1、表面感應淬 火的研究綜述引言：隨著經濟和生產技術的飛速發展，汽車、拖拉機、航空、儀表、冶金、國防等工業對零件的要求越來越高。熱處理可以提高零件性能，延長使用壽命，因此，在同民經濟中起著重要的作用，并成為生產過程中一個不可缺少的環節。 表面淬火是熱處理的一種工藝，儀對零件的表面進行處理，以達到改善零件表面的性能，而保持心部的性能不變。正確選擇表面淬火工藝必須了解零件的工作情況和服役條件，零件的結構、形狀及使用的材料等各個方面1，從生產和使用角度去考慮解決方案原則是從實際出發且經濟有效。 當前，表面淬火技術的理論和應用技術發展很快。在基礎研究方面，最活躍的鋇域是應用計算機模擬計

2、算感應加熱溫度場、磁場的變化等，在這方面已取得了許多成果，發表了大量的文獻。同時我國從國外引進了大量的表面淬火設備、技術和軟件等，使我國的表面淬火技術水平得到了很大的提高。今后，如果能夠將感應加熱的熱效應和溫度場、磁場等隨時間變化，并結合表面加熱相變、冷卻相變、殘余應為分布、零件變形與性能預測等用軟件統一起來2，應用于生產領域，必然也會推動其他表面淬火技術的進步，表面淬火技術將會發展到一個更高的層次。本文主要對感應淬火的原理及目前研究的現狀做簡單的介紹。1.感應加熱表面淬火的原理 表面淬火是將工件快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織的熱處理方法。齒輪，凸輪，曲軸及

3、各種軸類等零件在扭曲，彎曲等交變載荷下工作，并承受摩擦和沖擊，其表面要比心部承受更高的應力。因此，零件的表面要求具有較高的強度，硬度和耐磨性，要求心部具有一定的強度，足夠的塑性和韌性。采用表面淬火工藝可以達到這種表硬心韌的性能要求。它在熱處理領域中占有重要地位，這一技術已經在我國被廣泛應用。  感應加熱表面淬火的使用頻率不同，可以分為超高頻(27MHz)、高頻(200-250kHz)、中頻(25008000Hz)和工頻(50Hz)。由于電流頻率不同，加熱時感應電流透人深度不同。使用高頻時，感應電流透入深度很小（約0.5mm），主要用于小模數齒輪和小軸類零件的表面淬火3；使用

4、中頻時感應電流透人深度（約510 mm）t主要用于中、小模數的齒輪、凸輪軸、曲軸的表面淬火；使用超高頻時，感應電流透人深度極小，主要用于鋸齒、刀刃、薄件的表面淬火；使用工頻時，電流透人深度較大(超過10mm)，主要用于冷軋輥表面淬火。感應加熱表面淬火是表面淬火方法中比較好的一種，因此，受到普遍的重視和廣泛應用。2感應加熱表面淬火的優缺點：與傳統熱處理相比，感應加熱表面淬火有以下的優點4。     1）感應加熱屬于內熱源直接加熱，熱損失小，因此加熱速度快，熱效率高。     2）加熱過程

5、中，由于加熱時間短，零件表面氧化脫碳少，與其他熱處理相比，零件廢品率極低。     3）感應加熱淬火后零件表面的硬度高，心部保持較好的塑性和韌性，呈現低的缺L敏感性，故沖擊韌性、疲勞強度和耐磨性等有很大的提高。     4）感應加熱設備緊湊，占地面積小，使用簡便（即操作方便）。     5）生產過程清潔，無高溫，勞動條件好。     6）能進行選擇性加熱。   

6、60; 7）感應加熱表面淬火的機械零件脆件小，同時還能提高零件的力學性能（如屈服點、抗拉強度、疲勞強度），同樣經過感應加熱表面淬火的鋼制零件的淬火硬度也高于普通加熱爐的淬火硬度。 8）感應加熱設備可放置在加工生產線上，通過電氣參數對過 程進行精確的工藝控制。9）和用感應加熱淬火，可用普通碳素結構鋼代替合金結構鋼 制作零件而不降低零件質量，所以，在某些條件下可以代替工藝復 雜的化學熱處理。     10）感應加熱小便應用于零件的表面淬火，還可以用于零件的 內孔淬火，這是傳統熱處理所不能達

7、到的。     然而，感應加熱表面淬火也有其本身的不足5。     1）設備與淬火工藝匹配比較麻煩，因為電參數常發生變化。     2）需要淬火的零件要有一定的感應器與其相對應。     3）要求使用專業化強的淬火機床。     4）設備維修比較復雜。3感應加熱的原理  感應加熱是將零件置于感應器內，當有一定的電流頻率的交流電通

