感應(yīng)熱處理的應(yīng)用與滲碳

特邀專(zhuān)家：朱會(huì)文

感應(yīng)熱處理的應(yīng)用與滲碳

特邀專(zhuān)家：朱會(huì)文

2015年第一期我刊做了感應(yīng)熱處理代替滲碳件專(zhuān)題，邀請(qǐng)了感應(yīng)加熱行業(yè)專(zhuān)家沈慶通、趙俊平、陳國(guó)民、萬(wàn)美華、楊帆和潘曉松分享了他們的觀點(diǎn)與實(shí)用案例。本期繼續(xù)推出特邀專(zhuān)家朱會(huì)文的觀點(diǎn)，以及閆滿剛在實(shí)踐中從工藝的角度來(lái)談如何大幅提高感應(yīng)淬火工藝可靠性的觀點(diǎn)，內(nèi)容精彩。

能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今人類(lèi)面臨的兩大問(wèn)題。為此，如何降低能耗、減少污染物排放，近年來(lái)已成為我國(guó)熱處理行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，它也是關(guān)系到我國(guó)裝備制造業(yè)能否持續(xù)發(fā)展的大問(wèn)題。

在眾多熱處理工藝中，感應(yīng)熱處理從誕生到現(xiàn)在雖然不足百年，但因其能耗低、污染少，被冠以“綠色熱處理”。

兩種工藝的比較

感應(yīng)熱處理在低能耗和少污染兩方面都遠(yuǎn)優(yōu)于另一種表面層強(qiáng)化工藝——傳統(tǒng)的滲碳。真空低壓滲碳工藝的出現(xiàn)，雖然比可控氣氛滲碳縮短了工藝周期，省去了后清洗工序，減少了污染物的排放，但它的能耗居高不下依然是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。因此，在表面層強(qiáng)化工藝領(lǐng)域，感應(yīng)熱處理替代滲碳熱處理的研究一直沒(méi)有停止過(guò)；除了以上的能源和環(huán)境因素外，設(shè)備投入費(fèi)用也是推動(dòng)感應(yīng)熱處理替代滲碳熱處理研究的另一個(gè)重要因素。

以中小模數(shù)齒輪為例，選用中碳鋼或中碳低合金鋼制造，使用國(guó)際上先進(jìn)的同步雙頻感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行仿形感應(yīng)淬火，其設(shè)備價(jià)格約為800萬(wàn)元；而選用低碳鋼或低碳合金鋼制造，使用國(guó)際上先進(jìn)的臥式雙室真空低壓滲碳爐進(jìn)行滲碳淬火，其設(shè)備價(jià)格約為2000萬(wàn)元。同樣以中小模數(shù)齒輪為例，使用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的晶體管感應(yīng)加熱電源、數(shù)控淬火機(jī)床與冷卻系統(tǒng)組成的成套裝置進(jìn)行感應(yīng)淬火，其設(shè)備價(jià)格在100萬(wàn)元上下；而使用可控氣氛滲碳爐成套裝置進(jìn)行滲碳淬火，其設(shè)備價(jià)格約為200萬(wàn)元。

對(duì)表面層需要獲得足夠高的硬度、耐磨性，而心部仍要保持良好的強(qiáng)度和韌性的齒輪類(lèi)工件進(jìn)行熱處理時(shí)，可以在滲碳熱處理與感應(yīng)熱處理這兩種工藝中進(jìn)行選擇。

經(jīng)同步雙頻感應(yīng)淬火（SDF）的齒輪，其表面硬度、有效硬化層深度可以做到與滲碳淬火一致，而在增加齒底表面殘余壓應(yīng)力、提高疲勞強(qiáng)度及減少齒形齒向變形方面都優(yōu)于滲碳淬火；感應(yīng)淬火還可以實(shí)現(xiàn)在線生產(chǎn)，大大降低物流成本。

分析比較兩種技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值，技術(shù)方案的天平無(wú)疑會(huì)向感應(yīng)熱處理傾斜。

國(guó)外感應(yīng)熱處理代替滲碳實(shí)例

從國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造業(yè)的感應(yīng)熱處理應(yīng)用技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)看，感應(yīng)熱處理越來(lái)越多地應(yīng)用于目前由滲碳和其他化學(xué)處理占主導(dǎo)地位的熱處理領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代，日本電氣興業(yè)公司在日立制作所和小松制作所將感應(yīng)加熱用于工程機(jī)械齒輪淬火，成功取代了滲碳淬火。

日本高周波熱煉株式會(huì)社推出改變功率密度的沖擊式淬火（SRIQ）方法，應(yīng)用于汽車(chē)變速器齒輪等小型齒輪、柴油機(jī)和建筑機(jī)械用的中型連桿齒輪，獲得沿齒廓的淬硬層，成功取代了滲碳淬火。

