高頻感應(yīng)淬火實(shí)現(xiàn)表面同時(shí)加熱途徑

程軍，孔令飛，程良，常森，甄延波

高頻淬火加熱方式有兩種：第一種是同時(shí)加熱淬火，即將工件需要淬火的表面同時(shí)加熱，隨后進(jìn)行急劇的冷卻；第二種是循序連續(xù)加熱淬火，即用感應(yīng)加熱工件的一小部分表面，同時(shí)工件由上向下移動(dòng)，使表面循序連續(xù)加熱和冷卻。

進(jìn)行多品種、小批量零件的生產(chǎn)時(shí)，不同材料可能需要使用不同的淬火冷卻介質(zhì)，故大多采用同時(shí)加熱的淬火方式。若淬火表面積較大的零件，受設(shè)備功率等因素的限制，則考慮采用連續(xù)加熱的方式進(jìn)行淬火。

1.馬氏體不銹鋼工件內(nèi)孔高頻表面淬火

（1）加工難點(diǎn) 馬氏體不銹鋼工件內(nèi)孔高頻感應(yīng)淬火采用同時(shí)加熱的方式，其加工難點(diǎn)在于不銹鋼材質(zhì)和內(nèi)孔表面淬火。

一方面，高頻感應(yīng)加熱過程中，溫度超過材料失磁點(diǎn)（鋼鐵材料失磁點(diǎn)溫度在700～800℃）時(shí)，材料電磁感應(yīng)能力降低，加熱速度下降數(shù)倍，進(jìn)一步加熱困難。而不銹鋼熱處理溫度高，均在1000℃以上，加熱到材料的淬火溫度難度更大。另一方面，由于其熱處理溫度高，接近材料的熔點(diǎn)，雖然失磁點(diǎn)以上加熱速度降低，但較常規(guī)熱處理加熱速度仍很快，又難以控制，存在發(fā)生零件表面過熱熔融的風(fēng)險(xiǎn)。

環(huán)狀效應(yīng)是感應(yīng)加熱的三大效應(yīng)之一，也是造成內(nèi)孔加熱困難的原因所在。即使用感應(yīng)圈對(duì)工件進(jìn)行加熱時(shí)，通過感應(yīng)圈的電流集中在感應(yīng)圈的內(nèi)側(cè)表面。加熱工件外圓表面時(shí)，感應(yīng)圈內(nèi)側(cè)表面與工件外側(cè)表面相對(duì)應(yīng)，有利于工件的加熱，而加熱工件內(nèi)孔表面時(shí)，方向則正好相反，會(huì)使感應(yīng)器的電效率顯著降低，不利于工件的加熱。而且，進(jìn)行內(nèi)孔感應(yīng)淬火時(shí)，加熱面在工件內(nèi)部，操作者從外部不易直接觀測(cè)，增加了操作困難。

圖1 球面軸承

某產(chǎn)品球面軸承（見圖1）要求Sφ28mm球面淬火，材料為馬氏體不銹鋼20Cr13，淬火硬度要求35～45HRC。該工件除上述加熱難點(diǎn)外，其加熱面為球面，而不是直通內(nèi)孔，必然造成感應(yīng)器與工件加熱面的間隙增大，進(jìn)一步降低了電效率。通常進(jìn)行內(nèi)孔高頻感應(yīng)淬火，為克服環(huán)狀效應(yīng)對(duì)工件加熱的不利影響，采用在感應(yīng)器上設(shè)置導(dǎo)磁體，以改變磁場(chǎng)的分布，迫使電流向接近于工件所需加熱的表面分布，從而改善加熱效果。但該工件內(nèi)孔較小，去掉感應(yīng)器與工件之間的間隙距離以及感應(yīng)器自身尺寸，感應(yīng)器內(nèi)徑在13mm以下，無法加裝導(dǎo)磁體。對(duì)該工件的感應(yīng)淬火只能通過優(yōu)化工藝參數(shù)、改進(jìn)加熱過程以最大限度地發(fā)揮設(shè)備能力的方法。

（2）淬火工藝方案 包括加熱時(shí)間、淬火溫度、淬火冷卻介質(zhì)。

許多人認(rèn)為，高頻感應(yīng)淬火都屬于瞬時(shí)加熱，可以在短短幾秒內(nèi)達(dá)到淬火溫度，這種認(rèn)識(shí)反映的是普遍情況，但不全面。有些情況下，加熱速度會(huì)慢一些，而在一些特殊情況下，通過降低電壓輸出等手段，減慢零件的加熱速度，可以滿足一些特殊工件或特殊技術(shù)要求的需要。對(duì)于該工件來說，由于諸多不利因素的存在，快速加熱是不現(xiàn)實(shí)的，考慮目測(cè)溫度變化的需要和防止過熱甚至表面熔融現(xiàn)象的發(fā)生，以保證淬火質(zhì)量，必須立足于較慢的加熱速度。但加熱速度過慢則將失去表面淬火的優(yōu)勢(shì)，還會(huì)因熱傳導(dǎo)使淬硬層過大。實(shí)踐證明，將該工件的加熱時(shí)間控制在2.5～3min較為適宜。