8、過感應器時，在零件表面就有感應電流產生，此電流分布在表面，井以渦流的形式出現，迅速加熱表面使其達到淬火溫度，然后切斷電源，并將零件急速冷卻，實現感應如熱表面淬火。 2.1 電磁感應  將零件置于感應器內，當感應器中有變變電流通過時，在感應器內部和周圍產生與電流頻率相同的交變磁場，周圍分布變化的磁力線，磁力線切割零件，因此，在零件內就相應地產生感應電勢， 而在零件表面產生感應電流，這種現象稱為電磁感應。當感應器內通入突變電流件內產生感應電流，此電流在零件內形成閉合同路，其方向與通入的電源電流方向相反，呈渦狀流通，故又稱渦流6。零件就通過渦流使之加

9、熱到淬火溫度。 感應加熱的原理如圖1所示，感應電動勢的瞬時值為：   式中e 瞬時電勢，V； 零件上感應電流商路所包圍面積的總磁通，Wb，其數值隨感應器中的電流強度和零件材料的破導率的增加而增大，并與零件和感應器之間的間隙有關。 d/dt為磁通變化率，其絕對值等于感應電勢。電流額率越高，磁通變化率越大，使感應電勢P相應也就越大。中的負號表示感應電勢的方向與d巾dt的變化方向相反。 零件中感應出來的禍渣的方向，在每一瞬時和感應器中的電流方向相反，渦流強度決定于感應電勢及零件內渦濰回路的電抗，可表示為7 &#

10、160;式中  I 渦流電流強度，A；      II  Z自感電抗，；       III R零件電阻，；       IV X阻抗， 由于Z值很小，所以I值很大。 零件加熱的熱量為  式中  Q熱能，J；       t加熱時間，s；對

11、鐵磁材料（如鋼鐵）而占，渦流加熱產生的熱效應可使零件，溫度迅速提高。鋼鐵零件是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交變磁場中，零件的磁極方向隨感應器磁場方向的改變而改變8。在交變磁場的作用下，磁分子因磁場方向的迅速改變將發生激烈的摩擦發熱，因而也對零件加熱起一定作用，這就是磁滯熱效應。這部分熱量比渦流加熱的熱效應小得多。 鋼鐵零件磁滯熱效應只有在磁性轉變點A2(768)以下存在，在A2以上，因鋼鐵零件失去磁性，所以磁滯熱效應不存在奇因此，對鋼鐵零件而言，在A2點以下，加熱速度比在A2點以上時快。3.2 感應加熱中產生的感應電流的基本特征 表面效應（集膚效應） 

12、當一個金屬零件通過直流電時，在金屬零件的截面上電流的分布是均勻的；當金屬零件通過交流電時，沿金屬零件截面的電流分布是不均勻的，最大電流密度出現在金屬零件的最表面，如圖2所示。這種交變電流的頻率越高，電流向表面集中的現象就越嚴重。這種電流通過導體時，沿導體表面電流密度最大，越中心電流密度越小的現象稱為高頻電流的集膚效應8，又稱表面效應。因此，零件感應加熱時，其感應電流在零件中的分布從表面向中心里指數衰減（圖2），可表示為               

13、;  式中Io零件表面最大的電流（渦流）強度，A；   Ix距零件表面某一距離的電流（渦流）強度，；    到零件表面的距離，cm；   電流透人深度，cm，它是與材料物理性質有關的系數 由上式可知：時，IxIo當時；時.368Io 工程上規定，當電流（渦流）強度從表面向內部降低到表面最大電流（渦流）強度的0. 368（即lo/e）時，則該處到表面的距離就稱為電流透人深度。 這樣規定是由于分布在金屬零件表面的電流（渦流），只在零件表面深

14、度為的薄層中通過，但它并不能全部用于將零件表面加熱，而是有一部分熱量被傳到零件內部或心部損耗了9，此外，還有一部分熱量向零件周同的空間熱輻射損失了。由于渦流所產生的熱量與電流（渦流）強度的平方成正比，凼此由表面向內部的熱量降低速率比渦流降低速率快得多 鄰近效應  兩個相鄰載有高頻電流的金屬導體相互靠近時，由于磁場的相互影響，磁力線將發生重新分布，導致電流的重新分布，如圖3所示。兩個載流導體的電流方向相同時電流從兩導體的外側流過，即導體相鄰表面的電流密度最小；反之，如果兩個載流導體的電流方向相反時，電流從兩導。體的內側流過，即導體相鄰表面的電流密度最大，這種現象就稱

15、為高頻電流的鄰近效應10。頻率越高，兩導體靠得越近，鄰近效應就越顯著。環狀效應（也稱圓環效應或環流效應） 高頻電流通過圓柱形狀、圓環狀或螺旋圓柱管狀件時，最大的電流密度分布集中在圓柱狀（圓環狀或螺旋圓柱管狀）零件的內側，即圓環內側的電流密度最大，這種現象稱為環狀效應，如圖5所示。當電流頻率高時，電流只在圓柱狀（圓環狀或螺旋圓柱管狀）內側表面流動，圓柱杖（圓環狀或螺旋圓柱管狀）的外側沒有電流流過。 尖角效應  將尖角（棱角）或形狀不規則的零件故在卿環形的感應器中，如果零件的高度小于感應器高度，感應加熱時，在零件拐角處的尖角部位或棱角部分由于渦流強度大，加熱

