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1、 表面淬火的工艺原理及操作步骤 姓 名：牛 文 刚 申报工种：热处理工 申报级别：二 级 单 位：西安煤矿机械有限公司 1 表面淬火的工艺原理及操作步骤 内容提要：表面淬火是热处理的一种工艺。常用的表面淬火工艺主要有感应加热表面淬火工艺及火焰加热表面淬火工艺。其中感应淬火工艺应用最广泛。本文根据学习培训心得及日常工作经验，对表面淬火的工艺原理、特点及操作步骤作了简要论述。热处理工艺一般由加热、保温、和冷却三个阶段组成，其目的是改变金属或合金的内部组织结构，使材料满足使用要求。表面淬火是热处理的一种工艺，是一种局部淬火的方法，在工件的表面获得深度的硬化层，而心部仍保持未淬火状态。表面淬火时快速加
2、热工件表面，很快达到淬火温度，热量还来不及传到工件心部就已经冷却，实现局部淬火的效果。工件表面状态会明显影响淬火效果。因此，操作前对工件表面应仔细清理，去除毛刺、铁屑和油污等。常用的表面淬火工艺主要有感应淬火及火焰淬火。一、感应加热表面淬火工艺 感应加热与炉内加热的方式不同，工件的加热不依靠外部热源，而依靠交变电流的电磁感应在工件上产生感应电流对工件本身进行加热。这是一种内热源加热方法。1、感应加热表面淬火的原理。感应加热属于内热源直接加热，在一个感应线圈内通过一定频率的交电变流（分高频、中频和工频三 2 种），使感应线圈周围产生相同频率的交变磁场，置于磁场内的工件就产生与感应线圈频率相同，方
3、向相反的感应电流，称为涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件的表层。由于涡流产生的电阻热迅速加热工件表层的淬火温度，随即向零件喷水，使工件表层淬硬，淬硬层的厚度随频度的升高而变薄，这就是感应加热表面淬火。加热速度极快，仅在涡流经过的表层几秒种内就能把工件表层温度升到800-1000，而心部来不及升温。所以感应淬火的原理是由电磁感应在工件表面产生涡流加热工件表层，随即快冷，使表层强化的表面淬火技术。2、感应加热表面淬火的特点。由于感应加热是基于集肤效应，邻近效应和环流效应而使工件实现表面加热的一种热处理方式，所以它具有以下特点：1)高能的表面加热实现了快速加热（试验加热，感应加热的加热速度可高达
4、每秒几百度到几千度），导致淬火组织细，表面应力为压应力，从而提高耐磨性，冲击韧度，疲劳强度，并降低缺口敏感性。2）由于感应淬火的加热速度极快，仅改变工件表面组织而保持心部的原始组织，因此心部冷态金属的高强度制约表层淬火时所产生的变形，使工件的热处理变形小；另外，由于加热时间短，工件表面氧化、脱碳少，所以其热处理质量较其他热处理稳定。3）能在一定范围内控制加热深度，既可对工件表面进行感应淬火，也可对工件进行穿透加热，易于实现局部加热，也易于实现连续加热。3 4）热效率高。由于感应加热是依靠工件向自身发出的热量来进行的，故其热损失少，热效率在 60以上，是其他加热方式的两倍。5）便于流水线生产作业
5、和实现机械化，自动化，能够适应现代化工业生产需要，可提高生产率。3、感应加热的应用。感应加热最广泛，最基本，最有效的应用是感应淬火。由于感应加热的特点和感应淬火可使工件获得表面硬而耐磨，心部保持原有强度和韧性以及抗疲劳的独特性能，对在摩擦和疲劳条件下工作的各类零件具有恰到好处的适应性，因此感应淬火工艺广泛应用于齿轮、曲轴、轴、凸轮轨辊等工件，能有效地提高其耐磨性及疲劳强度。而近年来发展起来的高频感应淬火，双频感应淬火和超音频感应淬火的应用，进一步扩大了感应淬火的应用范围，使其可以进一步提高热处理质量，提高生产率，降低生产成本。感应加热除有效应用于感应淬火外，还广泛应用于局部淬火，局部淬火或局部
6、退火，长轴的热处理，渗碳件的感应淬火，感应加热化学热处理等。4、感应淬火工艺。1）加热方法：感应加热淬火的加热方法有同时感应加热法和连续感应加热法两种。一般可视零件种类和设备条件加以选择。2）加热参数：感应加热温度的控制，应根据经验淬火温度和相关热处理手册查得加热温度。感应加热的工件温度连续上升，加热速度较快，奥氏体转变在较高温度下进行，为使组织充分转变，故加热温度应比普通加热时提高 30-50。但如果温度过高，则会在淬火 4 层内得到中、粗针状马氏体，造成组织粗大、淬裂、力学性能降低等不良后果；如果淬火温度过低，则组织转变不完全，又会降低表面淬火层的硬度和耐磨性。加热时间应根据零件的技术要求
