感應(yīng)熱處理技術(shù)發(fā)展六十年

20世紀(jì)50年代，感應(yīng)熱處理開始在國內(nèi)應(yīng)用，當(dāng)時此工藝被稱做“高周波淬火”。這門熱處理新工藝?yán)镁€圈電磁感應(yīng)加熱鋼鐵件是很新奇與吸引人的，它具有加熱快、局部淬火、節(jié)能、在線生產(chǎn)、便于自動化等特點(diǎn)，很快為熱處理工作者所接受。當(dāng)時感應(yīng)淬火主要的目標(biāo)是，提高工件的耐磨性，代替滲碳與氰化，縮短時間周期與降低生產(chǎn)成本。

 

當(dāng)時，前蘇聯(lián)、捷克、特別是“一五”計劃蘇援156項(xiàng)目中，感應(yīng)加熱技術(shù)大量進(jìn)入我國機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)制造行業(yè)。此外，紡機(jī)行業(yè)也從美國進(jìn)口了電子管高頻成套設(shè)備，用于羅拉表面淬火。

 

一、當(dāng)時感應(yīng)熱處理技術(shù)的特點(diǎn)

 

（1）電子管高頻電源是主要的變頻電源，只有第一汽車制造廠大量應(yīng)用機(jī)式中頻發(fā)電機(jī)，并且采用一臺變頻機(jī)供給3～5個淬火臺，各個淬火臺可以輪流交替工作，即第一臺上工件正加熱，第二臺可以在噴液，第三臺可以在裝卸料等，大大地提高了機(jī)式發(fā)電機(jī)的負(fù)載系數(shù)，如圖1所示。

 

（2）淬火機(jī)可以安裝在生產(chǎn)線上而不是集中在熱處理車間，可減少工件往返運(yùn)輸工作。

 

（3）為減少操作者勞動量，采用半自動或全自動的淬火機(jī)，如曲軸頸半自動淬火機(jī)，履帶銷全自動淬火機(jī)等，履帶銷淬火生產(chǎn)率達(dá)180件/h，工人只需往料斗加零件。

 

（4）采用多工件加熱感應(yīng)器，如隔套端面加熱感應(yīng)器一次加熱4件，剎車蹄片（矩形面淬火）感應(yīng)器一次可加熱7個工件，如圖2所示。

 

（5）帶夾具感應(yīng)器解決了工件與感應(yīng)器同心及定位基準(zhǔn)的調(diào)整工作，如汽車鋼板彈簧銷等多種小零件，換上感應(yīng)器，電、熱規(guī)范一調(diào)整，即刻可以生產(chǎn)，工件進(jìn)出感應(yīng)器極快，生產(chǎn)率極高，如圖3所示。對需要旋轉(zhuǎn)加熱的工件，圖2則感應(yīng)器底部裝有水渦輪，利用淬火水驅(qū)動，按壓手把，可將工件頂出感應(yīng)器，如圖4所示。

 

（6）高頻淬火采用自回火工藝。一汽、一拖的曲軸頸中頻淬火及生產(chǎn)線上用45鋼制軸類、銷子類小零件均采用K3舍皮里科夫斯基所創(chuàng)建的自回火工藝，節(jié)省了電能、勞力與生產(chǎn)面積，簡化了工序。

 

（7）推廣用中碳鋼感應(yīng)淬火代替調(diào)質(zhì)與滲碳工藝，以汽車熱處理件為例，感應(yīng)熱處理件的數(shù)量與千克重不斷增加，建廠開始時（1957年）解放車只31種，148.5kg感應(yīng)淬火件，到80年代，CA141汽車的感應(yīng)淬火件已擴(kuò)大到52種，重245kg，數(shù)量為原來的167%，重量為原來的165%。

 

（8）開展齒輪高頻氣體滲碳、中碳鋼、低淬透性鋼等新工藝試驗(yàn)研究。

 

（9）前蘇聯(lián)工廠設(shè)計與工藝及裝備資料等成為舊廠改造與新廠籌建的主要藍(lán)本，蘇聯(lián)高頻科技書及達(dá)許凱維奇專家1956年上海高頻培訓(xùn)班的資料曾是高頻科技人員的主要參考資料。

 

二、感應(yīng)熱處理電源設(shè)備的發(fā)展

 

感應(yīng)加熱電源、淬火機(jī)床、感應(yīng)器三者的進(jìn)步一般標(biāo)志著感應(yīng)熱處理技術(shù)水平的提高，因?yàn)楦袘?yīng)熱處理新工藝的應(yīng)用，必須有裝備的保證。

 

