感應熱處理技術與設備的發展

       20世紀50年代，感應熱處理開始在國內應用，當時此工藝被稱作“高周波淬火”。這門熱處理新工藝利用線圈電磁感應加熱工件快速達到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織。它具有加熱速度快、有較好的勞動條件、表層強度高和變形小等特點，很快為熱處理工作者所接受并速度發展。

一、感應熱處理節能方面的優越性

1.感應加熱方面的節能

感應加熱速度快，能提高金屬材料的相變溫度（50～100℃），加速奧氏體轉變過程。在淬火后表面得到細小的馬氏體，表面硬度比一般淬火高2～3HRC。感應加熱調質處理代替箱式電爐調質處理可節電35%～50%；感應加熱代替滲碳和碳氮共滲等表面硬化處理，可節電80%～95%；代替爐中整體加熱淬火可節電40%～50%。

2.感應加熱件回火方面的節能

利用感應加熱將熱量傳到淬火層以外，淬火冷卻時未全部帶走殘留下來的熱量而實現短時間回火，具有高效節能，并在許多情況下(如對高碳鋼及高碳高合金鋼)可避免淬火開裂，同時一經確定各工藝參數可大批量生產等優點，經濟效益顯著。

3.感應加熱設備方面的節能

感應熱處理用電量約占熱處理設備總用電量的20%～25%。我國熱處理常用的電爐熱效率一般都小于55%，箱式電爐淬火為30%～40%，高溫回火為40%～50%。井式氣體滲碳爐滲碳為7%～15%，中溫電極浴爐淬火加熱為18%～25%,井式回火爐回火為40%～60%，井式回火爐回火為40%～60%。感應加熱爐的熱效率：燈式高頻爐為44%～60%，機式中頻爐為49%～69%，可控硅靜止交頻機57%～78%。利用高頻感應加熱直流放電進行滲碳，可獲得0.35～0.45mm滲碳層，滲層表面碳勢0.9%～1.05%，可縮短生產周期10～12倍。

二、感應加熱電源的發展

1.晶閘管（SCR）中頻電源

早期感應加熱電源是機械式中頻發電機，電效率低，為70%～75%，已被逐步淘汰出感應加熱范圍，取而代之的是晶閘管中頻電源亦稱可控硅中頻電源。晶閘管電源頻率在2.5～8kHz，適用范圍大大擴展。90年代初wq成熟，某些技術指標已經達到國際先進水平。它與機械式中頻相比優點是體積小，重量輕；無機械運動，噪聲小；能瞬時啟動和停機；頻率在工件運行中自動跟蹤。缺點是過載能力低，故障率高，價格較高。

2.電子管高頻電源

電子管高頻電源調諧簡單，使用方便，盡管頻率高，應用范圍還是較寬的。缺點為電效率低，約為50%；工作電壓太高，安全性差。

3.晶體管超高頻和高頻電源

90年代后，晶體管高頻電源（SIT高頻電源、MOSFET高頻電源、IGBT超音頻電源等）開始研發。

靜態感應晶體管SIT(StaticSIT Induction Transistor)實際上是一種結型場效應晶體管。SIT靜電感應晶體管電源，集大電流、高耐壓和高頻特性于一體，但由于SIT電源因單管功率小等缺點很難克服，國外公司已經停止研發和生產，國內已生產幾十臺，但由于備件缺乏，已經逐漸報廢。

MOSFET（場效應晶體管電路）是一種電壓型高頻多數載流子器件，國內晶體管MOSFET高頻電源f=50～200kHz已能生產，功率達200kW。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極晶體管是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產物，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。IGBT超音頻電源我國在90年開發成功，目前國產IGBT電源已很成熟,頻率可做到幾百千赫。

三、感應熱處理新工藝、新技術的發展

1.典型零件感應熱處理工藝發展

（1）曲軸 曲軸熱處理強化技術，由滲氮強化到感應淬火，表淬火感應器由分合式曲軸頸感應器改為半環感應器旋轉淬火，解決了油孔淬裂及圓角處淬硬區窄問題。

美國應達公司最近開發成功曲軸靜止淬火技術，利用集流器原理實現軸徑的靜止加熱淬火，其特點是生產效率高，設備成本低。但該技術僅局限于軸徑淬火，在我國還未推廣使用。

（2）軸類零件采用矩形管縱向加熱淬火 臺階軸使用縱向加熱淬火法 (感生電流方向與施感電流方向一致)對階梯軸表面淬火，工件成為感應器的一部分, 工件表面同時受高頻電流和感應電流加熱, 加熱速度快(一般只有0.5s)，自冷淬火?？晒ぜ砻嫱瑫r獲得連續的表面硬化層, 不存在臺階處過熱現象，變形小，大大提高了軸的扭轉疲勞強度。一汽、東汽等均已將此工藝用于半軸生產。

