感應(yīng)淬火工裝優(yōu)化解決難題范例與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

朱會(huì)文，潘金湖

1.宮電高周波設(shè)備（上海）有限公司 上海 200000 2.啟東精工熱處理有限公司 江蘇啟東 226200

1 序言

工裝即工藝裝備，指產(chǎn)品制造過程中所使用的各種工具的總稱。感應(yīng)淬火過程中的工裝主要有感應(yīng)器、夾具、導(dǎo)磁體和噴射冷卻器。

采用傳統(tǒng)的感應(yīng)淬火工裝有時(shí)很難滿足特殊零件的技術(shù)要求，經(jīng)驗(yàn)表明，通過對(duì)工裝的合理改進(jìn)，一些特殊零件的感應(yīng)淬火難題是可以解決的。

本文匯集的是日常生產(chǎn)中通過改進(jìn)工裝成功解決感應(yīng)淬火難題的一些范例與經(jīng)驗(yàn)。

2 改進(jìn)工裝成功解決感應(yīng)淬火難題的范例

2.1 噴水孔水平偏斜的設(shè)計(jì)

汽車變速器的“凸緣”如圖1所示。凸緣材料：50鋼。技術(shù)要求：表面硬度≥55HRC；有效硬化層深度：（2.5±0.5）mm；硬化區(qū)范圍為點(diǎn)劃線長(zhǎng)度（22±1）mm的φ45mm外圓區(qū)域。

圖1 汽車變速器的“凸緣”結(jié)構(gòu)

凸緣感應(yīng)淬火可以選擇連續(xù)加熱，也可以選擇同時(shí)加熱。凸緣需要感應(yīng)淬火的部位直徑45mm、長(zhǎng)度（22±1）mm，根據(jù)零件直徑與單匝有效圈高度的關(guān)系，允許采用單匝有效圈進(jìn)行同時(shí)加熱[1]，其生產(chǎn)效率比連續(xù)加熱高?？紤]硬化區(qū)與卡簧槽之間存在厚度僅為1～2mm的外凸邊，且不允許硬化，因此將自噴水單匝有效圈尺寸定為內(nèi)徑49mm、高度19mm；為避免外凸邊加熱硬化，有效圈底端外翹呈45°角斜面。

在感應(yīng)淬火中，一般都采用噴射冷卻。噴水孔的設(shè)計(jì)對(duì)零件冷卻有著重要影響。通常人們會(huì)考慮噴水孔軸線與零件軸線的角度，同時(shí)加熱淬火時(shí)，有效圈最上與最下各一列噴水孔的軸線可分別向上、向下傾斜15°，其余同列孔的軸線則可水平聚焦于有效圈的中心線。

當(dāng)采用常規(guī)方法設(shè)計(jì)制作感應(yīng)器后，發(fā)現(xiàn)淬火后的零件表面色澤呈灰白夾藍(lán)的花斑狀。藍(lán)色區(qū)域占總淬火面積的11%左右，硬度≤53HRC，比灰白區(qū)域表面硬度低了近10HRC。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)淬火冷卻介質(zhì)的壓力與流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，但未見效果。

經(jīng)觀察，在冷卻時(shí)段，因有效圈下端與卡簧槽外凸邊間隙很小，使淬火冷卻介質(zhì)下泄不暢；感應(yīng)器有效圈與零件間隙為2mm，淬火冷卻介質(zhì)水柱垂直噴射于零件表面發(fā)生了反彈，減緩了淬火冷卻介質(zhì)的上溢。因此，以上兩個(gè)問題疊加，削弱了冷卻能力。

熱零件表面與淬火冷卻介質(zhì)存在溫度差，二者之間會(huì)產(chǎn)生用以下數(shù)學(xué)方式表達(dá)的熱交換[2]，即

式中q——零件與淬火冷卻介質(zhì)之間熱交換的熱流密度（W/m2）；

ts——零件表面溫度（℃）；

ta——零件周圍淬火冷卻介質(zhì)溫度（℃）；

h——零件表面與淬火冷卻介質(zhì)間的換熱系數(shù)（W/m2·℃）。

從熱交換表達(dá)式可知，零件表面溫度一定時(shí)，零件周圍淬火冷卻介質(zhì)溫度越低，零件表面與淬火冷卻介質(zhì)間的換熱系數(shù)越高，則零件與淬火冷卻介質(zhì)之間熱交換的熱流密度越大，意味著零件的冷卻速度也就越快。

用水噴射淬火冷卻時(shí)的換熱系數(shù)曲線（水流量的影響）如圖2所示[2]。由圖2可知，噴射冷卻時(shí)水流量大小與換熱系數(shù)高低成正比。

圖2 用水噴射淬火冷卻時(shí)的換熱系數(shù)曲線（水流量的影響）

為此，研究改變淬火冷卻介質(zhì)與零件的接觸狀態(tài)，增加淬火冷卻介質(zhì)的流量，讓淬火冷卻介質(zhì)快進(jìn)快出，才是解決問題的關(guān)鍵。

