推進(jìn)感應(yīng)淬火替代滲碳淬火的應(yīng)用

推進(jìn)感應(yīng)淬火替代滲碳淬火的應(yīng)用

趙俊平，研究員級(jí)高工，東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心工藝研究所熱處理室主任，東風(fēng)汽車公司熱處理學(xué)會(huì)副理事長

感應(yīng)淬火最早得到應(yīng)用是為了提高零件表面硬度，以滿足耐磨性的要求。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，感應(yīng)淬火已經(jīng)發(fā)展成為應(yīng)用范圍最為廣泛的熱處理技術(shù)，在汽車、鐵路、船舶、工程機(jī)械、機(jī)床以及軍工等行業(yè)形成了完善的技術(shù)和質(zhì)量體系。

感應(yīng)淬火替代滲碳淬火是其推廣應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，基于其突出的經(jīng)濟(jì)性和較高的技術(shù)指標(biāo)，受到業(yè)界的重視。對(duì)于兩者的比較，筆者想在以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

經(jīng)濟(jì)性

先進(jìn)的技術(shù)是用最低的成本獲得滿足需求的性能，經(jīng)濟(jì)性是技術(shù)應(yīng)用首先考慮的因素。

1. 設(shè)備投資

感應(yīng)淬火設(shè)備的投資是比較小的。如中等規(guī)格齒輪的淬火設(shè)備，一條齒輪連續(xù)爐滲碳線投資約800萬元，加上淬火壓床、吊具等輔助設(shè)備合計(jì)約1500萬元。按照相同的產(chǎn)能對(duì)比，需要2臺(tái)感應(yīng)淬火機(jī)床，每套自動(dòng)淬火機(jī)床的價(jià)格約100萬元，只是滲碳設(shè)備的10%～20%。與多用爐相比，一套感應(yīng)淬火機(jī)床的產(chǎn)能至少與3臺(tái)多用爐相當(dāng)，其投資相當(dāng)于多用爐（包括輔助系統(tǒng)）的50%。

設(shè)備的占地面積和安裝方面也是費(fèi)用支出的重要部分。滲碳設(shè)備占地面積大，對(duì)廠房的水、電、氣要求較高，造成生產(chǎn)廠房需要較大的投資，安裝費(fèi)用也較高。感應(yīng)淬火設(shè)備占地面積小，安裝簡便，費(fèi)用要少很多。

2. 生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)拍

感應(yīng)淬火生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用低，也是其具有推廣價(jià)值的重要指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)顯示，感應(yīng)淬火的能耗為滲碳淬火的20%左右，淬火冷卻介質(zhì)的消耗為30%左右，設(shè)備維護(hù)和消耗備件的費(fèi)用為20%左右，生產(chǎn)中“三廢”的排放也非常低。

感應(yīng)淬火為快速加熱，加熱時(shí)間為幾秒到幾十秒，生產(chǎn)節(jié)拍非?？欤瑢?duì)于降低人工成本及在制品率有優(yōu)勢。

3. 熱處理零件用材料

發(fā)達(dá)國家的感應(yīng)淬火用材料有一個(gè)專門的系列，但專用材料不表示高成本，只是為達(dá)到更好的效果而做的調(diào)整。感應(yīng)淬火選材范圍是最廣泛的，并且由于其特有的優(yōu)異性能可以選用低成本的材料替代價(jià)格較高的滲碳材料。滲碳處理的溫度高、時(shí)間長，需要特別注意控制其晶粒長大，所以滲碳用鋼中必須含有一定量的細(xì)化晶粒合金元素。

4. 熱處理后的加工

在滲碳淬火的實(shí)踐中，往往在后續(xù)的磨削工序出現(xiàn)滲碳層被磨掉的問題，其原因就是滲碳層相對(duì)較淺，熱處理變形后偏磨。與滲碳等化學(xué)熱處理相比，感應(yīng)淬火的硬化層更深，給后續(xù)加工帶來更大的靈活性，也降低了熱處理前工序的要求，所以加工成本低，廢品率低。

技術(shù)指標(biāo)

滲碳淬火在零件表面形成高含碳量的馬氏體層，硬度高、碳化物含量高，具有高的耐磨性，而心部為低碳馬氏體組織，所以表面壓應(yīng)力大，零件整體韌性高。這些特點(diǎn)使?jié)B碳淬火在齒輪等需要高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度、高接觸疲勞強(qiáng)度的零件上廣泛采用。感應(yīng)淬火具有快速加熱快速冷卻的特點(diǎn)，使材料晶粒度顯著提高，在得到超高硬度的同時(shí)，獲得了較高的沖擊韌度指標(biāo)，從而提升零件性能。

1. 耐磨性

滲碳淬火零件具有很高的耐磨性，是由于其表層高硬度和碳化物。感應(yīng)淬火可以在較低的含碳量下獲得高硬度，耐磨性還與其微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。

20CrMnTiH3滲碳淬火和45鋼感應(yīng)淬火制成標(biāo)準(zhǔn)的磨損試樣，硬度均為62～62.5HRC，在M-200磨損試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)，對(duì)磨件為T10淬火。經(jīng)過160萬次磨損，滲碳試樣失重4.0mg，感應(yīng)淬火試樣失重2.1mg。是什么機(jī)理使感應(yīng)淬火試樣具有更高的耐磨性，非常值得研究。

2. 強(qiáng)度

通常認(rèn)為強(qiáng)度與硬度相關(guān)，相同的硬度就可以得到相同的強(qiáng)度。對(duì)于具體零件而言，還與哪些參數(shù)有聯(lián)系呢？我們對(duì)20CrMnTiH3滲碳淬火和45鋼、40CrH、40MnBH感應(yīng)淬火制成的標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試樣有效部位直徑為20mm，測得的抗拉強(qiáng)度分別為819MPa、1184MPa、1364MPa、1369MPa，幾種中碳鋼試樣感應(yīng)淬火后的強(qiáng)度明顯高于滲碳件。

