感应加热淬火

热处理技术

感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电的集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。它在热处理领域中占有重要地位，这一技术已经在我国被广泛应用。

技术简介

感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频（27MHz）、高频（200-250kHz）、中频（2500-8000Hz）和工频（50Hz）。由于电流频率不同，加热时感应电流投入深度不同。使用高频时，感应电流透入深度很小（约0.5mm），主要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火；使用中频时，感应电流投入深度（约5～10 mm），主要用于中、小模数的齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火；使用超高频时，感应电流投入深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表面淬火；使用工频时，电流投入深度较大（超过10mm），主要用于冷轧辊表面淬火。

感应加热的基本原理

将工件放在一个由铜管制成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，在感应器周围将产生一个频率相同的交变磁场，于是工件内就会产生同频率的感应电流，这个电流在工件内形成回路，称为涡流。此涡流能使电能变为热能加热工件。涡流在工件内分布是不均匀的，表面密度大，心部密度小。通入感应器的电流频率愈高，涡流集中的表层愈薄，这种现象称为集肤效应。由于集肤效应使工件表面迅速被加热到淬火温度，随后喷水冷却，工件表面被淬硬。

淬硬层的厚度取决于高频电流投入工件表面的深度δ，而此深度δ又取决于高频电流的频率：（20℃冷态）；（800℃热态）。式中：f的单位是Hz；δ的单位是mm。

感应加热频率的选用

感应电流透入工件表面的深度主要取决于电流频率。因此，可选用不同频率来达到不同要求的淬硬层深度。按所用电流频率的不同，感应加热可分为三类：

1）高频感应加热：电流频率多为200~300kHz，淬硬层深度为1.0~2.0 mm。适用于淬硬层较薄的中、小型零件（如轴、齿轮等）。用高频交流电进行表面淬火的方法称为高烷感应加热淬火。

2）中频感应加：热常用的电流频率为2500~8000Hz，淬硬层深度一般为2~10 mm。适

用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮等。电源设备为机械式中频发电机组或可控硅变频器。

3）工频感应加热：电流频率为50Hz，通过感应器加热工件。它不需要变频设备。淬硬

层深度可达10~15 mm。适用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表匣淬火。

感应加热淬火的特点

与普通淬火相比，感应加热淬火有以下主要特点：

1）于感应加热速度很快，且无保温时间，使铁、碳原子来不及扩散，故使相变温度升高加热温度一般在Ac3以上80~150℃。

2）由于感应加热时间短，使奥氏体晶粒细小而均匀，淬火后得到隐针马氏体组织，故硬度比普通淬火高HRC 2~3，且脆性较低。

3）感应加热淬火后，由于马氏体体积膨胀，工件表层产生残余压应力，从而提高了疲劳强度。

4）由于加热时间极短，工件一般不会发生氧化和脱碳。同时由于心部未被加热，故工件变形很小。

5）生产率高，适于大批量生产，而且易于实现机械化和自动化。但感应加热设备昂贵，维修、调整比较困难，形状复杂的工件不易制造感应器，且不适合单件小批生产。

感应加热淬火主要适用于中碳钢和中碳合金钢（如45，40Cr、40MnB等）。也可用于高碳工具钢和合金工具钢及铸铁件等。通常，表面淬火前应进行预先热处理（正火或调质），这不仅为保证表面淬火质量作好组织准备，也为工件在整个截面上具有良好的力学性能做好组织准备。感应加热淬火后，为了降低淬火应力，保持高的硬度和耐磨性，要进行低温（180~200℃）回火。对于形状简单、大量生产的工件可利用其淬火余热进行自热回火。

技术优劣

优点

感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，因此，受到普遍的重视和广泛应用。与传统热处理相比，它有以下的优点：

1）感应加热属于内热源直接加热，热损失小，因此加热速度快，热效率高。

2）加热过程中，由于加热时间短，零件表面氧化脱碳少，与其他热处理相比，零件废品率极低。

3）感应加热淬火后零件表面的硬度高，心部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺L]敏感性，故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。

4）感应加热设备紧凑，占地面积小，使用简便（即操作方便）。

5）生产过程清洁，无高温，劳动条件好。

6）能进行选择性加热。

7）感应加热表面淬火的机械零件脆件小，同时还能提高零件的力学性能（如屈服点、抗拉强度、疲劳强度），同样经过感应加热表面淬火的钢制零件的淬火硬度也高于普通加热炉的淬火硬度。

8）感应加热设备可放置在加工生产线上，通过电气参数对过程进行精确的工艺控制。

9）和用感应加热淬火，可用普通碳素结构钢代替合金结构钢制作零件而不降低零件质量，所以，在某些条件下可以代替工艺复杂的化学热处理。

10）感应加热小便应用于零件的表面淬火，还可以用于零件的内孔淬火，这是传统热处理所不能达到的。

缺点

然而，感应加热表面淬火也有其本身的不足：

1）设备与淬火工艺匹配比较麻烦，因为电参数常发生变化。

2）需要淬火的零件要有一定的感应器与其相对应。

3）要求使用专业化强的淬火机床。

4）设备维修比较复杂。

技术形态

感应加热淬火缺陷及防止

淬火裂纹

感应加热淬火时，马氏体转变所产生的体积膨胀作用显著。由于表层的体积膨胀受到心部冷硬材料的制约，拉着表层不让它胀大，结果在表层形成残余压应力，而在表层与心部的交界处形成残余拉应力。当表层处于受压状态时，表层中的原子有彼此靠近压紧的倾向，故感应加热一般不产生淬火裂纹。

但是如果工件局部过热，则会导致淬火开裂。高频感应加热时温度上升极快，工件上的尖角、键槽和孔的周围处容易过热。为防止淬火裂纹产生，可用铜塞或钢塞将槽、孔填平后再加热。

导致淬火裂纹的另一个原因是冷却不当。如果冷却过于缓慢；以致表层冷却速度达不到临界淬火速度，则热应力的作用显著，结果因在表层形成残余拉应力而容易产生龟裂。因此，工件感应加热后必须快冷，高频感应加热时尤其要注意这一点。

淬火变形

感应加热淬火是表面淬火，淬火过程中只在表层形成热应力和组织应力，因此，这种淬火方法所导致的变形一般都不明显。

但是，当轴类和长条形零件加热层厚度不均时，则会产生淬火翘曲。加热层较浅的那一侧冷却较快，根据第四章中对淬火变形原因的阐述，零件变形仍然是快晔的一侧外凸。轴类零件加热时应不停地转动，以弥补工件表面与感应器的间隙不均，从而使加热层变得均匀一致。长条形零件则应考虑加热层的对称性，在设计感应器时必须注意这一点。

圆柱齿轮的淬火变形主要是内孔胀缩和齿形变化。在满足淬硬层要求的前提下采用较大的比功率以缩短加热时间，对齿轮进行合理设计使壁厚均匀和形状对称，合理安排工艺路线等措施，都有利于减小齿轮变形。

硬度不足

高频淬火后常出现硬度不足、软点和软带等缺陷。连续加热淬火所形成的软带，呈暗紫色的螺旋形，这是喷水孔堵塞或孔的大小和数目不当所产生的现象。同时加热淬火后硬度不足，则往往是冷却不及时造成的。改变喷水孔的角度和喷水量，调整工件的转动和移动速度可有效地避免螺旋软带形成。

造成硬度不足的另一个原因是加热温度不够。亚共析钢加热温度不够时，组织中会有较多量铁素体残留下来，造成淬火后硬度不足。降低工件在连续加热淬火过程中的移动速度，可使加热温度获得提高。

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