基于上述思考，決定將有效圈上的噴水孔軸線沿周向偏轉(zhuǎn)一定的角度。噴水孔軸線沿周向偏轉(zhuǎn)角度方案一：噴水孔軸線與突緣加熱部位外圓面相切；噴水孔軸線沿周向偏轉(zhuǎn)角度方案二：噴水孔軸線與突緣加熱部位過切點(diǎn)半徑的1/2處相割。

方案一的實(shí)踐結(jié)果是，突緣旋轉(zhuǎn)時(shí)，淬火冷卻介質(zhì)在離心力的作用下，出現(xiàn)“臺(tái)風(fēng)眼”現(xiàn)象，突緣加熱沒有接觸到冷卻液。

方案二的實(shí)踐結(jié)果是，淬火冷卻介質(zhì)迅速?gòu)挠行εc突緣間隙的上下兩端涌出，冷卻后的零件表面呈灰白色，表面硬度≥60HRC。

按方案二偏轉(zhuǎn)角度的有效圈結(jié)構(gòu)如圖3所示。在感應(yīng)器有效圈的尺寸、冷卻介質(zhì)流量和其他工藝參數(shù)都未改變的情況下，僅將噴水孔軸線沿零件周向改變一定的角度，改善了零件的冷卻問題。

圖3 沿周向偏轉(zhuǎn)噴水角度有效圈結(jié)構(gòu)

在本案例中，噴水孔軸線水平偏轉(zhuǎn)了約25°，從零件中心線到其半徑1/2處的距離為11.25mm，零件中心線到有效圈內(nèi)徑的距離為25mm，如圖4所示。

圖4 噴水孔徑與有效圈厚度的關(guān)系

偏斜噴水孔的孔徑y(tǒng)與有效圈的厚度x成正比例關(guān)系，即孔徑越大，有效圈的厚度越厚；如果有效圈的厚度x不變，孔徑y(tǒng)變大，將有水柱垂直噴向零件表面。自噴式有效圈常采用1mm孔徑，從圖4中可得到11.25/（25+x）＝y(tǒng)/x關(guān)系式，式中，若取y＝1，則計(jì)算后x≈2.5mm, 理論上有效圈厚度應(yīng)≥2.5mm，但考慮到鉆孔加工的誤差，需乘以1.2的系數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)中有效圈應(yīng)選擇≥3mm厚度的T2材料。

頻率為200～300kHz、感應(yīng)器有效圈厚度為1.5～2.5mm時(shí)，可短時(shí)間不通水加熱[3]。由此，采用3mm厚度的單匝自噴水有效圈的設(shè)計(jì)是可行的，無需復(fù)雜的隔套冷卻有效圈的設(shè)計(jì)。

2.2 有效圈并聯(lián)輔助加熱圈，消除粉末冶金材料加熱開裂現(xiàn)象

鐵基粉末冶金零件是以鐵粉為主要原料，加以石墨、合金元素、硬脂酸鋅與機(jī)油等，經(jīng)過混合，放在規(guī)定的模腔中，用壓力機(jī)冷壓成形，再在保護(hù)氣氛條件下經(jīng)過1100℃左右的高溫?zé)Y(jié)成形。鐵基粉末冶金材料的金相組織與鋼鐵相似，不同的是組織中存在一定量的孔隙。鐵基粉末冶金中的孔隙有著“缺口”作用，會(huì)引起應(yīng)力集中，也使其導(dǎo)熱性能降低?？紫稌?huì)導(dǎo)致鐵基粉末冶金零件的加熱溫度比普通鋼件要高，加熱時(shí)間比普通鋼件要長(zhǎng)，冷卻速度比普通鋼件要快[2]。粉末冶金材料選擇加熱速度非?？斓母袘?yīng)熱處理，會(huì)加劇零件受熱的不均勻性，快速冷卻又會(huì)增加零件截面溫差，從而使熱應(yīng)力與組織應(yīng)力增大。因此，鐵基粉末冶金零件的感應(yīng)加熱與冷卻就成了非常容易發(fā)生開裂的兩個(gè)時(shí)段[4]。

某鏈輪結(jié)構(gòu)如圖5所示，其材料為F e-C-M o粉末冶金，其中wC＝0.5 0%～0.7 0%，wMo＝0.45%～0.75%，余為Fe。鏈輪的整體密度為6.85～7.08g/cm3。

圖5 某鏈輪結(jié)構(gòu)

鏈輪的主要幾何尺寸：齒數(shù)為5 0，節(jié)距為7.62mm，節(jié)徑為121.36mm，齒頂圓直徑為121.21～120.95m m，齒根圓直徑為112.73～112m m，鏈輪齒根與內(nèi)側(cè)圓孔的最小距離為8m m，如圖6所示。

圖6 鏈輪齒根與內(nèi)側(cè)圓孔的最小距離

鏈輪感應(yīng)淬火的技術(shù)要求： 齒部硬度≥75HR15N；齒根圓處有效硬化層深度Ds≥1mm；硬化層馬氏體區(qū)域的顆粒硬度≥690HK0.1。感應(yīng)淬火有效硬化區(qū)范圍如圖7所示（陰影部分）。