1.高頻電源的發(fā)展

 

20世紀(jì)50年代，國內(nèi)初時采用進(jìn)口的ЛГЗ－60、ЛГЗ－100、GV-21、Gv201、ThermonicI.H等型號，1957年，天津廣播器材廠、北京廣播器材廠相繼開發(fā)了國內(nèi)同型號產(chǎn)品，其后將整體機(jī)改為分體機(jī)，閘流管改為可控硅調(diào)壓硅堆整流，采用新型高效振蕩管（如FD911s代Fu-23s）、新型平板陶瓷電容器等，提高了整機(jī)效率；設(shè)計和生產(chǎn)了陽壓自動跟蹤裝置，使空載陽壓穩(wěn)定度提高。

 

70年代開發(fā)了電子管式超音頻電源，使中模數(shù)齒輪及許多感應(yīng)淬火件得到更合理的淬硬層。

 

90年代后，晶體管高頻電源開始研發(fā)，目前國內(nèi)已能生產(chǎn)多種晶體管高頻電源，特別是小型便攜式電源，以其靈活、價廉大量應(yīng)用于中小零件感應(yīng)淬火，設(shè)備并出口海外。國內(nèi)晶體管MOSFET高頻電源f=50～200kHz已能生產(chǎn)，功率達(dá)200kW。

 

2.機(jī)式中頻電源從生產(chǎn)到淘汰

 

50年代末，國內(nèi)能生產(chǎn)МГЗ－52、102、108等型號中頻裝置（含中頻控制設(shè)備與機(jī)式變頻器），以后臥式變頻機(jī)又改進(jìn)為立式變頻機(jī)，頻率有1000Hz，2500Hz，4000Hz，8000Hz四種規(guī)格。單臺發(fā)電機(jī)最大功率達(dá)500kW（BPS500/2500）多臺變頻機(jī)并聯(lián)后功率還可增大，由于機(jī)式發(fā)電機(jī)效率較低（變頻效率70%～80%），80年代初，發(fā)達(dá)國家即停止生產(chǎn)，國內(nèi)現(xiàn)仍有相當(dāng)套裝置在使用，制造廠則已停止生產(chǎn)此產(chǎn)品。

 

3.晶閘管中頻電源

 

因具有安裝啟動方便、空載損失少、電效率高（85%以上）等優(yōu)點(diǎn)，90年代后在國內(nèi)飛躍發(fā)展，其原因要?dú)w根于器件的國產(chǎn)化，現(xiàn)在晶閘管中頻電源已覆蓋了中頻的主要市場，其f=1～8kHz，功率為50～2000kW，國內(nèi)已有數(shù)十家生產(chǎn)商。

 

4.IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）超音頻電源

 

它綜合了雙極型及MOSFET晶體管的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小，飽和壓降低，既能在1～10kHz，也能在10～100kHz頻率工作，與晶閘管電源相比更加節(jié)能，調(diào)節(jié)性能更好，因此得到很快的發(fā)展并巳替代部分晶閘管電源，國內(nèi)產(chǎn)品f=20～40kHz較多，也有50～100kHz的，功率達(dá)1000kW。

 

5.超高頻電源

 

頻率達(dá)百萬赫茲（MHz）的超高頻電源主要用于刀片、針布尖部，以及φ2.5mm以下等小工件的淬火，國內(nèi)已有多種產(chǎn)品，其頻率f為27.12 MHz或12MHz等，功率一般不超過30kW。

 

此外，國內(nèi)還有高頻與超音頻兼能的雙頻電源，便于用戶生產(chǎn)多類產(chǎn)品。

 

三、淬火機(jī)床的發(fā)展

 