（3）齒輪 人們對齒輪感應淬火的研究和應用歷史悠久，但在汽車齒輪上的應用卻非常有限，汽車零件中發動機飛輪齒圈普遍采用感應淬火，其他一些變速箱齒輪等還是采用滲碳、滲氮處理。這是因為汽車齒輪感應淬火不采用沿齒溝的單齒淬火工藝，而主要采用整體加熱淬火工藝。德國 ELDE公司研發出用SDF，即對汽車齒輪同時雙頻仿齒廓感應淬火。這種感應淬火方法使得齒輪具有很好的仿形淬硬層，高的疲勞強度并減小淬火變形。用SDF齒輪淬火替代齒輪滲碳處理,對提高生產率、節能具有現實意義。

（4）軋輥雙頻感應淬火 要求高硬度、深淬硬層的軋輥由單頻淬火發展為雙頻淬火。雙頻感應器包含兩個并排的感應器分別供給不相同頻率的電流。上感應器通入較低的頻率，工件移動使加熱深度較深(低頻率)；而下感應器通入較高的頻率，工件移動使加熱深度較淺，此深度相當于所需的硬化層厚度。雙頻淬火較單頻淬火能使工件獲得更好的性能(表面硬度、截面硬度梯度、硬化深度)，并提高工效和降低能耗。國內已能自制雙頻電源及淬火成套裝置，軋輥雙頻淬火已在多個冶金廠進行生產，其工裝淬火噴液環已進行了技術改進，取得實效。

（5）鋼軌感應淬火 對鋼軌使用全長淬火，提高鋼軌表面硬度和實現鋼軌強韌化，解決了鋼軌熱處理的變形問題；使鋼軌壽命提高一倍以上，已有幾十條鋼軌全長中頻淬火生產線在國內運用，此技術并擴大到鐵道的其他件，如道岔、翼軌等。

（6）鋼管焊縫感應退火 此工藝主要xc焊接殘余應力，改善組織結構，使得焊縫及其熱影響區具有與母材一致的組織結構、韌性和強度性能。國內已有多個企業從事此行業，所有裝備絕大數是國內技術。廣泛用于石油輸送管、大口徑鋼管、不銹鋼管焊縫在線退火和其他優質鋼管制造等行業。

（7）長內孔管件淬火 內孔φ124mm，深達3000mm的管件內孔掃描淬火的全套裝備與工藝在國內研制成功并投產。

2.感應熱處理技術發展

隨著新的知識和設備的發展,擴大感應加熱應用的范圍，應用于爐內滲碳和其他化學熱處理等領域成為可能。

（1）感應表面堆焊硬化 像挖掘機犁頭、 礦用鏟斗和鐵道零件等經受嚴重磨損的零件，其表面均需有一層較厚的耐磨耐蝕層，感應表面堆焊硬化是解決這一問題的有效技術之一。這項技術在俄羅斯已使用了很長時間，比如用來處理犁刀的刃部等。隨著固態電源、現代控制系統及新材料的推廣應用，這項技術將更具吸引力。將焊劑和硬質材料粉末的粉狀或糊狀混合物施加于工件表面，并用靜止或移動的感應器對其加熱。最常用的是發夾形和垂直環形感應器。發夾形感應器裝有用 Ferrotron 559制作的導磁體，它改進線圈參數，并有助于零件中的能量以{zj0}方式分布。用一個感應器加熱零件的原表面（基體），并熔化堆焊材料。硬化層與基體結合良好，兩者之間的擴散區狹窄。

常用的硬化用材料的熔點比基體低50～100F，即基體仍保持固態，但也可以形成二者的共熔池。只要正確選擇堆焊的材料和操作條件，表面堆焊硬化能使零件的使用壽命提高幾倍乃至10倍以上。

（2）感應“刷” 感應加熱也廣泛應用于涂覆處理, 如零件涂覆前的預熱，鍍鋅層、噴涂或等離子噴涂層的重熔。在鍍鋅或鍍鋅層經擴散處理的鋼制品生產中，感應技術起了很重要的作用，被用于帶鋼預熱、重熔、坩堝加熱等。感應技術在熱浸鍍鋅方面的{zx1}應用是，在坩堝出口處用電磁法qc鋼表面多余的鋅或其他合金。傳統工藝是采用“空氣刀”，即高速噴氣裝置，但缺點是不能將要qc的材料全部去除，且涂層表面也不夠光滑。采用感應“刷”時，則由交變磁場交互作用產生的電動力和涂層中的渦流使熔融金屬轉移和“提升”，然后通過空氣刀將這種金屬“波”去除。