圖7 鏈輪感應(yīng)淬火有效硬化層范圍

某客戶曾購(gòu)買感應(yīng)熱處理設(shè)備自己進(jìn)行加工，零件開裂比例高達(dá)60%，其中相當(dāng)多的數(shù)量發(fā)生在加熱時(shí)段，裂紋均出現(xiàn)在齒根與鄰近圓孔的相連處。鏈輪感應(yīng)加熱后冷卻時(shí)段產(chǎn)生的裂紋部位與加熱時(shí)段相同。鏈輪感應(yīng)淬火過程產(chǎn)生的裂紋分布情況如圖8所示。

圖8 鏈輪感應(yīng)淬火過程產(chǎn)生的裂紋分布

隨后，客戶送來32件鏈輪委托我公司進(jìn)行熱處理。在了解客戶之前的熱處理情況后，根據(jù)鏈輪材料與形狀的特點(diǎn)，制定了先對(duì)鏈輪預(yù)熱再感應(yīng)淬火的工藝。

試制時(shí)，選擇箱式電阻爐，采用隨爐升溫到300℃、保溫15～20min的工藝，對(duì)鏈輪進(jìn)行預(yù)熱，然后選擇頻率45kHz的IGPT感應(yīng)電源和單匝自噴式有效圈，對(duì)鏈輪進(jìn)行同時(shí)加熱，采用8%～10%濃度的有機(jī)聚合物水溶液噴射冷卻。感應(yīng)淬火后的鏈輪，除2件用于調(diào)試、切樣檢測(cè)外，余下30件經(jīng)熒光磁粉檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋；鏈輪的有效硬化層深度、硬度、硬化區(qū)范圍全部符合技術(shù)要求，得到了用戶的肯定。

以上的工藝方法可用于小批量試制，但不適合批量生產(chǎn)。

為減少感應(yīng)加熱時(shí)鏈輪截面的溫差，在對(duì)鏈輪齒部加熱淬火的同時(shí)，也需要對(duì)鏈輪其他部位進(jìn)行一定的加熱，為此，將感應(yīng)器有效圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)樣式如圖9所示。在原有效圈基礎(chǔ)上并聯(lián)了一個(gè)圓環(huán)狀輔助線圈[5]。原有的有效圈對(duì)鏈輪感應(yīng)加熱淬火，并聯(lián)的圓環(huán)狀輔助線圈對(duì)鏈輪齒部以外區(qū)域起到提溫的作用。通過調(diào)整輔助線圈的直徑大小及其與鏈輪的上下距離，在確保齒部硬度、齒根圓處有效硬化層深度和有效硬化區(qū)范圍符合技術(shù)要求的前提下，將鏈輪齒部以外區(qū)域尤其是鄰近齒根的圓孔周邊的溫度控制在300℃左右，調(diào)整過程采用雙色紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度測(cè)量。

圖9 鏈輪淬火感應(yīng)器示意

通過試驗(yàn)，使用改進(jìn)后的感應(yīng)器，確定的工藝參數(shù)為：直流電壓390V、電流110A、旋轉(zhuǎn)速度80r/min，實(shí)施同時(shí)加熱，采用溫度為20～30℃、濃度為8%～10%的有機(jī)聚合物水溶液噴射冷卻。

按ISO/TS 16949質(zhì)量管理體系要求，通過了客戶一系列的認(rèn)證，鏈輪進(jìn)入了批量生產(chǎn)。批量生產(chǎn)的節(jié)拍與質(zhì)量完全滿足客戶的要求，加熱時(shí)段沒有發(fā)現(xiàn)鏈輪開裂，冷卻時(shí)段的開裂比例在0.2%左右，遠(yuǎn)小于客戶允許的3%。

2.3 導(dǎo)磁體在汽車零部件感應(yīng)加熱中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

在汽車零部件感應(yīng)淬火中，當(dāng)合適的操作條件（如頻率、能量、夾具）已經(jīng)具備時(shí)，感應(yīng)器設(shè)計(jì)是否合理將直接影響到感應(yīng)淬火的質(zhì)量，也是感應(yīng)加熱設(shè)備能否充分發(fā)揮效率的重要因素。對(duì)帶有平面、槽口、內(nèi)孔及R角等部位的零件進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)，必須在與淬火部位相對(duì)應(yīng)的有效圈上安裝導(dǎo)磁體，用來改善加熱區(qū)域的磁場(chǎng)分布，提高加熱部位溫度的均勻性，以獲得需要的表面硬度和硬化層。

導(dǎo)磁體也能進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽，避免無需硬化的相鄰部位被加熱。

下面介紹在汽車零部件感應(yīng)熱處理生產(chǎn)中使用導(dǎo)磁體的一些經(jīng)驗(yàn)。

（1）內(nèi)孔感應(yīng)淬火 內(nèi)孔感應(yīng)加熱，其外磁場(chǎng)感應(yīng)器效率η一般為0.3～0.5，遠(yuǎn)低于內(nèi)磁場(chǎng)感應(yīng)器0.7左右的水平[6]，為了提高內(nèi)孔加熱的熱效率，通常是加裝導(dǎo)磁體。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可將感應(yīng)加熱的內(nèi)孔按照內(nèi)徑大小分為以下4類。