工件的淬火溫度應(yīng)根據(jù)鋼種、原始組織及在相變區(qū)的加熱速度來確定，在鋼種和原始組織一定的條件下，淬火溫度主要由加熱速度決定。加熱速度越快，所需的淬火溫度越高，高頻感應(yīng)淬火加熱速度遠(yuǎn)高于常規(guī)熱處理。由于各種原因，球面軸承加熱存在諸多困難，淬火溫度不宜過高，淬火溫度越高，實(shí)現(xiàn)難度越大，這也是選擇較慢加熱速度的原因之一。雖然選擇了較慢的加熱速度，但仍屬快速加熱，再考慮較慢的加熱速度意味著奧氏體化時(shí)間較快速加熱長。經(jīng)過對(duì)多種因素的綜合分析，淬火溫度應(yīng)與常規(guī)熱處理相當(dāng)或略高。

馬氏體不銹鋼淬透性好，工件尺寸不是很大時(shí)，空冷即可完全淬透。球面軸承有效厚度不足10mm，且又是表面淬火，理論上應(yīng)選擇空冷淬火。同時(shí)，考慮到淬火溫度選擇較低的特殊情況，為保證工件淬火效果，滿足硬度要求，空冷淬火不可避免地存在一定不確定因素，選擇冷卻速度較快的淬火冷卻介質(zhì)、彌補(bǔ)淬火溫度較低的可能缺陷就成為必然選擇。油冷卻速度明顯高于空冷，在各類淬火冷卻介質(zhì)中屬于較慢的一種，工件加熱到淬火溫度后立即浸油淬火即可達(dá)到淬火效果。較慢的冷卻速度又不致產(chǎn)生裂紋等缺陷，可穩(wěn)定而有效地滿足技術(shù)要求。

（3）實(shí)際效果 按上述方案對(duì)球面軸承進(jìn)行淬火后，球面硬度在45HRC以上，經(jīng)過480℃回火，硬度仍穩(wěn)定在40HRC以上，且每一工件及工件各部位硬度分布均勻穩(wěn)定，說明工件充分達(dá)到了淬火要求。該工件的淬火成功，為加熱難度較大的不銹鋼工件及內(nèi)孔的表面淬火提供了有益的參考。

2.較大尺寸零件深淬硬層高頻感應(yīng)淬火

（1）加工難點(diǎn) 此工件的高頻感應(yīng)淬火也采用同時(shí)加熱的方式。其加工難點(diǎn)主要在于受設(shè)備功率和電流頻率的限制。

高頻感應(yīng)淬火為短時(shí)快速加熱，需要在很短的時(shí)間內(nèi)加熱到很高的溫度，需要足夠的加熱功率作為基礎(chǔ)。工件需要加熱的表面越大，所需的功率也就越大，被加熱表面大到一定程度時(shí)，就會(huì)因設(shè)備功率限制難以順利實(shí)現(xiàn)同時(shí)加熱。

工件進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)，電流透入深度由電流頻率決定，這一原理使電流頻率成為了決定淬硬層深度的主要因素。高頻感應(yīng)淬火設(shè)備的電流頻率一般是固定的，如高頻設(shè)備電流頻率為200～300kHz，對(duì)應(yīng)熱透入深度為0.9～1.1mm，這就限制了淬硬層深度的進(jìn)一步加深。

圖2 牽引銷淬火部位

某產(chǎn)品牽引銷（淬火部位見圖2）為產(chǎn)品中的關(guān)鍵零部件，材料為40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，要求φ89mm外圓表面高頻感應(yīng)淬火，淬火硬度要求50～60HRC，淬硬層深度2.5～4.5mm。該工件需淬火表面尺寸較大，除需要較大的功率進(jìn)行加熱外，對(duì)于加熱影響更大的問題是淬火部位為工件凹槽部，感應(yīng)器的制作也是一大困難。如按常規(guī)方法制作感應(yīng)器，即感應(yīng)器內(nèi)徑稍大于需淬火表面直徑，則感應(yīng)器必須現(xiàn)場(chǎng)制作，十分麻煩，而且工件淬火必須損壞感應(yīng)器才能進(jìn)行，每一工件的高頻感應(yīng)淬火必須制作相應(yīng)的一件感應(yīng)器，也存在著每一感應(yīng)器的制作誤差；如感應(yīng)器內(nèi)徑大于相鄰截面直徑，即大于111mm，則感應(yīng)器與淬火部位的間距加大了11mm，感應(yīng)加熱效率將顯著降低。淬硬層方面，2.5～4.5mm的深度范圍是正常熱透入深度的2.5～4.5倍，為提高淬硬層深度，一般可適當(dāng)利用熱傳導(dǎo)的原理，即利用熱量由表面向心部傳導(dǎo)的特性，增大加熱層的厚度。但單純依靠熱傳導(dǎo)的方法則自表面向內(nèi)存在較大的溫度差，往往要求的淬硬層深度達(dá)到淬火溫度時(shí)，表面溫度已過高，會(huì)產(chǎn)生表面組織過熱、過燒等缺陷。