50年代是以進(jìn)口淬火機(jī)床為主，典型的是捷克產(chǎn)EKS－30型通用淬火機(jī)床，適用于機(jī)床齒輪等小工件，專機(jī)則有曲軸、凸輪軸、氣缸套、飛輪齒圈、履帶銷等，以后國內(nèi)一些大企業(yè)及設(shè)計院開始自行設(shè)計淬火機(jī)床，突出的有為二汽籌建用的30多套感應(yīng)淬火機(jī)床，援外用的淬火機(jī)床及各廠針對本廠需要而自行設(shè)計的淬火機(jī)床（原一機(jī)部六院匯編成淬火機(jī)床圖冊），其后國內(nèi)建立了淬火機(jī)床廠生產(chǎn)了Tx001、GC1205、2405；GC－1050；QW9080；QW9120等立式通用淬火機(jī)床，GCK－12150(曲軸頸)、GC－22－100NAB（曲軸頸）縫紉機(jī)針桿、螺釘頭、氣門搖臂、大齒輪等40多種專用淬火機(jī)床，這些機(jī)床有力的保證了當(dāng)時工廠的生產(chǎn)需要，其傳動系統(tǒng)既有全機(jī)械的也有液壓式的，電控則大都為繼電器控制，極少數(shù)微機(jī)控制。70年代時曲軸頸淬火已開始使用旋轉(zhuǎn)加熱工藝（二汽發(fā)動機(jī)廠）但機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，換感應(yīng)器等操作費(fèi)力，生產(chǎn)率低；1979年北京內(nèi)燃機(jī)總廠研制成國內(nèi)首臺龍門式半自動曲軸淬火機(jī)床（《機(jī)械工人》1983年1期曾有報道）其后國內(nèi)工廠又相繼從德國、意大利、法國、日本進(jìn)口了數(shù)十套曲軸頸自動感應(yīng)淬火裝置，鑒于價格昂貴，有達(dá)千萬元每套的，使行業(yè)專家們呼吁“引進(jìn)、引進(jìn)何時了”。高興的是國內(nèi)民營企業(yè)在21世紀(jì)初很快就研制出近十種現(xiàn)代化的曲軸頸淬火成套裝置，有半自動化浸液結(jié)構(gòu)、全自動噴液柔性型配不同功率的TQK系列淬火機(jī)床等，后者已擁有15家用戶數(shù)十臺機(jī)床在生產(chǎn)中使用。該系列機(jī)床每次3～15個感應(yīng)器進(jìn)給到位，1～3個感應(yīng)器同時加熱與噴液，其生產(chǎn)率與淬火質(zhì)量均不低于進(jìn)口的名牌淬火機(jī)床。還有一家民營企業(yè)最近又研制出全自動曲軸成套淬火裝置見圖5。

 

國內(nèi)淬火機(jī)床的技術(shù)水平的提高可用以下幾點(diǎn)說明：

 

（1）傳動系統(tǒng)使用伺服電機(jī)、滾珠絲杠副等機(jī)械裝置，使工作行程速度穩(wěn)定可靠，定位精度提高，一般允差不超過0.03mm。

 

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

 

（3）能量監(jiān)控器在一些淬火機(jī)床上得到應(yīng)用。

 

（4）采用閉路循環(huán)冷卻代替開路循環(huán)。

 

（5）配套件如薄型變壓器、多匝比變壓器、電熱電容器等，國產(chǎn)化率大大提高。

 

（6）功能增多，如功率分配，能量監(jiān)控，某些機(jī)床除X軸、C軸外，Z軸也可編程等。

 

四、感應(yīng)器設(shè)計與制造

 

感應(yīng)器設(shè)計與制造質(zhì)量直接與淬火工件質(zhì)量及能耗相聯(lián)系，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)如旋轉(zhuǎn)加熱曲軸感應(yīng)器等，曾被外企認(rèn)為只有進(jìn)口這條渠道能解決，然而90年代初，國內(nèi)建立了專業(yè)的感應(yīng)器制造廠，此后進(jìn)口感應(yīng)器幾乎全部國產(chǎn)化了，突出的是國內(nèi)一家制造商已擁有自行設(shè)計的1000多套感應(yīng)器圖樣，其產(chǎn)品涵蓋了汽車、工程機(jī)械、機(jī)車、機(jī)床、石油及冶金等多個領(lǐng)域，對感應(yīng)器設(shè)計、改進(jìn)使用等并有專著等（《金屬加工》熱加工2006年第9期報道）。感應(yīng)器鑲裝導(dǎo)磁體以提高效率已迅速擴(kuò)大，可加工導(dǎo)磁體及厚度為0.08～0.1 mm的硅鋼片的使用量增多，陶瓷定位塊在特種感應(yīng)器上的使用，用模具檢測感應(yīng)器制造精度等均代表近幾年來感應(yīng)器制造水平的提高，用計算機(jī)模擬法研制新型感應(yīng)器已在少數(shù)企業(yè)中進(jìn)行。

 

五、感應(yīng)熱處理新工藝的發(fā)展

 

（1）曲軸頸旋轉(zhuǎn)淬火及圓角淬火

 

分合式曲軸頸感應(yīng)器為半環(huán)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)淬火所取代，解決了油孔淬裂及下止點(diǎn)淬硬區(qū)窄問題，隨之曲軸頸圓角淬硬普遍應(yīng)用于柴油機(jī)曲軸，提高曲軸疲勞強(qiáng)度一倍。

 

（2）軸類零件采用矩形管縱向加熱淬火

 