1）對(duì)于＞φ50mm的內(nèi)孔，采用單匝方管有效圈對(duì)零件進(jìn)行連續(xù)感應(yīng)加熱淬火。有效圈上水平安裝開口朝向零件內(nèi)孔的Π形導(dǎo)磁體，如圖10所示。加熱φ50mm以上內(nèi)孔的感應(yīng)器由于銅管尺寸較大、冷卻充分，所以感應(yīng)器對(duì)導(dǎo)磁體的傳導(dǎo)熱可以忽略不計(jì)，而輻射熱也可通過調(diào)整電參數(shù)和加熱時(shí)間來減少，因此導(dǎo)磁體通常不會(huì)因溫度超過居里點(diǎn)而失效。

圖10 ＞φ50mm內(nèi)孔有效圈

2）對(duì)于16m m＜φ＜50m m的內(nèi)孔通常不用導(dǎo)磁體，而用方形銅管繞成多匝螺旋形有效圈進(jìn)行感應(yīng)加熱，用于渦輪輸出花鍵軸套內(nèi)孔淬火（φ20.98mm）的有效圈就是此類型的代表之一，如圖11所示。這類感應(yīng)器中最小的用于淬φ16mm孔的螺旋形感應(yīng)器的外徑只有13.5mm，共4匝，高24mm。特別要注意的是：此類感應(yīng)器有效圈一定要采用高壓水冷卻，水壓≥0.6MPa，有效圈中心的銅管必須為進(jìn)水管，次序一定不能搞錯(cuò)[7]。

圖11 φ16～φ50mm內(nèi)孔有效圈

3）對(duì)于12mm＜φ＜16mm的內(nèi)孔，采用中間鑲有一塊導(dǎo)磁體的回線形有效圈，當(dāng)有效圈電流透入深度大于兩導(dǎo)體之間導(dǎo)磁體厚度時(shí), 導(dǎo)磁體需呈兩個(gè)半環(huán)狀，以防匝間短路[8]，如圖12所示?；鼐€形內(nèi)孔感應(yīng)器一般使用可加工導(dǎo)磁體，也可使用可成形導(dǎo)磁體制成所需形狀后放在烘箱內(nèi)固化，但效果比可加工導(dǎo)磁體要差。這里需注意的是，使用回線形感應(yīng)器有效圈加熱時(shí)淬火件必須旋轉(zhuǎn)。

圖12 φ12～φ16mm內(nèi)孔有效圈

4）用于φ10mm內(nèi)孔感應(yīng)加熱淬火的有效圈如圖13所示，是在圖12所示有效圈的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。該有效圈的壁厚為0.5mm，與零件內(nèi)孔的間隙為1mm，因此有效圈制作精度要求很高，對(duì)夾具和淬火機(jī)床的精度要求也很高。感應(yīng)加熱時(shí)電源頻率應(yīng)≥200kHz，有效圈兩導(dǎo)體之間導(dǎo)磁體厚度≥3mm，感應(yīng)加熱淬火時(shí)零件必須旋轉(zhuǎn)，并注意感應(yīng)器冷卻的水壓。

圖13 φ10mm內(nèi)孔有效圈

對(duì)于＜φ16mm內(nèi)孔加熱有效圈通常都是用細(xì)銅管制成的，為了避免因冷卻水溫度過高而導(dǎo)致導(dǎo)磁體失效或有效圈爆裂，零件內(nèi)孔加熱的深度和長(zhǎng)度是有限制的。

導(dǎo)磁體受到的熱量主要來自兩個(gè)方面：感應(yīng)器中除了轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)的能量以外（即克服自感電動(dòng)勢(shì)作功的那部分能量），還有轉(zhuǎn)化為焦?fàn)?楞次熱的能量以及加熱零件表面對(duì)導(dǎo)磁體的熱輻射。導(dǎo)磁體主要依靠感應(yīng)器有效圈中的循環(huán)水進(jìn)行冷卻。

由于感應(yīng)加熱是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，其理論計(jì)算至今仍是一個(gè)難題，在此僅假設(shè)一個(gè)理想狀態(tài)，以結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的回線形感應(yīng)器為例，對(duì)內(nèi)孔加孔這個(gè)問題進(jìn)行定性計(jì)算。

其可以加熱的最大長(zhǎng)度與零件內(nèi)孔的大小、有效圈銅管尺寸的選擇，以及冷卻水的流量和加熱方式等有關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)中，有效圈制作時(shí)的彎曲會(huì)造成管道內(nèi)壁的不規(guī)則變化，進(jìn)而導(dǎo)致通徑變小，形成的彎道會(huì)引起水流阻力增加，因此能夠加熱的內(nèi)孔長(zhǎng)度往往比計(jì)算值要小。

