感應淬火與滲碳淬火的競爭

感應淬火與滲碳淬火的競爭

沈慶通，教授級高工，原洛陽升華感應加熱公司總工程師、技術總監(jiān)

感應淬火與滲碳淬火同屬表面硬化工藝，早在20世紀50年代，前蘇聯(lián)學者即指出：感應淬火的成本為滲碳淬火的1/3。其后又提出：高頻電流淬火工藝具有加熱時間短、零件氧化皮少、變形小、工作環(huán)境潔凈、可以在線生產(chǎn)等一系列優(yōu)點。

然而，時至今日，滲碳淬火工藝在中小模數(shù)齒輪等領域，仍廣泛應用于生產(chǎn)。其原由是滲碳零件表面碳濃度高，耐磨性更優(yōu)，工夾具簡單，以及中、小零件批量裝爐方便等多種因素。感應淬火需要專用的感應器，工裝、管理費用等相對高些，德國通用電氣公司一研究所曾對連桿大頭內(nèi)孔滲碳與感應淬火的單件總成本作精細的對比，滲碳件材料39道工序的加工費為14.73分，而感應淬火件28道工序相對費用為12.73分。單件成本相差2分。

感應淬火對復雜形狀的工件仿輪廓淬火具有難度，小內(nèi)孔、不通孔的底面，卡盤爪的階梯面，活塞的溝槽，曲面件等部位，不如滲碳工藝簡便。因此，在選擇表面硬化工藝時，應從工裝、材料、工序數(shù)、產(chǎn)品壽命等作具體分析再確定，不能僅從節(jié)能一點來選取。

滲碳與感應淬火在工藝與裝備研發(fā)方面，近年來均有很大的進展。感應淬火工藝具有優(yōu)勢的項目可列舉如下。

1. 深層滲碳方面

齒輪的滲碳層深與其模數(shù)m有關，常選用的層深為（0.15～0.20）m。對中、小模數(shù)齒輪，此值在0.2～1.0mm，一般滲碳工藝即可達到，但對大模數(shù)齒輪，如m=80的齒輪（見圖1）和m=63齒條等，其層深要求?！?mm，如采用滲碳，則必須深層滲碳，僅滲碳周期即不低于100h，更不論齒條長度幾十米對設備裝爐的要求了。而感應淬火是單齒掃描淬火，從電源容量與升降機構方面考慮，要簡單得多。國外另一實例是冶金設備的內(nèi)孔，用感應淬火代深層滲碳，見圖2。

2. 畸變小方面

滲碳齒輪由于是整體加熱，時間長、溫度高，所以淬火后畸變大，有些齒輪則需壓模淬火才能解決問題，因此其周期長、耗電大、成本高，感應淬火相對有利，國內(nèi)已有企業(yè)成功地將滲碳內(nèi)齒圈改為感應淬火用于生產(chǎn)的實例。但迄今也還有料漿泵、缸套等零件仍采用滲碳淬火（滲層2.75～3.0mm）。

3. 大零件、長零件感應淬火得天獨厚

當今風電發(fā)展迅猛，風電機的回轉支承需要在滾道進行淬火，感應淬火無疑是最佳工藝，機床導軌面、石油管、鐵道鋼軌等的熱處理，均已證明感應淬火具有得天獨厚的優(yōu)勢。

4. 低淬透性鋼感應淬火代替滲碳齒輪淬火

圖1 m=80齒輪單齒掃描淬火（俄感應加熱期刊）

圖2 冶金設備部件感應淬火

前蘇聯(lián)發(fā)明的低淬透性鋼感應淬火，早在該國載貨車上及軸承等方面應用，是從限制鋼材淬透性方面使齒輪得到仿齒形淬硬層及規(guī)定硬度的心部，現(xiàn)在低淬鋼的品種還在增加，除58鋼以外，又擴大到60ПП、80ПП等牌號，具有較好的經(jīng)濟效益。

俄羅斯的卡瑪斯汽車廠從2005年起，低淬鋼批量生產(chǎn)有：58鋼（ГО C T1050-88）、54ПП、60ПП鋼，其化學成分：wC=0.5%～0.65%，wMn=0.1%～0.3%，wSi=0.l%～0.3%，wCr、wNi、wCu＜0.25%，低淬鋼經(jīng)整體加熱淬火后，其奧氏體晶粒細?。?0～12級），具有良好的綜合力學性能。該廠經(jīng)驗，當鋼的Mn、Si、Cr、Cu分別超過0.2%，總和達到0.5%時，不同爐號的理想臨界直徑D偏差會達到10～15mm（ГOCT技術條件為10～14mm）。俄羅斯丘索夫冶金廠（ЧУСOВCКOй M E T A JI JIУPГИЧЕСКИЙ ЗАВОД）生產(chǎn)的第二代低淬鋼，其淬透性范圍更窄、更穩(wěn)定。D臨界為8～10mm、10～12mm、12～14mm。感應加熱條件下，晶粒度可達到11～12級，爐子加熱條件下，晶粒度為10～11級，其淬透性對加熱溫度的敏感性更低。

在煉鋼廠里，低淬鋼的成本比45鋼（ГОСТ1050-88）低5%～10%。該廠對第二代低淬鋼獲得的成果是：中后橋齒輪共有5種齒輪，后橋圓柱齒輪副和錐齒輪副（含主從動齒輪以及中橋的主動齒輪）采用60ПП與80ПП鋼替代批量生產(chǎn)的滲碳合金鋼20ХГHTMA鋼。齒圈及主、從動圓柱齒輪，用2. 4kHz中頻電源進行整體加熱，用高壓泵6HДB進行噴冷，其余三種齒輪出于經(jīng)濟上的考慮，在箱式爐中加熱而在噴淬裝置上冷卻。附表為60ПП、80ПП鋼制齒輪淬火后的硬度、層深及顯微組織。

此外，該廠還用低淬鋼進行了球頭銷（60ПП、80ПП），活塞銷（80ПП）及主銷（60ПП）進行試驗，其相關硬度、層深、顯微組織數(shù)據(jù)與附表基本一致。另外，該廠進行研發(fā)的簡型車彈簧鋼板，采用新工藝后，零件重可減少30%，壽命將滲碳與感應淬火在表層硬化延長1.5倍，而成本降低20%以上。工程機械零件銷套，內(nèi)外表面均需淬硬，如采用低淬鋼，應有很好的前景與效益。

5. SDF同步雙頻齒輪淬火

通過對不同模數(shù)齒輪中、高兩種頻率的選配，能得到仿齒廓的淬硬層分布，由于功率密度大，加熱時間短（以0.1s計），因此設備投資高，而這種齒輪與滲碳齒輪的性能對比數(shù)據(jù)，還未見報道，因此在國內(nèi)正處于待推廣階段。領域中各具自身的優(yōu)勢，采用何種工藝更優(yōu)，應作具體分析確定。感應淬火在深層硬化、零件畸變，以及特大、特長零件表層硬化等方面，在裝備、生產(chǎn)周期及加工成本上具有更大優(yōu)勢。

6. 汽車、工程機械方面

最典型的零件是凸輪軸從滲碳改為感應淬火，CVJ鐘形殼等件在材料中碳含量提高后，現(xiàn)在均已采用感應淬火。

60ПП、80ПП鋼制齒輪淬火后的硬度、層深及顯微組織