7、，材料、形状、尺寸、电流频率、比功率及感应器效率等多种因素，结合多次试淬情况加以确定。3）冷却方法及淬火冷却介质：感应淬火通常采用喷射冷却、浸液冷却及埋油冷却（适用合金钢）三种方法。在热处理生产中，一般选用水、油、聚乙稀醇水溶液和聚醚水溶液作为淬火冷却介质。用水溶性合成淬火冷却介质取代油能取得更好的效果。4）回火:感应淬火后应及时回火，一般在淬后 4h 内进行，其目的是降低零件的淬火应力，防止开裂，提高零件的力学性能及使用寿命。回火方法有炉中回火、自由回火和感应回火三类。5 先进的感应淬火技术 5.1 电源 国外 IGBT、MOSFET 和 SIT 全固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化、系
8、列化，目前有 1200kW、50kHz;50100kHz、30600kW;300kW、80kHz;低频段有取代晶闸管电源趋势;MOSFET 多采用并联振荡电路，SIT 多采用串联谐振电路，功率高达 1000 kW、频率 200kHz 和 400kW、400kHz。它们都是电子管式高频电源的理想替代产品。当输出功率与电子管电源相同时，节电 35%40%，节省安装面积 50%，节约冷却水40%50%。随着科技的进步，在高频感应淬火领域，MOSFET 有望取代 SIT。5 5.2 淬火机床 感应淬火机床更加趋向自动化，CNC 控制逐渐增多，自动分检零件与自动识别进机零件功能的机床增多。（1）通用淬火
9、机床 通用淬火机床朝柔性化方向发展，一台淬火机床可以对不同性能要求的同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件;对于轴类零件在一定直径范围内(如 30mm)与长度 300800 mm 范围内，对于相似淬火要求的轴类零件淬火机能自动编制 14 种程序，自动识别进机零件;Robotron.Eiotherm 最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需 25min，用计算机编程，根据工件号在 2 min内就可调出有关工艺数据;一汽引进的 GH 公司数控淬火设备通用
10、性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。(2)专用淬火机床 专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。先进的计算机控制技术可以监控并屏幕显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动作。更先进的控制系统还适应材料化学成分的波动，并自动调整比功率或加热时间，6 以保证感应淬火零件的质量。例如日本高周波热炼株式会社川崎工厂的卧式半轴淬火机床，上尾厂可同时淬三根半轴，群马厂可同时淬两根半轴，机床实际上是感应
11、热处理生产线，全过程除校直、荧光探伤检查需一名工人外，其余全部自动进行。5.3 感应淬火的工艺 5.3.1 静止式曲轴感应淬火 采用静止式曲轴感应淬火新技术的最初的两台装置在福特公司V6 和 V8 曲轴淬火和回火工艺中得以应用，表现出了良好的市场前景。其特点是:加热时间短，一般仅为 1.54s，传统工艺是 712s;电效率高、成本低;感应器与工件之间允许有较大间隙，调整方便;操作简单、重复性好、易于维护;占地面积小，仅为原来的 20%左右。5.3.2 低淬透性钢齿轮淬火 现在俄罗斯许多汽车工厂广泛采用低淬透性钢进行整体感应加热表面淬火，已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、
12、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧、铁路螺旋弹簧等，取得了较大的经济效益。5.3.3 双频感应加热淬火 国外双频淬火主要用于齿轮。20 世纪 90 年代，美国用 10kHz 中频和 150kHz 高频电源，先让齿轮在中频感应器中加热，然后迅速降到高频感应器中加热，最后落入油中淬火。进入 21 世纪，此工艺又有新进展，如 GH 公司采用电力电子开关转换频率，使齿轮的齿顶和齿跟的加热更加均匀，更好地保证了齿轮的淬火质量。7 六、结论 通过分析比较，在常用的表面淬火工艺中，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，感应加热表面淬火优点是：加热速度快，热效率高；零件废品率极低；冲击韧性，疲劳强度和耐磨性高；设备紧凑，占地面积小；生产过程清洁，无高温，劳动条件好；能进行选择性加热等等，然而，感应加热表面淬火也有其自身不足，但并不影响其广泛的应用价值。8 参考文献：1.热处理工技师鉴定培训教材 2.西煤机技校教材