為了保證導(dǎo)磁體溫度在居里點(diǎn)以下，可以同時(shí)感應(yīng)加熱的內(nèi)孔長(zhǎng)度受其有效圈銅管直徑的嚴(yán)格限制，銅管直徑越大，能通過的冷卻水流量越大，冷卻效果越好，可同時(shí)加熱的內(nèi)孔長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。雖然在生產(chǎn)中無論中頻、超音頻還是高頻，一般都采用同時(shí)加熱淬火為主，但如果徑長(zhǎng)比特別?。ǎ?/6）或者受設(shè)備輸出功率限制，比功率不足時(shí)，內(nèi)孔就應(yīng)選擇掃描加熱淬火，這時(shí)對(duì)淬火機(jī)床的精度要求更高。

（2）槽口感應(yīng)淬火 對(duì)于槽口類零件，大多要求槽口兩側(cè)面淬火，側(cè)面上下受熱體的質(zhì)量變化很大，硬化層一般呈“倒三角”形分布。槽口有效圈截面如圖14所示，為上窄下寬一進(jìn)一出回線式，上邊寬度較小是為了減少槽口開口處的尖角效應(yīng)。在有效圈的中間鑲有一塊導(dǎo)磁體，一是提高效率，二是避免槽口側(cè)面中間部分硬化層內(nèi)凹。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，高頻感應(yīng)加熱時(shí)導(dǎo)磁體的厚度不應(yīng)＜3mm；中頻與超音頻感應(yīng)加熱時(shí)，導(dǎo)磁體的厚度還要相應(yīng)加厚，否則會(huì)導(dǎo)致有效圈正反向磁力線互相抵消，引起槽口中部加熱不足。這種感應(yīng)器主要應(yīng)用于槽口尺寸較小的轎車類零件。對(duì)于拖拉機(jī)、貨車上的大尺寸零件可以采用“一來二往”式槽口淬火感應(yīng)器或4根平行導(dǎo)線式有效圈。

圖14 槽口有效圈截面

（3）異形部位感應(yīng)加熱

1）倒檔撥叉山字槽仿形淬火。桑塔納與奧迪轎車手動(dòng)檔變速器上的倒檔撥叉有著相似的形狀，如圖15所示。需要感應(yīng)淬火的山字槽同時(shí)存在內(nèi)圓角和外圓角，硬化層需要仿形（見圖16），其感應(yīng)淬火有著較大的難度。

圖15 倒檔撥叉結(jié)構(gòu)

圖16 硬化層要求

為此，設(shè)計(jì)了仿山字槽形狀的兩根平行回線形有效圈[9]，如圖17所示。零件放置在有效圈中間，有效圈山峰高度超出零件A處2mm左右，兩個(gè)“山谷”與零件B、C處持平。在加熱“山”字槽時(shí)，A部位處于有效圈的內(nèi)磁場(chǎng)，受環(huán)狀效應(yīng)和鄰近效應(yīng)疊加影響，加熱效率η最大可達(dá)0.9；而B和C部位處于有效圈的外磁場(chǎng)，主要為鄰近效應(yīng)，加熱效率η最大僅為0.5[8]。因此，A部位與B、C部位無法同時(shí)到達(dá)淬火溫度。通過在有效圈山谷處施放導(dǎo)磁體，提高B和C處的加熱效率，如圖18所示。采用此方案對(duì)倒檔撥叉進(jìn)行高頻感應(yīng)淬火，產(chǎn)品符合圖樣要求且質(zhì)量穩(wěn)定。

圖17 感應(yīng)器有效圈形狀

圖18 有效圈與工件相對(duì)位置及導(dǎo)磁體鑲嵌位置

2）截面有較大變化的零件感應(yīng)淬火。對(duì)截面變化不大的軸類零件可以通過現(xiàn)代感應(yīng)熱處理設(shè)備改變有效圈與零件的相對(duì)移動(dòng)速度或變換電源輸出功率進(jìn)行連續(xù)加熱淬火，從而獲得所需的仿形硬化層。但對(duì)截面有較大變化的軸類零件進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火時(shí)必須采用矩形有效圈，其產(chǎn)生的橫向磁場(chǎng)在零件表面形成縱向的感應(yīng)電流，保證了硬化層的連續(xù)。

案例1：帶球道軸類零件感應(yīng)淬火。

圖19所示為用于水泵軸感應(yīng)淬火的矩形有效圈。水泵軸桿體上有兩個(gè)球道，技術(shù)要求外圓通體淬火，特別是球道底部要保證有效硬化層深度達(dá)到0.8～2mm（575HV1），在兩根縱向四方體銅管上靠近球道處加工出兩對(duì)共4個(gè)半圓形凸起[10]，把“Π”形導(dǎo)磁體安裝在正對(duì)球道的有效圈上，將能量驅(qū)向球道底部，取得了理想的硬化層。