使臺階軸過渡的淬硬層不中斷得到連續(xù)，大大提高了軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，如圖6所示。一汽、東汽等均已將此工藝用于半軸生產(chǎn)。

 

（3）鋼軌全長感應(yīng)淬火

 

已有幾十條鋼軌全長中頻淬火生產(chǎn)線在國內(nèi)運(yùn)用，使鋼軌壽命提高一倍以上，此技術(shù)并擴(kuò)大到鐵道的其他件，如道岔、翼軌等。

 

（4）軋輥雙頻感應(yīng)淬火

 

國內(nèi)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(jìn)行生產(chǎn)，其工裝淬火噴液環(huán)已進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，取得實(shí)效。

 

（5）PC鋼筋生產(chǎn)技術(shù)

 

國內(nèi)對PC鋼筋感應(yīng)淬火技術(shù)從單頻發(fā)展為雙頻，從單線生產(chǎn)發(fā)展為雙線生產(chǎn)，能耗指標(biāo)不斷下降，某公司對φ7～φ13.5mm鋼筋的能耗已達(dá)到304kW＆#183;h/t。

 

（6）鋼管焊縫感應(yīng)退火

 

此工藝主要消除焊縫應(yīng)力及勻化組織，防止偏析區(qū)產(chǎn)生硬點(diǎn)影響鋼管壽命，國內(nèi)已有多個企業(yè)從事此行業(yè)，所有裝備絕大數(shù)是國內(nèi)技術(shù)。

 

（7）汽車零部件的感應(yīng)淬火

 

汽車CVJ鐘形殼、三柱滑套、輪轂內(nèi)滾道等許多零件感應(yīng)淬火的裝備與工藝全部國產(chǎn)化交鑰匙項(xiàng)目。這些國產(chǎn)零件滿足了國內(nèi)汽車工業(yè)快速發(fā)展的需要并自給有余。

 

（8）回轉(zhuǎn)支承滾道與齒輪感應(yīng)淬火

 

成套裝置與工藝完全國產(chǎn)，保證了當(dāng)前發(fā)展風(fēng)電與港口機(jī)械的需要，可處理零件直徑達(dá)4～6m。

 

（9）長內(nèi)孔管件淬火

 

內(nèi)孔φ124mm，深達(dá)3000mm的管件內(nèi)孔掃描淬火的全套裝備與工藝在國內(nèi)研制成功并投產(chǎn)。

 

（10）大齒輪單齒沿齒溝掃描淬火

 

m62大模數(shù)齒條單齒沿齒溝深火取得成功，解決了層深、裂紋、變形等多種工藝問題。汽車齒輪雙頻淬火大量使用于生產(chǎn)。

 

（11）低淬透性鋼齒輪

 

從鋼種開發(fā)到齒輪批量生產(chǎn)在70年代曾取得成效，此項(xiàng)目在鋼材成分控制上有待提高。

 

此外，還有人工心臟瓣膜感應(yīng)加熱在保護(hù)氣體下沉積材料、軋輥感應(yīng)加熱熔覆耐磨材料等多種工藝已用于生產(chǎn)。

 

六、感應(yīng)熱處理標(biāo)準(zhǔn)制訂與修改

 

感應(yīng)熱處理標(biāo)準(zhǔn)從無到有并不斷修訂，與感應(yīng)熱處理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有專標(biāo)（ZB）、機(jī)標(biāo)（JB）與國標(biāo)。

 

有些從ZB升為JB再升為GB，見附表這些標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)并監(jiān)管了感應(yīng)熱處理的工藝，裝置的技術(shù)要求，從而有效地控制了感應(yīng)熱處理件的質(zhì)量。

 

七、上質(zhì)量、上水平獨(dú)創(chuàng)發(fā)展我國感應(yīng)熱處理技術(shù)

 

60年來，感應(yīng)熱處理技術(shù)從學(xué)習(xí)、使用到研發(fā)，行業(yè)的進(jìn)展是邁開大步的，特別是90年代后，民企起了極大的作用，像曲軸頸柔性自動淬火機(jī)床這種高、精、尖設(shè)備能批量系列生產(chǎn)是過去很難做到的，進(jìn)入新世紀(jì)，展望未來提出如下觀點(diǎn)：

 

（1）節(jié)能工藝的電耗指標(biāo)應(yīng)提到日程

 

