感應(yīng)回火工藝

2018-10-08 00:00:00    來源：感應(yīng)回火工藝    點擊：1750    喜歡：0

中碳鋼和中碳低合金鋼的機(jī)械零件感應(yīng)淬火后，可以得到56～65HRC的硬度，一般需進(jìn)行回火處理。將感應(yīng)淬火后的零件，通過150～250℃的溫度，處以1.5～3h的保溫回火處理，空冷，使碳從淬火馬氏體的固溶體上析出細(xì)小的碳化物，形成回火馬氏體。用不同的溫度回火，將淬火馬氏體的硬度控制在50～62HRC以取得綜合的力學(xué)性能，滿足機(jī)械零件的服役條件。

1.感應(yīng)回火特點

通常，感應(yīng)淬火的工序后，配以具有溫度、時間自動控制的電加熱的箱式爐，井式爐，或是網(wǎng)帶爐。這類工藝設(shè)備的配置，工藝簡單，控制可靠，機(jī)械零件的回火質(zhì)量穩(wěn)定。我們將此感應(yīng)淬火零件的回火姑稱為傳統(tǒng)的回火工藝。

現(xiàn)代機(jī)械零部件的生產(chǎn)采用了一物流的組織方式。傳統(tǒng)的回火工藝方式因零件在回火工藝設(shè)備中流轉(zhuǎn)周期過長及回火過程中裝夾定位不便而不太適應(yīng)一物流的生產(chǎn)組織。于是，零件感應(yīng)回火的生產(chǎn)節(jié)拍能和感應(yīng)淬火生產(chǎn)節(jié)拍一致，裝夾定位一致，所以感應(yīng)回火工藝及裝備被推廣應(yīng)用于一物流生產(chǎn)線中。

淬火馬氏體通過回火，其α固溶體仍有一定的碳的過飽和度，仍保持了淬火鋼的高硬度和高耐磨性，同時降低了零件淬火層的脆性和內(nèi)應(yīng)力，以免零件在服役過程中的沖擊力下的崩裂過早失效。那么，如何知道淬火零件回火充分性？用什么方法來評判回火的充分性和檢測回火的程度？傳統(tǒng)的回火工藝方式的零件回火充分性和回火的檢測是眾所周知，通過回火零件的表面硬度的檢測，和第二次該零件相同溫度、時間回火后，檢測表面硬度差不大于1HRC，即為零件回火充分。電加熱回火爐的的加熱是空氣傳導(dǎo)和熱輻射，測溫器件是熱電偶，零件的溫度可以用爐內(nèi)的溫度場的溫度來準(zhǔn)確表征。而感應(yīng)回火，感應(yīng)回火的裝備，采取的是電磁場感應(yīng)加熱，即鋼在頻率較低的磁場中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，從而發(fā)熱，使零件被回火。零件是發(fā)熱體，應(yīng)用了紅外測溫儀測零件的表面溫度為準(zhǔn)（紅外測溫儀在測溫過程中受環(huán)境條件的諸多影響因素不在本文的討論范圍）。零件回火后的硬度檢測，目前是沿用了傳統(tǒng)的回火工藝的回火檢測，即測零件表面硬度。

2.感應(yīng)回火的試驗及檢驗

我們在上海恒精公司制造的通用設(shè)備上對圖1所示零件，感應(yīng)淬火后進(jìn)行感應(yīng)回火試驗。試驗條件和檢驗結(jié)果見表1、表2。

圖1  感應(yīng)淬火回火后零件硬化層分布

表1  淬火回火試驗條件

表2  淬火回火檢測結(jié)果

從表2上測試的數(shù)據(jù)上分析，回火的目的似乎已經(jīng)達(dá)到。

感應(yīng)加熱的方式和傳統(tǒng)回火加熱的方式有些本質(zhì)的不同，即感應(yīng)加熱是感應(yīng)渦流使鋼的表面自體發(fā)熱加熱，時間短；傳統(tǒng)回火加熱是外部發(fā)熱體通過熱傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行加熱，時間長，有足夠的時間使熱量在鋼內(nèi)部傳導(dǎo)并使溫度均勻。為了檢查整個硬化層的回火程度，對感應(yīng)回火后的零件進(jìn)行硬度梯度的測定，以反映感應(yīng)回火時感應(yīng)渦流透入加熱深度效果。硬化層梯度測定，如圖2所示。

圖2  淬火及回火硬度曲線

感應(yīng)淬火后的淬火硬化層的硬度梯度曲線1，感應(yīng)回火后的淬火硬化層的硬度梯度曲線2表明，僅零件淬火層的表面得到充分回火，而表層下的硬化層，未能得到充分的回火。文獻(xiàn)表明，感應(yīng)加熱回火的加熱深度，要大于淬火時的加熱深度，以減少或消除硬化層與過渡層之間的拉應(yīng)力。感應(yīng)加熱時零件的渦流分布特性與電流透入深度見圖3。

（a）電流密度分布      （b）渦流透入深度

圖3  渦流分布特性與電流透入深度

圖3表明渦流強(qiáng)度隨表面距離變化的關(guān)系。渦流分布是高度集中在零件的表面中，而且渦流強(qiáng)度隨距離增大而急劇下降，隨距離的e指數(shù)比下降的。實際應(yīng)用中，規(guī)定Ir下降到Io的36.79%為電流透入深度，同時可近似認(rèn)為渦流只存在于零件表面電流透入深度的薄層中，而在薄層以內(nèi)的心部沒有渦流。由于渦流產(chǎn)生的熱量與渦流強(qiáng)度的平方成正比，所以從表面向心部，熱量的下降要比渦流下降的更快。