圖19 水泵軸與有效圈示意

案例2：轉(zhuǎn)子軸感應(yīng)淬火。

電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子軸感應(yīng)淬火部位如圖20所示。轉(zhuǎn)子軸感應(yīng)淬火后軸向1/2剖面的硬化層如圖21所示。轉(zhuǎn)子軸材料為40Cr鋼。有效硬化層深度為0.5～1.5mm，角部位允許＞1.5mm。表面硬度為550～777HV10。轉(zhuǎn)子軸淬回火后外圓磨削，如圖22所示。用于轉(zhuǎn)子軸感應(yīng)淬火的有效圈圖樣如圖23所示。

圖20 轉(zhuǎn)子軸感應(yīng)淬火部位

圖21 轉(zhuǎn)子軸硬化層 4%硝酸酒精侵蝕

圖22 轉(zhuǎn)子軸淬回火后外圓磨削

圖23 轉(zhuǎn)子軸有效圈

案例3：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣門挺柱球窩面感應(yīng)加熱淬火。

氣門挺柱如圖24所示。淬火部位及硬化層形狀如圖25所示。

圖24 氣門挺柱結(jié)構(gòu)與實(shí)物

圖25 硬化層形狀要求

氣門挺柱感應(yīng)淬火要求：表面硬度為550～650HV10；有效硬化層深Ds450＝0.6～1.5mm。

氣門挺柱感應(yīng)淬火關(guān)鍵技術(shù)是有效圈設(shè)計(jì)與導(dǎo)磁體的形狀，還有淬火機(jī)床的定位精度。

由于零件淬火面為弧形，因此無法用大力值維氏硬度計(jì)檢測(cè)表面硬度，經(jīng)與客戶協(xié)商，沿零件軸線剖開取樣，采用小力值維氏硬度計(jì)1kgf（9.8N）試驗(yàn)力在截面上距表面0.3mm處測(cè)量硬度作為表面硬度值。

感應(yīng)器有效圈選擇壁φ3mm、壁厚0.5mm的T2銅管和可加工導(dǎo)磁體制作，如圖26所示。感應(yīng)加熱時(shí)，零件必須旋轉(zhuǎn)。

圖26 感應(yīng)器有效圈與可加工導(dǎo)磁體的形狀

氣門挺柱感應(yīng)加熱電源有兩種選擇：250kHz的電子管電源或MOSFET晶體管電源。

選擇電子管電源時(shí)，φ3m m銅管的冷卻水壓力只需要達(dá)到0.2MPa即可； 選擇晶體管電源時(shí)，φ3mm銅管的冷卻水壓力需要達(dá)到0.6MPa左右。

挺柱感應(yīng)淬火后的檢測(cè)結(jié)果：距表面0.3mm處硬度為637HV1；零件感應(yīng)淬火后硬化層情況如圖27所示；底部、端面至底部1/2弧處有效硬化層深度為1.41mm，如圖28所示；外觀無裂紋、無灼傷。

圖27 感應(yīng)淬火后硬化層

圖28 有效硬化層深度

2.4 球頭銷零件在保護(hù)氣氛中感應(yīng)淬火

球頭銷零件脖頸尺寸為φ11mm，球頭橫截面最大處尺寸為φ22mm（屬于LMN 701標(biāo)稱直徑小于27的類別）。有效硬化層要求：桿部及脖頸處Ds＝1～2.2mm（HVHL＝480HV1），對(duì)球面的影響區(qū)應(yīng)控制在以球頭銷脖頸圓角的中心為基點(diǎn)向上1～2.2mm內(nèi)，如圖29所示。

圖29 球頭銷結(jié)構(gòu)及感應(yīng)淬火區(qū)域

球頭銷感應(yīng)淬火后的表面粗糙度要求：球面Rz≤3.0μm；桿部Rz≤10.0μm。

雖然感應(yīng)加熱速度非常快，但暴露于空氣中溫度超過525℃以上的熱處理過程都會(huì)使鋼鐵零件表面出現(xiàn)程度不一的氧化、脫碳甚至燒損現(xiàn)象，影響到零件表面粗糙度。用傳統(tǒng)方法在空氣中感應(yīng)淬火后工件表面氧化現(xiàn)象如圖30所示；氧化層按GB/T 6462—2005《金屬和氧化物覆蓋層：厚度測(cè)量 顯微鏡法》檢測(cè)，氧化層有5μm，如圖31所示。

圖30 感應(yīng)淬火后零件表面氧化

圖31 工件表面氧化層（1000×）

當(dāng)使用氮?dú)庾鳛楦袘?yīng)淬火的保護(hù)氣氛時(shí)，一般認(rèn)為：只要在加熱零件周圍的惰性氣體達(dá)到99.9%，即此時(shí)氧含量＜1000ppm（1ppm＝10-6）時(shí)，就可以獲得一個(gè)無氧化的表面層[11]。為此，設(shè)計(jì)了用于球頭銷感應(yīng)淬火的保護(hù)氣氛工裝，如圖32所示。該工裝是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，內(nèi)置感應(yīng)器和淬火噴液器，外置儲(chǔ)液罐內(nèi)的液氮經(jīng)過蒸發(fā)器和壓力控制臺(tái)后輸進(jìn)該工裝內(nèi)，氮?dú)獾膲毫Ρ３衷?.15MPa，流量為24m3/h。