16、激烈，在極短時間內升高溫度，并造成過熱，這種現象稱為尖角效應13。由于尖角效應的存在，為設升和制造感應器提供依據，即對有尖角或形狀不規則的零件，必須考慮在感應器t-有曲率半徑應適當加大感應器和零件的間隙。4先進的感應淬火技術 4.1電源 國外IGBT、MOSFET和SIT全固態晶體管電源技術逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz;50100kHz、30600kW;300kW、80kHz;低頻段有取代晶閘管電源趨勢;MOSFET多采用并聯振蕩電路，SIT多采用串聯諧振電路，功率高達1000 kW、頻率200kHz和400kW、400kHz。它們

17、都是電子管式高頻電源的理想替代產品。當輸出功率與電子管電源相同時，節電35%40%，節省安裝面積50%，節約冷卻水40%50%。隨著科技的進步，在高頻感應淬火領域，MOSFET有望取代SIT。4.2淬火機床 感應淬火機床更加趨向自動化，CNC控制逐漸增多，自動分檢零件與自動識別進機零件功能的機床增多。 （1）通用淬火機床 通用淬火機床朝柔性化方向發展，一臺淬火機床可以對不同性能要求的同零件感應加熱淬火。德國研制的一種曲軸淬火機床，法蘭件感應淬火柔性加工系統略加調整能處理不同尺寸的相似工件;對于軸類零件在一定直徑范圍內(如30mm)與長度300800 mm

18、范圍內，對于相似淬火要求的軸類零件淬火機能自動編制14種程序，自動識別進機零件;Robotron.Eiotherm最近推出了雙主軸立式淬火機，在一個緊湊的工藝單元內進行工件的淬火與回火，能處理輪軸、三槽套及其他萬向節件，轉換工件只需25min，用計算機編程，根據工件號在2 min內就可調出有關工藝數據;一汽引進的GH公司數控淬火設備通用性強、自動化程度，在復雜零件上可實現多段變功變速，編程容易、操作方便。 (2)專用淬火機床 專用淬火機床更加專用化，采用機械手上下零件，加熱、淬火、回火、校直、檢查完全自動進行。先進的計算機控制技術可以監控并屏幕顯示淬火過程和工藝參

19、數，跟蹤全部操作過程，如發現故障或工藝參數偏離給定值，便自動修正或自動列出不合格零件，使控制系統暫停工作并報警，同時屏幕上顯示故障性質和所要修正的動作。更先進的控制系統還適應材料化學成分的波動，并自動調整比功率或加熱時間，以保證感應淬火零件的質量。例如日本高周波熱煉株式會社川崎工廠的臥式半軸淬火機床，上尾廠可同時淬三根半軸，群馬廠可同時淬兩根半軸，機床實際上是感應熱處理生產線，全過程除校直、熒光探傷檢查需一名工人外，其余全部自動進行。4.3感應淬火的工藝 靜止式曲軸感應淬火 采用靜止式曲軸感應淬火新技術的最初的兩臺裝置在福特公司V6和V8曲軸淬火和回火工藝中得以應用，表現出

20、了良好的市場前景。其特點是:加熱時間短，一般僅為1.54s，傳統工藝是712s;電效率高、成本低;感應器與工件之間允許有較大間隙，調整方便;操作簡單、重復性好、易于維護;占地面積小，僅為原來的20%左右。低淬透性鋼齒輪淬火 現在俄羅斯許多汽車工廠廣泛采用低淬透性鋼進行整體感應加熱表面淬火，已大量應用于汽車、拖拉機后橋齒輪、挖掘機齒輪、傳動十字軸、火車車廂用滾動軸承、汽車板簧、鐵路螺旋彈簧等，取得了較大的經濟效益。雙頻感應加熱淬火 國外雙頻淬火主要用于齒輪。20世紀90年代，美國用10kHz中頻和150kHz高頻電源，先讓齒輪在中頻感應器中加熱，然后迅速降到高頻感應器中加熱，

21、最后落入油中淬火。進入21世紀，此工藝又有新進展，如GH公司采用電力電子開關轉換頻率，使齒輪的齒頂和齒跟的加熱更加均勻，更好地保證了齒輪的淬火質量。5總結 雖然感應淬火工藝還存在一些不足之處, 但其優點仍為顯著, 國際上正在努力改善和提高其工藝技術水平。美國Contour Hardening Inc. 認為, 現代感應熱處理的發展應改變傳統的低頻( 3kHz 10kHz) 、低功率( < 150kW) 的長周期加熱方法, 采用大功率、雙頻、多頻、多能

22、級脈沖的短周期而精確的淬火工藝23, 現代電力電子技術及計算機控制技術的發展為此提供了充分的條件。我國感應淬火工藝的歷史悠久, 基礎也較好, 只是近年來發展緩慢, 因此, 我們應緊跟國際技術發展步伐, 盡力跟上世界先進水平參考文獻： 1 喬 健, 馬梅香. 我國感應熱處理技術發展遠景及實施措施研究 A . 第一屆全國農機感應熱處理學術交流會論文集 C . 洛陽:1989: 1-14.   

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