經(jīng)計算證明，85.6%的熱量是產(chǎn)生在電流透入深度內(nèi)。當(dāng)感應(yīng)加熱時，零件的外表面溫度達(dá)到了鋼回火要求的溫度，但因時間極短（相對傳統(tǒng)回火時間的千分之一），鋼的熱傳導(dǎo)未能發(fā)生，同時感應(yīng)渦流強(qiáng)度的梯度大，在整個有效淬火硬化層，不能達(dá)到均勻一致的回火溫度，形成感應(yīng)回火零件表層回火，而整個淬火硬化層未能充分回火的現(xiàn)象。

表3  回火試驗參數(shù)及檢測結(jié)果

提高感應(yīng)回火功率或回火時間，能不能改善感應(yīng)回火的透入深度？分別對感應(yīng)回火的時間和功率參數(shù)進(jìn)行試驗，見表3。提高感應(yīng)回火功率或回火時間，表面溫度升高了，感應(yīng)回火零件表面硬度下降。

吻合相關(guān)資料，在要求的硬度范圍內(nèi)，感應(yīng)回火溫度比傳統(tǒng)回火工藝溫度高50～60℃。對感應(yīng)淬火層的硬度梯度分析，45、55鋼的感應(yīng)淬火后，表面硬度都一般大于60HRC，有效硬化層的一半，達(dá)到58HRC以上，因此，在該部分的回火溫度要求是基本相同的。而上述的工藝，因為感應(yīng)渦流強(qiáng)度隨距離的急速下降，在硬化層各點上產(chǎn)生的溫度，難以滿足此處回火硬度要求。

感應(yīng)回火過程中，有感應(yīng)渦流產(chǎn)生的回火所需熱量及其熱傳導(dǎo)，兩者要有產(chǎn)生熱量的速度及傳導(dǎo)熱量的速度平衡，當(dāng)產(chǎn)生熱量的速度大于傳導(dǎo)熱量的速度，零件表面持續(xù)升溫，超過零件回火要求溫度，導(dǎo)致表面硬度降低；反之，會導(dǎo)致回火不充分。所以，僅提高感應(yīng)回火功率或回火時間，不能達(dá)到回火要求。

3.工藝方案

在試驗的測溫過程中，感應(yīng)加熱結(jié)束后溫度從280℃在2～3s間降到90～100℃。零件表面層的熱量向外表—空氣和內(nèi)部—鋼擴(kuò)散，當(dāng)然，鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)比空氣大的多，感應(yīng)回火加熱熱量是大部傳遞給鋼的內(nèi)部。可以設(shè)計，在感應(yīng)回火過程中，感應(yīng)加熱并保持表面的溫度在270℃，以傳導(dǎo)加感應(yīng)渦流方式，來加熱整個感應(yīng)淬火硬化層，達(dá)到淬火層的回火目的。

試驗工藝如表4所示，在第一次感應(yīng)加熱后，空冷2s，再以第一次功率的1/2感應(yīng)加熱2s，空冷2s，噴水冷卻。硬度梯度檢驗見圖2中的曲線3，整個感應(yīng)淬火硬化層被回火后得到了較均勻的平坦回火硬度曲線。

表4  回火試驗工藝參數(shù)及檢測結(jié)果

4.感應(yīng)回火后的檢測方法討論

本文已闡明了感應(yīng)回火加熱和熱傳導(dǎo)的方式與傳統(tǒng)回火方式的差異。用傳統(tǒng)回火工藝的控制檢測方式，即控制溫度和檢測表面硬度，不能正確并有效地反映控制零件淬火層的感應(yīng)回火質(zhì)量。感應(yīng)回火加熱的特征是感應(yīng)渦流發(fā)熱，具有表面趨膚效應(yīng)和渦流強(qiáng)度隨距離e指數(shù)減弱，熱傳導(dǎo)的作用相對弱，不適當(dāng)?shù)母袘?yīng)回火工藝，會使感應(yīng)淬火硬化層在感應(yīng)回火后，表面達(dá)到工藝的回火要求，但在感應(yīng)淬火層的內(nèi)部，存在回火不充分。因此，必須在感應(yīng)回火的控制和檢測方式上有功率、加熱時間、表面溫度、表面硬度、淬火硬化層硬度梯度的要素。

感應(yīng)回火參數(shù)的選擇：感應(yīng)回火的頻率必須比感應(yīng)淬火的頻率低，因為回火加熱層一定要大于淬火加熱層；如設(shè)備條件不具備淬火—回火雙頻工況時，感應(yīng)回火的比功率應(yīng)是感應(yīng)淬火的1/5～1/3。

5.結(jié)語

（1）感應(yīng)回火的加熱方式、熱傳導(dǎo)方式和傳統(tǒng)回火的差異，使兩者的控制和測量有不同的要求。感應(yīng)回火要求有功率、加熱時間、表面溫度、表面硬度、淬火硬化層硬度梯度的要素。

（2）感應(yīng)回火后的淬火層硬度梯度檢測，反映了回火硬度的充分性。

（3）根據(jù)感應(yīng)加熱原理，制定的感應(yīng)回火工藝保證了零件的回火充分性。

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