(dǎo)磁體，它改進(jìn)線圈參數(shù)，并有助于零件中的能量以{zj0}方式分布。用一個(gè)感應(yīng)器加熱零件的原表面（基體），并熔化堆焊材料。硬化層與基體結(jié)合良好，兩者之間的擴(kuò)散區(qū)狹窄。

常用的硬化用材料的熔點(diǎn)比基體低50～100F，即基體仍保持固態(tài)，但也可以形成二者的共熔池。只要正確選擇堆焊的材料和操作條件，表面堆焊硬化能使零件的使用壽命提高幾倍乃至10倍以上。

（2）感應(yīng)“刷” 感應(yīng)加熱也廣泛應(yīng)用于涂覆處理, 如零件涂覆前的預(yù)熱，鍍鋅層、噴涂或等離子噴涂層的重熔。在鍍鋅或鍍鋅層經(jīng)擴(kuò)散處理的鋼制品生產(chǎn)中，感應(yīng)技術(shù)起了很重要的作用，被用于帶鋼預(yù)熱、重熔、坩堝加熱等。感應(yīng)技術(shù)在熱浸鍍鋅方面的{zx1}應(yīng)用是，在坩堝出口處用電磁法qc鋼表面多余的鋅或其他合金。傳統(tǒng)工藝是采用“空氣刀”，即高速噴氣裝置，但缺點(diǎn)是不能將要qc的材料全部去除，且涂層表面也不夠光滑。采用感應(yīng)“刷”時(shí)，則由交變磁場交互作用產(chǎn)生的電動力和涂層中的渦流使熔融金屬轉(zhuǎn)移和“提升”，然后通過空氣刀將這種金屬“波”去除。

（3）大件采用感應(yīng)淬火代替滲碳處理 例如一個(gè)大型零件要求內(nèi)孔的表面有大于4mm的滲碳硬化層，以保證其有足夠的強(qiáng)度和耐磨性。傳統(tǒng)工藝的操作步驟如下：

①對不滲碳部位進(jìn)行防滲處理。

②長時(shí)間滲碳以獲得超過4mm的滲層。

③為使組織wq轉(zhuǎn)變，采用特殊淬火工序進(jìn)行爐內(nèi)加熱淬火。

④深度磨削以校正零件的熱處理畸變。

新技術(shù)不需要任何輔助工序，用多匝感應(yīng)器掃描處理，用噴水圈淬火后就可獲得所需的硬度和淬硬層深度。感應(yīng)圈裝有用FluxtrolA制作的仿形導(dǎo)磁體[3]。工藝和線圈系采用虛擬原型設(shè)計(jì)技術(shù)，采用計(jì)算機(jī)模擬成功地達(dá)到了零件的技術(shù)要求。新技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：減小零件的畸變，減少機(jī)加工藝留量，縮短熱處理時(shí)間，節(jié)約電能，可用價(jià)格較低兼的鋼種代替滲碳鋼。此技術(shù)還在試驗(yàn)中，我國尚未應(yīng)用。

（4）液體介質(zhì)表面化學(xué)處理 曾對感應(yīng)加熱氣體滲碳做過多次嘗試，但均未達(dá)到爐內(nèi)滲碳的效果。Saveliy Gugel博士提出了在液體活性介質(zhì)（LAM）中進(jìn)行高溫處理的工藝。根據(jù)這種設(shè)想，他取得了名為 Linter Process的技術(shù)專利。Sanova LLC公司對該項(xiàng)技術(shù)在理論和實(shí)踐方面進(jìn)行了研究開發(fā)。雖然這種技術(shù)可以通過接觸加熱或電阻加熱而實(shí)施，但感應(yīng)加熱是{zh0}的方法。