兩種工藝結(jié)果相比。滲碳淬火試樣表面為高碳馬氏體，滲層1.25mm，硬度62～63HRC，心部為低碳馬氏體，硬度32HRC。感應(yīng)淬火試樣表面為中碳馬氏體，硬化層深度3.6mm，硬度62HRC，心部為回火索氏體，硬度26HRC。可以發(fā)現(xiàn)兩種處理方式得到的表面硬化層深度有較大差異，感應(yīng)淬火得到較深的硬化層，從而得到更大的零件強(qiáng)度。因此，討論哪種強(qiáng)化工藝更好時(shí)，不僅要從微觀角度分析，更要從宏觀方面考慮。

3. 疲勞強(qiáng)度

滲碳淬火和感應(yīng)淬火后零件表面得到有效強(qiáng)化，并形成較大的殘余壓應(yīng)力，都具有較高的疲勞強(qiáng)度。

選用模數(shù)2.5的齒輪零件進(jìn)行研究，分別采用20CrMnTiH3滲碳淬火，滲碳深度1.2mm；45鋼、42CrMo感應(yīng)淬火，齒根淬火深度2.0mm，硬度均為61～63HRC，熱處理后經(jīng)過磨齒加工。按照附圖所示的加載方式在疲勞試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)。3種不同材料和熱處理的齒輪輪齒彎曲中值疲勞極限壓載荷分別為18.50kN、20.30kN和28.88kN。42CrMo感應(yīng)淬火齒輪的疲勞強(qiáng)度高于20CrMnTiH3滲碳淬火56%，具有顯著優(yōu)勢。分析其機(jī)理，需要從硬化層組織、表面壓應(yīng)力水平、心部組織和硬度等方面入手。

4. 接觸疲勞強(qiáng)度

對(duì)于齒輪類零件，齒面的接觸疲勞失效也是主要的失效形式。輕載齒輪對(duì)接觸疲勞要求相對(duì)較低，而感應(yīng)淬火能否在具體的重載齒輪上取代滲碳淬火，該指標(biāo)是必須考核的內(nèi)容。我們在此方面的研究還不夠深入。

5. 淬火變形

滲碳工藝溫度高，時(shí)間長，淬火變形大。后續(xù)的磨削工序會(huì)將強(qiáng)度最高、壓應(yīng)力最大的表層磨薄，造成零件強(qiáng)度降低。齒輪滲碳淬火越來越多地采用壓淬技術(shù)，目的就是減小淬火變形。感應(yīng)淬火的變形量較小，且由于淬火層厚，磨削對(duì)硬化深度的影響相對(duì)較小。

感應(yīng)淬火的局限性

輪齒脈動(dòng)彎曲疲勞試驗(yàn)雙齒加載方式

感應(yīng)淬火工藝有其特殊的應(yīng)用局限，這與磁場分布的客觀規(guī)律有關(guān)，應(yīng)針對(duì)具體零件具體分析。

1. 復(fù)雜截面零件

如某變速箱齒輪軸，包含多個(gè)齒輪、多個(gè)臺(tái)階及軸承位，采用感應(yīng)淬火工序多，難度大，從成本角度考慮是不合適的。還有一些硬化區(qū)域包含尖角的零件，感應(yīng)淬火難度很大，應(yīng)采用滲碳或其他化學(xué)熱處理。

2. 薄壁件

滲碳淬火硬化層很薄，心部硬度較低，可以保證韌性。感應(yīng)淬火則可能由于淬透脆裂。

3. 小零件

感應(yīng)淬火每個(gè)零件都需要上下料、加熱、冷卻等步驟，對(duì)于很小的零件不具有經(jīng)濟(jì)性。滲碳淬火可以批量裝爐，產(chǎn)量高，成本低。

4. 單件生產(chǎn)

感應(yīng)淬火需要針對(duì)不同零件制作不同的感應(yīng)器，對(duì)于批量較小的生產(chǎn)不具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

感應(yīng)淬火替代滲碳的一些建議

綜合而言，重載齒輪感應(yīng)淬火替代滲碳淬火的研究還需要做很多工作，其他需要提高耐磨性和強(qiáng)度的零件則可以選用適當(dāng)?shù)牟牧辖Y(jié)合感應(yīng)淬火工藝替代。

1. 感應(yīng)熱處理選材

滲碳處理后材料表面為高碳層，碳化物含量高，對(duì)耐磨性有利。感應(yīng)熱處理用材多為中碳鋼和中碳合金鋼，在耐磨件替代滲碳選材時(shí)可以選擇含碳量高的材料，如某凸輪軸采用80鋼制造，以獲得所需的性能。

感應(yīng)淬火零件的用材要求比滲碳淬火低，往往不被重視。選材過程不僅要考慮是否能夠淬到需要的硬度和淬火深度，還要對(duì)材料的化學(xué)成分、晶粒度、雜質(zhì)等指標(biāo)加以重視，這些因素對(duì)零件的性能也有很大的影響，需用對(duì)待滲碳鋼的高度對(duì)待感應(yīng)淬火鋼。

2. 重視預(yù)備熱處理

感應(yīng)淬火的加熱時(shí)間短，合金成分來不及均勻化，需要做好預(yù)備熱處理。感應(yīng)淬火通常是表面淬火，心部的組織和其他指標(biāo)要在預(yù)備熱處理工序保證。