德國(guó)Eldec公司介紹，“對(duì)于控制成本，以及安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，航空工程是要求最高的。美國(guó)的波音公司正是基于對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的要求和對(duì)環(huán)境保護(hù)的堅(jiān)持,其所用的部分齒輪如直齒錐齒輪選擇使用同步雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)（SDF）代替原滲碳淬火工藝”。

除了已經(jīng)提及的齒輪感應(yīng)淬火，美國(guó)密執(zhí)安州奧本山感應(yīng)技術(shù)中心的涅姆科夫·瓦倫丁博士給我們舉了用于重型冶金設(shè)備的大工件局部硬化的例子, 過(guò)去采用長(zhǎng)時(shí)間滲碳方法以保證工件的內(nèi)孔表面獲得≥4mm的硬化層，為避免內(nèi)孔以外的表面硬化必須進(jìn)行防滲處理，滲碳淬火后為糾正熱處理變形，還需深度磨削。而感應(yīng)淬火，可以使用便宜的鋼材，可以選擇性地對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行硬化處理，不但大大降低熱處理時(shí)間和能耗，還減小工件的畸變，從而不必進(jìn)行昂貴而費(fèi)力的深磨削。

國(guó)內(nèi)感應(yīng)熱處理替代滲碳實(shí)例

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)企業(yè)也積極進(jìn)行擴(kuò)大感應(yīng)淬火領(lǐng)域的研究。

戚墅堰機(jī)車(chē)工藝研究所開(kāi)展大功率電力機(jī)車(chē)彈性牽引從動(dòng)齒輪50CrMoA全齒廓感應(yīng)淬火代替滲碳淬火工藝的研究，取得了既滿足使用要求，又簡(jiǎn)化了工序、節(jié)省能源、降低生產(chǎn)成本的滿意效果。

重慶齒輪箱有限責(zé)任公司采用感應(yīng)淬火解決了大型齒輪滲碳淬火變形大、生產(chǎn)成本高和生產(chǎn)周期太長(zhǎng)的問(wèn)題。

東風(fēng)汽車(chē)公司已經(jīng)在一些變速器齒輪上實(shí)現(xiàn)感應(yīng)淬火，用價(jià)格便宜的中碳合金鋼替代價(jià)格高的滲碳齒輪鋼，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

上海采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、市場(chǎng)占有率最高的轉(zhuǎn)向機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向齒條的預(yù)處理原來(lái)采用可控氣氛多用爐進(jìn)行調(diào)質(zhì)，出于節(jié)能與環(huán)保的考慮，要求為其協(xié)作的上海華淵熱處理有限公司改用感應(yīng)淬火加感應(yīng)回火進(jìn)行處理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅能耗就降低了35%。

上海尤順汽車(chē)部件有限公司生產(chǎn)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂，原來(lái)采用氮碳共滲處理，2014年起已改用感應(yīng)淬火工藝，實(shí)現(xiàn)了在線清潔生產(chǎn)。

可以預(yù)見(jiàn)，伴隨感應(yīng)加熱裝置及工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)不斷擴(kuò)大。但是感應(yīng)熱處理不可能完全替代滲碳，一是因?yàn)闈B碳裝置及工藝也在創(chuàng)新與發(fā)展；二是因?yàn)閷?duì)于一些工件的感應(yīng)熱處理還無(wú)法達(dá)到滲碳的效果，如：對(duì)于形狀復(fù)雜的工件與厚度變化較大的工件，感應(yīng)淬火的硬化層無(wú)法做到如滲碳淬火那樣的基本仿形；感應(yīng)淬火的工裝費(fèi)用較高，需根據(jù)工件感應(yīng)淬火部位的不同形狀設(shè)計(jì)制造不同的感應(yīng)器，一些特殊零件還需要設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用的定位夾具，不像化學(xué)熱處理那樣在技術(shù)要求與材料基本相同的情況下，不受形狀與尺寸的限制可以多種工件同爐處理；感應(yīng)熱處理對(duì)于大批量單一品種的工件才能體現(xiàn)出其效率，但需要為其設(shè)計(jì)制造專(zhuān)用的淬火機(jī)床；對(duì)于小于12mm的內(nèi)孔尚無(wú)法進(jìn)行感應(yīng)淬火，對(duì)于模數(shù)大于6的齒輪目前也尚無(wú)法采用同步雙頻感應(yīng)淬火進(jìn)行處理。

因此，在表面層強(qiáng)化工藝領(lǐng)域，感應(yīng)熱處理與滲碳等化學(xué)熱處理互為補(bǔ)充的狀況將會(huì)長(zhǎng)期存在。

20141230