（3）大件采用感應淬火代替滲碳處理 例如一個大型零件要求內孔的表面有大于4mm的滲碳硬化層，以保證其有足夠的強度和耐磨性。傳統工藝的操作步驟如下：

①對不滲碳部位進行防滲處理。

②長時間滲碳以獲得超過4mm的滲層。

③為使組織wq轉變，采用特殊淬火工序進行爐內加熱淬火。

④深度磨削以校正零件的熱處理畸變。

新技術不需要任何輔助工序，用多匝感應器掃描處理，用噴水圈淬火后就可獲得所需的硬度和淬硬層深度。感應圈裝有用FluxtrolA制作的仿形導磁體[3]。工藝和線圈系采用虛擬原型設計技術，采用計算機模擬成功地達到了零件的技術要求。新技術的優點：減小零件的畸變，減少機加工藝留量，縮短熱處理時間，節約電能，可用價格較低兼的鋼種代替滲碳鋼。此技術還在試驗中，我國尚未應用。

（4）液體介質表面化學處理 曾對感應加熱氣體滲碳做過多次嘗試，但均未達到爐內滲碳的效果。Saveliy Gugel博士提出了在液體活性介質（LAM）中進行高溫處理的工藝。根據這種設想，他取得了名為 Linter Process的技術專利。Sanova LLC公司對該項技術在理論和實踐方面進行了研究開發。雖然這種技術可以通過接觸加熱或電阻加熱而實施，但感應加熱是{zh0}的方法。

采用感應加熱時，將零件放置于一個裝有冷態活性介質的處理室中，用感應線圈對其進行表面加熱，當零件表面達到高溫時，會形成一層蒸汽膜，從而減小向介質散失的熱量。這層沸騰的介質中含有高濃度的能滲入零件的元素。這種工藝快速而穩定，零件處理后可以立即在同一液態活性介質中淬硬，也可另行淬硬處理。如果需要回火，則可將零件從處理室中取出自回火或另行加熱回火。在處理鈦合金時，獲得了令人感興趣的結果。譬如,，用這種實驗性裝置使鈦合金獲得了很高的表面硬度(達70HRC)、高的耐磨性和低的摩擦因數。隨著技術不斷進步，應用于實際工件生產將不是問題。

四、感應熱處理設備的技術進步

感應熱處理設備中淬火機床也是重要方面。近十年來，大型汽車公司和規模較大的汽車廠，不斷采購性能可靠、技術先進的淬火機床，這為國內感應熱處理設備企業提供了一個技術提升的重要商機。經過頑強努力，淬火機床有了巨大的進步。

（1）傳動系統使用伺服電動機、滾珠絲杠副等機械裝置，使工作行程速度穩定可靠，定位精度提高，一般公差不超過0.03mm。

（2）采用CNC系統控制編程與操作簡便，LED觸摸屏可顯示和監控所有CNC參數、加工程序及工藝參數，并具有故障診斷與報警功能。

（3）感應加熱過程的能量監控

感應加熱過程的控制一直存在很多難點，保溫、測溫難，測溫大多也是采用紅外線測溫儀，工件加熱過程也是用操作者的經驗來判斷。能量監控器可以自動控制加熱過程，調整參數，完成表淬過程。能量監控器的工作原理是：每種零件經過工藝試驗，確定將其加熱到淬火溫度需要多少能量(kW/s)，將這個能量值設定，電壓低時加熱時間自動延長，電壓高時加熱時間自動縮短，保持加熱能量恒定。淬火加熱的能量達到了設定值，設備自動停止加熱，從而保證了加熱質量和淬火質量的一致性。

五、結語

綜上所述，可知現在有不少工件可以用感應熱處理代替一般熱處理中的調質、正火、退火以及化學熱處理等，如滲碳淬火可由中碳鋼感應表面淬火來代替，還有一些刃具，如鋸條、銼刀等五金工具的淬火；板簧碟簧的淬火、鑄鐵導軌、曲軸、凸輪淬火等采用了感應淬火，節能效果顯著，縮短生產周期，提高了經濟效益。

在生產中應進一步擴大感應熱處理的應用范圍，進行感應熱處理宣傳，推廣感應熱處理的新設備、新工藝、新技術，不斷完善感應熱處理的標準，納入機械設計手冊，加大感應熱處理在生產中的比重，使熱處理節能大見成效。

基于此，在生產中應進一步擴大感應熱處理的應用范圍，進行感應熱處理宣傳，推廣感應熱處理的新設備、新工藝、新技術，不斷完善感應熱處理的標準，納入機械設計手冊，加大感應熱處理在生產中的比重，使熱處理節能大見成效。