感应加热表面淬火

论文
A；
图1感应加热原理示意
感应加热中产生的感应电流的基本特征
表面效应（集肤效应）
当一个金属零件通过直流电时，在金属零件的截面上电流的分布是均匀的；当金属零件通过交流电时，沿金属零件截面的电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在金属零件的最表
图 2 感应电流在金属截面上的分布
因此，零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表面向中心里指数衰减（图
图3高频感应的邻近效应零件中涡流沿感应器形状分布的情况邻近效应在感臆加热中宥很大的实际意义。

由于感应器内的高频电流与零件的感应电流方向总是相反，因此，对感应加热有利。

但另一方面，由于邻近效应，只有当感应器与零件间隙处处相等时，涡流在零件表面上的分布于是均匀的，如图3所示。

对圆柱形零件，为实现均匀加热，通常借用淬火机床，使零件在加热过程中以一定速度旋转以，消除临近效应的影
图5 高频电流的环状效应 6 加热内孔时高频电流和涡流的相对位置环状效应的大小，与电流频率和圆环状的曲率半径有关。

频率越高，曲率半径越小，环状效应越显著[12]。

7 钢在不同加热速度时的加热曲线图8加热速度对亚共析钢A c3的影响
钢的原始组织对珠光体向奥氏体转变的快慢起着很大曲影响。

如果钢的原始组织为索氏体，渗碳体的溶解所进行的扩散过程比原始组织为珠光体的要快，即珠光体向奥氏体转变所需要的时间短。

原始组织越粗（即粗粒状珠光体），则相变所需要的时间越长。

相变过程要经过形核及长大的阶段，
过热度造成奥氏体与珠光体的自由能差，并且需要一定的扩散条件。

奥氏体核心（即晶棱）
索氏体组织的弥散度比珠光体组织的弥散度高，它向奥氏体转变的速度就比珠光体向奥氏体转变速度快。

因此，在快速加热条件下÷索氏傩向奥氏体转变可“在较小的过热度下完成。

原始组织粗大，转变时原于需要作长距离的扩散，
均匀性，即先形成的奥氏体与后形成的奥氏体的碳浓度在较大范围内是不均匀的。

如钢高频加热淬火后所得到的马氏体中的碳含量超过钢的平均碳含量。

这说明快速加热的条件下，钢中奥氏体不容易均匀化。

3.3 对奥氏体晶粒长大的影响
缓慢加热条件下，在高于A c3的温度范围内，会伴随奥氏体晶粒长大的现象，而在快速加热的条件下，只要加热规范选择适当，奥氏体晶粒来不及长大，面保持细小奥氏体晶粒。

由图9可以看出，在保证得到最佳性能的高频加热规范下与缓慢加热相比，在相同加热温度下，高额加热得到较细的奥氏体晶粒，而且无论亚共析钢（如中碳钢）、共析钢、过共析钢都是这样。

因此，高频快速加热可以得到细小的奥氏体晶粒。

图9 加热速度对奥氏体晶粒大小的影响
奥氏体晶粒细化的同时，奥氏体的精细结构也将受到影响，即形成的奥氏体在组织应力和热应力作用下，在奥氏体晶粒内形成许多亚结构（位错）。

当加热速度越大，应力也越大，这样亚结构变得越细小。

由于感应加热的加热速度快．奥氏体晶粒中的亚结构来不及进行回复和再结晶，故高频淬火后的马氏体晶粒总是细小的，可以获得隐晶马氏体组织。

4 感应加热淬火的温度选择
淬火工艺要达到的要求主要有硬度和相成分，而影响淬火质量的主要因素有很多，例如加热速度，比功率，加热时间等。

加热速度主要影响材料的金相成分，相变临界温度再，是碳钢中珠光体转变为奥氏体的温度，即奥氏体化温度，在感应加热时，临界点A c1随加热速度的提高向更高的温度偏移[20]。

感应加热相变和普通缓慢加热相变一样，也是通过成核和核长大完成从珠光体到奥氏体的相变过程。

奥氏体的晶核总是在渗碳体与铁素体两相的交界面上形成，然后依靠渗碳体的溶解提供碳分，使奥氏体晶核向渗碳体和铁素体两个方向长大，直到与其它长大的奥氏体晶核相接触为止，产生奥氏体晶粒。