采用感應(yīng)加熱時(shí)，將零件放置于一個(gè)裝有冷態(tài)活性介質(zhì)的處理室中，用感應(yīng)線圈對其進(jìn)行表面加熱，當(dāng)零件表面達(dá)到高溫時(shí)，會形成一層蒸汽膜，從而減小向介質(zhì)散失的熱量。這層沸騰的介質(zhì)中含有高濃度的能滲入零件的元素。這種工藝快速而穩(wěn)定，零件處理后可以立即在同一液態(tài)活性介質(zhì)中淬硬，也可另行淬硬處理。如果需要回火，則可將零件從處理室中取出自回火或另行加熱回火。在處理鈦合金時(shí)，獲得了令人感興趣的結(jié)果。譬如,，用這種實(shí)驗(yàn)性裝置使鈦合金獲得了很高的表面硬度(達(dá)70HRC)、高的耐磨性和低的摩擦因數(shù)。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，應(yīng)用于實(shí)際工件生產(chǎn)將不是問題。

四、感應(yīng)熱處理設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步

感應(yīng)熱處理設(shè)備中淬火機(jī)床也是重要方面。近十年來，大型汽車公司和規(guī)模較大的汽車廠，不斷采購性能可靠、技術(shù)先進(jìn)的淬火機(jī)床，這為國內(nèi)感應(yīng)熱處理設(shè)備企業(yè)提供了一個(gè)技術(shù)提升的重要商機(jī)。經(jīng)過頑強(qiáng)努力，淬火機(jī)床有了巨大的進(jìn)步。

（1）傳動系統(tǒng)使用伺服電動機(jī)、滾珠絲杠副等機(jī)械裝置，使工作行程速度穩(wěn)定可靠，定位精度提高，一般公差不超過0.03mm。

（2）采用CNC系統(tǒng)控制編程與操作簡便，LED觸摸屏可顯示和監(jiān)控所有CNC參數(shù)、加工程序及工藝參數(shù)，并具有故障診斷與報(bào)警功能。

（3）感應(yīng)加熱過程的能量監(jiān)控

感應(yīng)加熱過程的控制一直存在很多難點(diǎn)，保溫、測溫難，測溫大多也是采用紅外線測溫儀，工件加熱過程也是用操作者的經(jīng)驗(yàn)來判斷。能量監(jiān)控器可以自動控制加熱過程，調(diào)整參數(shù)，完成表淬過程。能量監(jiān)控器的工作原理是：每種零件經(jīng)過工藝試驗(yàn)，確定將其加熱到淬火溫度需要多少能量(kW/s)，將這個(gè)能量值設(shè)定，電壓低時(shí)加熱時(shí)間自動延長，電壓高時(shí)加熱時(shí)間自動縮短，保持加熱能量恒定。淬火加熱的能量達(dá)到了設(shè)定值，設(shè)備自動停止加熱，從而保證了加熱質(zhì)量和淬火質(zhì)量的一致性。

五、結(jié)語

綜上所述，可知現(xiàn)在有不少工件可以用感應(yīng)熱處理代替一般熱處理中的調(diào)質(zhì)、正火、退火以及化學(xué)熱處理等，如滲碳淬火可由中碳鋼感應(yīng)表面淬火來代替，還有一些刃具，如鋸條、銼刀等五金工具的淬火；板簧碟簧的淬火、鑄鐵導(dǎo)軌、曲軸、凸輪淬火等采用了感應(yīng)淬火，節(jié)能效果顯著，縮短生產(chǎn)周期，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

在生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大感應(yīng)熱處理的應(yīng)用范圍，進(jìn)行感應(yīng)熱處理宣傳，推廣感應(yīng)熱處理的新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)，不斷完善感應(yīng)熱處理的標(biāo)準(zhǔn)，納入機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，加大感應(yīng)熱處理在生產(chǎn)中的比重，使熱處理節(jié)能大見成效。

基于此，在生產(chǎn)中應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大感應(yīng)熱處理的應(yīng)用范圍，進(jìn)行感應(yīng)熱處理宣傳，推廣感應(yīng)熱處理的新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)，不斷完善感應(yīng)熱處理的標(biāo)準(zhǔn)，納入機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，加大感應(yīng)熱處理在生產(chǎn)中的比重，使熱處理節(jié)能大見成效。