圖32 按裝在淬火機(jī)床上的保護(hù)氣氛工裝

考慮到保護(hù)氣氛工裝密封環(huán)境是相對(duì)的，由于零件進(jìn)出需要開起工裝的上蓋，因此在零件開始加熱前必須先通入氮?dú)猓懦諝?，并在感?yīng)加熱過程中始終保持正壓，直到噴液冷卻時(shí)。

液氮儲(chǔ)罐出來的液氮經(jīng)蒸發(fā)器成為氣氮，再由壓力控制臺(tái)調(diào)整到所需壓力，通向電磁閥，電磁閥開關(guān)由PC機(jī)控制，最后進(jìn)入密封工裝內(nèi)。

整個(gè)工藝流程如下：工件旋轉(zhuǎn)→電磁閥開啟、氮?dú)馔ㄈ搿獨(dú)馔ㄈ胍欢〞r(shí)間后→開始對(duì)球頭銷加熱→加熱完畢→淬火液噴射，同時(shí)電磁閥關(guān)閉。氮?dú)廨斎肟刂瓶驁D如圖33所示。

圖33 氮?dú)廨斎肟刂瓶驁D

為了解球頭銷感應(yīng)淬火前后表面氧化物的變化，取未淬火球頭銷、空氣中淬火球頭銷與氮?dú)獗Ｗo(hù)淬火球頭銷，分別對(duì)其球面和桿部進(jìn)行電子探針分析。結(jié)果顯示，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛進(jìn)行感應(yīng)淬火的球頭銷，其桿部淬火部位的氧含量是空氣中淬火桿部的1/4。

在保護(hù)氣氛條件下，球頭銷桿部感應(yīng)淬火后表面粗糙度接近淬火前，見表1。

表1 感應(yīng)淬火前后球頭銷的表面粗糙度變化 （μm）

工件淬火部位目測(cè)不易察覺到表面色澤的變化，如圖34所示。

圖34 球頭銷感應(yīng)淬火前后外觀

如果不在保護(hù)氣氛下對(duì)球頭銷感應(yīng)淬火，為了達(dá)到其要求的表面粗糙度，淬火后需使用羊毛氈砂輪和綠油膏進(jìn)行手工拋光，且不考慮人為因素對(duì)手工拋光質(zhì)量的影響，則產(chǎn)生的費(fèi)用約是氮?dú)獗Ｗo(hù)感應(yīng)加熱淬火的12倍。

2.5 活塞式駐車執(zhí)行器狹縫底平面的感應(yīng)淬火

活塞式駐車執(zhí)行器材料為ZG310-570，實(shí)物如圖35所示；寬僅5mm的狹縫底平面需感應(yīng)淬火，如圖36所示。

圖35 活塞式駐車執(zhí)行器實(shí)物

圖36 槽底平面感應(yīng)加熱淬火

活塞式駐車執(zhí)行器感應(yīng)加熱淬火技術(shù)要求：表面硬度為600～800HV0.3，有效硬化層深度為0.1～4.5mm。

感應(yīng)淬火、回火后硬度檢測(cè)點(diǎn)位置如圖37所示。

圖37 感應(yīng)淬回火后硬度檢測(cè)點(diǎn)位置

活塞式駐車執(zhí)行器感應(yīng)加熱有效圈如圖38所示。

圖38 駐車執(zhí)行器有效圈示意

零件感應(yīng)淬火、回火后，切樣鑲嵌，然后經(jīng)磨平、拋光、腐蝕，觀察到的硬化層分布情況如圖39所示。

圖39 硬化層分布（ 4%硝酸酒精侵蝕）

零件各測(cè)量點(diǎn)的硬度分布見表2。

表2 零件各測(cè)量點(diǎn)的硬度分布 （HV0.3）

有效硬化層深度（極限硬度值600HV×0.8＝480HV）見表3。

表3 有效硬化層深度 （mm）

活塞式駐車執(zhí)行器零件經(jīng)熒光磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋；目測(cè)未發(fā)現(xiàn)熔融，感應(yīng)淬火質(zhì)量符合技術(shù)要求。

3 屏蔽與導(dǎo)流技術(shù)在感應(yīng)加熱上的應(yīng)用

桑塔納轎車手動(dòng)變速器中的三/四檔同步器齒轂，其周向每隔120°有一滑塊槽，如圖40所示。圖樣規(guī)定齒轂周向的齒表面需進(jìn)行感應(yīng)淬火，但滑塊槽及其兩側(cè)半齒不允許淬火硬化，如圖41所示。

圖40 三/四檔同步器齒轂結(jié)構(gòu)

圖41 半齒附近硬化特性曲線要求示意

在策劃桑塔納轎車手動(dòng)變速器零件熱處理國(guó)產(chǎn)化時(shí)，了解到德國(guó)大眾早期采用沿齒轂周向分段連續(xù)感應(yīng)淬火，后來改進(jìn)為周向分段同時(shí)感應(yīng)淬火，這兩種方法都可以做到滑塊槽及其兩側(cè)半齒不被加熱淬火硬化。如果采用不分段進(jìn)行同時(shí)加熱淬火，能夠提高生產(chǎn)效率，但必須解決滑塊槽及其兩側(cè)半齒加熱淬火硬化的問題。