感應(yīng)熱處理是節(jié)能工藝，感應(yīng)透熱有電耗指標(biāo)，而表面淬火的電耗指標(biāo)卻是以零件總重量來衡量，則是錯誤的，試想一個大齒輪與一個小銷子相比，其不加熱部分的質(zhì)量百分比差別極大，這種指標(biāo)能起到考核作用嗎？因此，應(yīng)以淬硬層質(zhì)量（kg）做為電耗依據(jù)，此指標(biāo)創(chuàng)建是有難度的，但它將填補(bǔ)國際空白。有了電耗指標(biāo)反過來考核電源、母排、淬火變壓器的損耗大小、機(jī)床待機(jī)損失、水耗量等種不足之處，使節(jié)能工藝真正做到節(jié)能，這對生產(chǎn)廠節(jié)能起監(jiān)管作用，并有利于企業(yè)創(chuàng)建名牌產(chǎn)品，用戶則有正確的選擇根據(jù)。

 

（2）嚴(yán)格貫徹標(biāo)準(zhǔn)與補(bǔ)充、修訂標(biāo)準(zhǔn)

 

目前相當(dāng)量產(chǎn)品未貫徹GB、JB等標(biāo)準(zhǔn)甚至還沒有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而GB、JB本身類別還不夠亦需要補(bǔ)充與修改。國外有些企業(yè)其產(chǎn)品說明中或協(xié)議中明確提出符合XX標(biāo)準(zhǔn)，這是產(chǎn)品可靠性的保證，必須重視與執(zhí)行。

 

（3）學(xué)習(xí)交流與技術(shù)合作

 

企業(yè)特別是同行保守機(jī)密是自然競爭的必然，然而開展學(xué)術(shù)研討會，探討技術(shù)發(fā)展理論與趨勢卻是極有益的借鑒平臺，應(yīng)該提倡，這種研討會不但在國內(nèi)要多舉辦而且還要走出國門多參加。

 

（4）感應(yīng)淬火的計算機(jī)模擬

 

多少年來，感應(yīng)淬火工藝試驗(yàn)一直采用的選頻率、調(diào)試功率密度及修改感應(yīng)器、切樣品看結(jié)果的現(xiàn)場繁重工作，已因計算機(jī)模擬法的發(fā)明而改變?yōu)檩p松的電腦作業(yè)。國際上較大的感應(yīng)加熱公司均已使用此技術(shù)，現(xiàn)有ELTA、FLUX2D、FLUX3D等軟件。ELTA軟件是一個感應(yīng)加熱系統(tǒng)的電熱分析程序，可用于模擬單個的各種簡單幾何形狀的感應(yīng)系統(tǒng)；FLUX2D則功能更多，能模擬電磁場、溫度場及其變化，圖7所示為用FLUX2D模擬半軸加熱終了時的狀態(tài)。

 

早在2004年，美國熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖即提出“工藝和材科研發(fā)項(xiàng)目”，11個項(xiàng)目中第1項(xiàng)是“減少試驗(yàn)避免錯誤的設(shè)計感應(yīng)器軟件工具”，此項(xiàng)目的風(fēng)險性低，因此，計算機(jī)模擬用于感應(yīng)淬火工藝試驗(yàn)與優(yōu)化感應(yīng)器設(shè)計應(yīng)快馬加鞭了。

 

（5）合理的零件感應(yīng)淬火技術(shù)要求

 

感應(yīng)淬火與滲碳淬火都是表面硬化工藝，滲碳表面硬化層必定是仿形與均勻的薄層，而感應(yīng)加熱則是利用電磁場產(chǎn)生渦流加熱，渦流隨磁力線分布而產(chǎn)生，復(fù)雜形狀的零件各局部的電流密度不同。因此，對產(chǎn)品設(shè)計者來講，應(yīng)該了解感應(yīng)淬火的工藝特點(diǎn)，不要把感應(yīng)淬火技術(shù)要求等同于滲碳要求，刻意追求與滲碳層一致的仿形均勻分布，這樣不但增加工藝難度并且生產(chǎn)成本高昂，必要時零件進(jìn)行臺架試驗(yàn)將得出最正確的結(jié)果。

 

（6）培訓(xùn)專業(yè)人員

 

目前感應(yīng)熱處理科技人員大都來自大學(xué)的機(jī)電、材料熱處理專業(yè)，國內(nèi)大學(xué)中感應(yīng)熱處理工藝與設(shè)備的課時很少，專科及技校則更少，前蘇聯(lián)大學(xué)中設(shè)有感應(yīng)加熱專業(yè)，培養(yǎng)此方面人才，前蘇聯(lián)感應(yīng)熱處理專著也多；國內(nèi)應(yīng)重視此問題，即如何培養(yǎng)年輕一代感應(yīng)熱處理人才。