（2）淬火工藝方案 為完成此項(xiàng)工件的淬火，專門制作了感應(yīng)器，加強(qiáng)了工藝過程控制并采用了斷續(xù)加熱方式。

結(jié)合牽引銷的諸多特點(diǎn)，改變傳統(tǒng)感應(yīng)器制作方式，將感應(yīng)器制作為半圓形，克服傳統(tǒng)感應(yīng)器對(duì)于該工件高頻感應(yīng)淬火的上述難點(diǎn)，既可以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)器與加熱表面之間盡可能小距離的配合，又可以方便地使工件與感應(yīng)器脫離進(jìn)行淬火。在具體的操作實(shí)施中，使工件相對(duì)于感應(yīng)器進(jìn)行同心旋轉(zhuǎn)，達(dá)到瞬間對(duì)半圓進(jìn)行加熱，整體上又對(duì)全部淬火表面進(jìn)行加熱的特殊效果（見圖3）。

前面已講述，鋼鐵材料在加熱到一定溫度后，將失去磁性，加熱速度隨之下降很多。實(shí)際加熱過程中，當(dāng)表面出現(xiàn)超過失磁點(diǎn)的薄層時(shí)，與薄層相鄰的內(nèi)部交界處渦流強(qiáng)度就會(huì)突然上升，成為加熱速度最快的部位，出現(xiàn)高溫表層加熱速度降低，交界處升溫加速，并向內(nèi)部推移的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象對(duì)提高淬硬層深度是有利的，但表層高溫區(qū)加熱速度比交界處以內(nèi)的部位快很多，表層過熱、過燒傾向仍很嚴(yán)重。此時(shí)，就需要找出電壓、加熱速度等參數(shù)的最佳配合，嚴(yán)格加熱過程的控制，在保證質(zhì)量的前提下盡量增大淬硬層深度。

牽引銷要求淬硬層深度較大，單純的參數(shù)控制在完全滿足技術(shù)要求方面仍有欠缺，還需要采取一些其他技巧。斷續(xù)加熱，即在未達(dá)到淬火溫度時(shí)，暫時(shí)停止加熱，使工件表面熱量較多地向內(nèi)傳導(dǎo)，然后再重新開始加熱。這樣相當(dāng)于增加了熱傳導(dǎo)時(shí)間，降低表面向內(nèi)部的溫度梯度，反復(fù)進(jìn)行數(shù)次，表面溫度不致過高而產(chǎn)生過熱、過燒。實(shí)現(xiàn)從表面向內(nèi)2.5～4.5mm較均勻地達(dá)到淬火溫度的目的。

（3）實(shí)際效果 采取改進(jìn)感應(yīng)器設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝參數(shù)、斷續(xù)加熱等措施后，牽引銷表面高頻感應(yīng)淬火后硬度可以穩(wěn)定達(dá)到55HRC左右，淬硬層深度3mm以上，使用高頻感應(yīng)淬火的方式達(dá)到了本適合于中頻感應(yīng)淬火的淬硬層深度要求。而且由于感應(yīng)器的改進(jìn)，工件可以逐一連續(xù)不斷地進(jìn)行淬火操作，有效提高了工作效率。

3.需要注意的事項(xiàng)

為保證加工質(zhì)量，需注意下列事項(xiàng)：

（1）設(shè)備維護(hù)工作極為重要。高頻感應(yīng)器與工件間距應(yīng)盡可能小，以減少其電能損耗，最大限度地保證同時(shí)加熱的功率需要。

（2）使用純銅管彎制成螺旋狀是感應(yīng)器的常用形式。設(shè)計(jì)制作此類感應(yīng)器時(shí)，盡可能使用直徑較大的純銅管并減少匝數(shù)，以降低感抗，保證加熱效率。

圖3 全部淬火表面進(jìn)行加熱的特殊效果

4.結(jié)語

高頻感應(yīng)淬火是一個(gè)復(fù)雜的過程，在熱處理中也屬于特殊熱處理范疇，而實(shí)現(xiàn)同時(shí)加熱則難度更大。在具體操作中，必須綜合考慮設(shè)備功率、工作頻率、感應(yīng)器、熱處理參數(shù)、材料組織轉(zhuǎn)變、淬火冷卻介質(zhì)、冷卻方式等因素，并達(dá)成這些因素的最佳配合，最大限度地發(fā)揮設(shè)備潛力，盡可能滿足多品種、小批量工件同時(shí)加熱淬火的需要。20140426