根據(jù)電流“走捷徑”的特性，渦流也是電流，因此渦流同樣要走捷徑。眾所周知，電流走捷徑時(shí)其電阻值最小。在并聯(lián)電路中，并聯(lián)電阻兩端電壓相等，總電流等于各分路電流之和。設(shè)總電流為I，分路電流為I1、I2，則I＝I1+I2＝U／R1+U／R2。當(dāng)R1＜R2時(shí)，則I1＞I2，即R1分路電流大于R2分路電流。在并聯(lián)電路中，電流與電阻存在以下關(guān)系：I1／I2＝R2／R1。由此可知，要加大I1的電流強(qiáng)度，就要減少R1的電阻值?；谶@樣認(rèn)識(shí)，在零件需要硬化表面理想的渦流“走向”路線上，在不需要加熱淬火硬化的那一段，用銅材搭橋與鋼材部分形成并聯(lián)電路，此處可將用于搭橋的銅材與鋼材部分視為兩個(gè)電阻，用于說明導(dǎo)流的簡(jiǎn)化電路如圖42所示。

圖42 用于說明導(dǎo)流的簡(jiǎn)化電路

根據(jù)電阻定律，即

式中ρ——電阻率（Ω·m）；

L——電阻的長(zhǎng)度（m）；

S——電阻的截面積（m2）。

在20℃時(shí)，銅材的電阻率為0.0175×10-6Ω·m，鋼材的電阻率為0.13×10-6Ω·m。

用銅材搭橋與鋼材形成并聯(lián)電路時(shí)，其長(zhǎng)度可視為一樣；因?yàn)闇u流具有“趨膚效應(yīng)”，銅材的截面積不小于鋼材被加熱淬火硬化的截面積即可。于是可以推算出其電流與電阻的關(guān)系為

這說明流經(jīng)銅材的渦流強(qiáng)度是鋼材的7倍多。當(dāng)渦流流經(jīng)該段時(shí)，由于銅材的電阻值遠(yuǎn)比鋼材的小，因此渦流大部分從銅材分路流過，而鋼材部分的渦流很小，所產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)達(dá)不到奧氏體化溫度，也就不可能達(dá)到淬火硬化。

在零件需要硬化表面理想的渦流“走向”路線上，有一段不需要加熱淬火硬化時(shí)，用銅材搭橋與鋼材形成并聯(lián)電路，用來引導(dǎo)渦流從銅材處流過，稱作“導(dǎo)流技術(shù)”。

用于“導(dǎo)流”的銅材在渦流走過時(shí)也會(huì)發(fā)熱，其電阻熱為

當(dāng)工件未應(yīng)用“導(dǎo)流技術(shù)”時(shí)，工件表層渦流強(qiáng)度為I、電阻為R2，其電阻熱為

在并聯(lián)電路中，總電流等于分電流之和，即

由（3）式可知，分電流的關(guān)系為

將式（7）代入式（6），則得出

由式（3）可知

將I＝（8.43/7.43）I1與R2＝7.43R1代入式（5），得出

將式（4）除以式（9），得出

由式（10）可知，“導(dǎo)流”用銅材上渦流產(chǎn)生的電阻熱僅是未導(dǎo)流前零件上電阻熱的1/10，因此選擇合適截面的銅材，導(dǎo)流時(shí)就不會(huì)發(fā)生銅材過分發(fā)熱甚至熔融的情況。

根據(jù)以上分析，制定了5種試驗(yàn)方案，采用單匝有效圈對(duì)三/四檔齒轂進(jìn)行同時(shí)加熱淬火。試驗(yàn)方案與結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

經(jīng)過比較，選擇第5種方案，采用特制的屏蔽導(dǎo)流塊，如圖43所示。3個(gè)屏蔽導(dǎo)流塊按120°均布安裝在圓形夾具上，齒轂放入夾具后，操作人員使用夾緊裝置將屏蔽導(dǎo)流塊與半齒根部貼合，然后進(jìn)行感應(yīng)淬火。

使用屏蔽與導(dǎo)流工裝，實(shí)現(xiàn)了齒轂周向不分段同時(shí)感應(yīng)淬火，經(jīng)過上海大眾認(rèn)證，硬化層分布符合圖樣技術(shù)要求，零件質(zhì)量穩(wěn)定。

圖43 屏蔽導(dǎo)流塊

4 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)工裝是一項(xiàng)投資少、見效快、經(jīng)濟(jì)效益高的應(yīng)用性研究工作。在不增添感應(yīng)淬火新設(shè)備的情況下，根據(jù)感應(yīng)淬火的原理和相關(guān)知識(shí)，從工廠實(shí)際出發(fā)，對(duì)工裝加以改進(jìn)，確實(shí)解決了一些零件感應(yīng)淬火的難題，也取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。