珠光体转变为奥氏体不是自发形成，必须在一定的过热度下进行，而感应加热能够提供很大的过热度。

图10 不同加热速度下45钢的表面硬度与淬火温度的关系
加热速度对相变临界点的位置有很大影响，因此加热速度对淬火加热温度有很大影响。

对于每一种钢号都有一定的淬火加热温度范围，只有在这个温度范围内进行加热淬火，才能得到满意的组织和性能。

图10中所示给出了不同加热速度条件下，45钢表面硬度与淬火加热温度的关系，图中显示加热速度为500C/s时，最佳淬火温度为t1一t，1之间(845一9200C左右);加热速度为1400C/s时，最佳淬火温度为t2一t，2之间(880一970℃左右)。

当加热速度一定时，选取的淬火温度如果低于最佳温度，因为相变不完全，其热态组织是奥氏体加铁素体，或者是奥氏体加珠光体，则淬火后的组织为马氏体加铁素体或马氏体加珠光体，会出现硬度降低的现象;若淬火加热温度高于最佳温度，热态的奥氏体晶粒会长大，淬火后得到中针或粗针马氏体，如果是高碳钢将会有残余奥氏体出现，而导致表面硬度降低[21]。

当确定了某种钢号的最佳淬火温度范围，但由于加热速度大于或小于相应的加热速度时，也会出现不合理或不理想的淬火组织。

加热速度小时会得到过热组织，大时会得到加热不足的淬火组织。

因此感应加热选择淬火温度时，不仅要考虑材料的成分，原始组织，还应兼顾加热速度的影响。

淬火加热温度的选择是否合理主要通过金相法和维氏硬度法鉴别。

感应淬火的加热温度选择，习惯上比该材料的炉中加热淬火温度高出50一1000C左右。

表1为经过试验确定的两种钢号在不同的加热速度下的淬火温度
表1 40和45钢在不同加热速度下的淬火温度（℃）
感应加热零件截面上的温度分布，感应加热表面淬火零件的常用材料为45钢，现以圆柱形零件为例，说明零件截面上温度分布和表面淬火后硬化层及过渡层中的金相组织[22]。

图11为试验测定的45钢圆柱零件感应加热至淬火温度时，截面上温度分布曲线，以及淬火后截面硬度分布曲线(HRC)。

该实验是通过透入式加热和快速冷却(喷射冷却)的条件得到的。

图11 45钢零件感应加热表面淬火时截面上的温度、硬度及金相组织分布
t-温度；HRC-硬度；M-马氏体；F-铁素体；P-珠光体
按温度分布的特点，由表及里可分为三个区域:
第一区，温度高于A c3:为850一880℃之间，热态组织为均匀的奥氏体，冷却淬火后得到完全的马氏体组织，硬度在HRG58以上。

第二区，加热温度在A c1，和A c3之间，约为727一850℃，热态组织为奥氏体加铁素体，
淬火后该处的组织为马氏体加铁素体，在铁素体的边沿时常有黑色的屈氏体网，这一区域的硬度值变化很大一般为HRC30~58左右。

第二区里有一条重要的界限，即硬化层边界线。

用金相法测量硬化层时，在100倍的金相显微镜下，边界线处的金相组织由50%马氏体，20%铁索体，余者为屈氏体组成。

用硬度法测量硬化层时，该处的硬度值为HRC43一45。

两种方法测量的出的硬化层边界线基本相同或相近。

图11中的淬硬层厚σ指从0至x k的距离。

在二区中还有过渡层b即x k到x0的距离。

这一区间，马氏体在x k处占各种组织总量的50%左右，在x0处马氏体组织基本没有了。

第三区加热温度低于A c1没有发生组织转变，淬火冷却后仍为原始组织，即珠光体加铁素体。

表2钢零件感应加热表面淬火截面上温度、硬度及金相组织分布
金相组织简介
铁素体:纯铁;
渗碳体:(Fe3C)有金属光泽，很高的硬度，和脆性，并有磁性;
珠光体:由层片状铁素体和渗碳体成层状相间分布而形成。

可由奥氏体缓慢冷却而得到的组织，加热至730OC以上可形成奥氏体;淬火(球状)屈氏体属于细珠光体，层间距离在
2.5/l000omm以下;
奥氏体:加热到相变点以上得到的组织，具有非铁磁性，电阻很大;
马氏体:奥氏体急冷淬火后得到的组织，硬度最高，最脆，并且具有铁磁性;
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、系列化，目前有1200kW、50kHz;50~100kHz、30~600kW;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。

5.2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300～800 mm范围内，对于相。