基本介紹
- 中文名：感應加熱淬火
- 加熱淬火：是利用電磁感應的原理，
- 在表面：產生感應電流
- 又根據：交流電的集膚效應
簡介,感應加熱的基本原理,感應加熱頻率的選用,感應加熱淬火的特點,優缺點,優點,缺點,感應加熱淬火缺陷及防止,淬火裂紋,淬火變形,硬度不足,
簡介
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（2500-8000Hz）和工頻（50Hz）。由於電流頻率不同，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），主要用於小模數齒輪和小軸類零件的表面淬火；使用中頻時，感應電流透人深度（約5～10 mm），主要用於中、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，主要用於鋸齒、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），主要用於冷軋輥表面淬火。
感應加熱的基本原理
將工件放在一個由銅管制成的感應器內，感應器中通入一定頻率的交流電，在感應器周圍將產生一個頻率相同的交變磁場，於是工件內就會產生同頻率的感應電流，這個電流在工件內形成迴路，稱為渦流。此渦流能使電能變為熱能加熱工件。渦流在工件內分布是不均勻的，表面密度大，心部密度小。通入感應器的電流頻率愈高，渦流集中的表層愈薄，這種現象稱為集膚效應。由於集膚效應使工件表面迅速被加熱到淬火溫度，隨後噴水冷卻，工件表面被淬硬。
淬硬層的厚度取決於高頻電流透人工件表面的深度δ，而此深度δ又取決於高頻電流的頻率：
（20℃冷態）；
（800℃熱態）。式中：f的單位是Hz；δ的單位是mm。
感應加熱頻率的選用
感應電流透入工件表面的深度主要取決於電流頻率。因此，可選用不同頻率來達到不同要求的淬硬層深度。按所用電流頻率的不同，感應加熱可分為三類：
1）高頻感應加熱：電流頻率多為200~300kHz，淬硬層深度為1.0~2.0 mm。適用於淬硬層較薄的中、小型零件（如軸、齒輪等）。用高頻交流電進行表面淬火的方法稱為高烷感應加熱淬火。
2）中頻感應加：熱常用的電流頻率為2500~8000Hz，淬硬層深度一般為2~10 mm。適
用於較大尺寸的軸和大、中模數的齒輪等。電源設備為機械式中頻發電機組或可控矽變頻器。
3）工頻感應加熱：電流頻率為50Hz，通過感應器加熱工件。它不需要變頻設備。淬硬
層深度可達10~15 mm。適用於大直徑零件（如軋輥、火車車輪等）的表匣淬火。
感應加熱淬火的特點
與普通淬火相比，感應加熱淬火有以下主要特點：
1）於感應加熱速度很快，且無保溫時間，使鐵、碳原子來不及擴散，故使相變溫度升高加熱溫度一般在Ac3以上80~150℃。
2）由於感應加熱時間短，使奧氏體晶粒細小而均勻，淬火後得到隱針馬氏體組織，故硬度比普通淬火高HRC 2~3，且脆性較低。
3）感應加熱淬火後，由於馬氏體體積膨脹，工件表層產生殘餘壓應力，從而提高了疲勞強度。
4）由於加熱時間極短，工件一般不會發生氧化和脫碳。同時由於心部未被加熱，故工件變形很小。
5）生產率高，適於大批量生產，而且易於實現機械化和自動化。但感應加熱設備昂貴，維修、調整比較困難，形狀複雜的工件不易製造感應器，且不適合單件小批生產。
感應加熱淬火主要適用於中碳鋼和中碳合金鋼（如45，40Cr、40MnB等）。也可用於高碳工具鋼和合金工具鋼及鑄鐵件等。通常，表面淬火前應進行預先熱處理（正火或調質），這不僅為保證表面淬火質量作好組織準備，也為工件在整個截面上具有良好的力學性能做好組織準備。感應加熱淬火後，為了降低淬火應力，保持高的硬度和耐磨性，要進行低溫（180~200℃）回火。對於形狀簡單、大量生產的工件可利用其淬火餘熱進行自熱回火。
優缺點
優點
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套用。與傳統熱處理相比，它有以下的優點：
1）感應加熱屬於內熱源直接加熱，熱損失小，因此加熱速度快，熱效率高。
2）加熱過程中，由於加熱時間短，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）感應加熱淬火後零件表面的硬度高，心部保持較好的塑性和韌性，呈現低的缺L]敏感性，故衝擊韌性、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。
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製零件的淬火硬度也高於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 製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）感應加熱小便套用於零件的表面淬火，還可以用於零件的 內孔淬火，這是傳統熱處理所不能達到的。
缺點
然而，感應加熱表面淬火也有其本身的不足：
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工具機。
4）設備維修比較複雜。
感應加熱淬火缺陷及防止
淬火裂紋
感應加熱淬火時，馬氏體轉變所產生的體積膨脹作用顯著。由於表層的體積膨脹受到心部冷硬材料的制約，拉著表層不讓它脹大，結果在表層形成殘餘壓應力，而在表層與心部的交界處形成殘餘拉應力。當表層處於受壓狀態時，表層中的原子有彼此靠近壓緊的傾向，故感應加熱一般不產生淬火裂紋。
但是如果工件局部過熱，則會導致淬火開裂。高頻感應加熱時溫度上升極快，工件上的尖角、鍵槽和孔的周圍處容易過熱。為防止淬火裂紋產生，可用銅塞或鋼塞將槽、孔填平後再加熱。
導致淬火裂紋的另一個原因是冷卻不當。如果冷卻過於緩慢；以致表層冷卻速度達不到臨界淬火速度，則熱應力的作用顯著，結果因在表層形成殘餘拉應力而容易產生龜裂。因此，工件感應加熱後必須快冷，高頻感應加熱時尤其要注意這一點。
淬火變形
感應加熱淬火是表面淬火，淬火過程中只在表層形成熱應力和組織應力，因此，這種淬火方法所導致的變形一般都不明顯。
但是，當軸類和長條形零件加熱層厚度不均時，則會產生淬火翹曲。加熱層較淺的那一側冷卻較快，根據第四章中對淬火變形原因的闡述，零件變形仍然是快曄的一側外凸。軸類零件加熱時應不停地轉動，以彌補工件表面與感應器的間隙不均，從而使加熱層變得均勻一致。長條形零件則應考慮加熱層的對稱性，在設計感應器時必須注意這一點。
圓柱齒輪的淬火變形主要是內孔脹縮和齒形變化。在滿足淬硬層要求的前提下採用較大的比功率以縮短加熱時間，對齒輪進行合理設計使壁厚均勻和形狀對稱，合理安排工藝路線等措施，都有利於減小齒輪變形。
硬度不足
高頻淬火後常出現硬度不足、軟點和軟帶等缺陷。連續加熱淬火所形成的軟帶，呈暗紫色的螺旋形，這是噴水孔堵塞或孔的大小和數目不當所產生的現象。同時加熱淬火後硬度不足，則往往是冷卻不及時造成的。改變噴水孔的角度和噴水量，調整工件的轉動和移動速度可有效地避免螺旋軟帶形成。
造成硬度不足的另一個原因是加熱溫度不夠。亞共析鋼加熱溫度不夠時，組織中會有較多量鐵素體殘留下來，造成淬火後硬度不足。降低工件在連續加熱淬火過程中的移動速度，可使加熱溫度獲得提高。
