高频感应淬火实现表面同时加热之途径

高频淬火加热方式有两种：第一种是同时加热淬火，即将工件需要淬火的表面同时加热，随后进行急剧的冷却；第二种是循序连续加热淬火，即用感应加热工件的一小部分表面，同时工件由上向下移动，使表面循序连续加热和冷却。

进行多品种、小批量零件的生产时，不同材料可能需要使用不同的淬火介质，故大多采用同时加热的淬火方式。若淬火表面积较大的零件，受设备功率等因素的限制，则考虑采用连续加热的方式进行淬火。

1.马氏体不锈钢工件内孔高频表面淬火

（1）加工难点

马氏体不锈钢工件内孔高频表面淬火采用同时加热的方式，其加工难点在于不锈钢材质和内孔表面淬火。

高频感应加热过程中，温度超过材料失磁点（钢铁材料失磁点温度一般在700～800℃）时，材料电磁感应能力降低，加热速度下降数倍，进一步加热困难。而不锈钢热处理温度高，均在1000℃以上，加热到材料的淬火温度难度更大。另一方面，由于其热处理温度高，接近材料的熔点，虽然失磁点以上加热速度降低，但较常规热处理加热速度仍很快，又难以控制，存在发生零件表面过热熔融的风险。

环状效应是感应加热的三大效应之一，也是造成内孔加热困难的原因所在。即使用感应圈对工件进行加热时，通过感应圈的电流集中在感应圈的内侧表面。加热工件外圆表面时，感应圈内侧表面与工件外侧表面相对应，有利于工件的加热，而加热工件内孔表面时，方向则正好相反，会使感应器的电效率显著降低，不利于工件的加热。而且，进行内孔感应淬火时，加热面在工件内部，操作者从外部不易直接观测，一定程度上增加了操作困难。

某产品球面轴承（见图1）要求sf28mm球面淬火，材料为马氏体不锈钢20Cr13，淬火硬度要求35～45HRC。该工件除上述加热难点外，其加热面为球面，而不是直通内孔，必然造成感应器与工件加热面的间隙增大，进一步降低了电效率。通常进行内孔高频淬火，为克服环状效应对工件加热的不利影响，采用在感应器上设置导磁体，以改变磁场的分布，迫使电流向接近于工件所需加热的表面分布，从而改善加热效果。但该工件内孔较小，去掉感应器与工件之间的间隙距离以及感应器自身尺寸，感应器内径在13mm以下，无法加装导磁体。对该工件的感应淬火只能通过优化工艺参数、改进加热过程以最大限度发挥设备能力的方法。

（2）淬火工艺方案

淬火工艺方案包括加热时间、淬火温度、淬火介质。

许多人认为，高频感应淬火都属于瞬时加热，可以在短短几秒内达到淬火温度，这种认识反映的是普遍情况，却是不全面的。有些情况下，加热速度会慢一些，而在一些特殊情况下，通过降低电压输出等手段，减慢零件的加热速度，可以满足一些特殊工件或特殊技术要求的需要。对于该工件来说，由于诸多不利因素的存在，快速加热是不现实的，考虑目测温度变化的需要和防止过热甚至表面熔融现象的发生，以保证淬火质量，必须立足于较慢的加热速度。加热速度过慢则将失去表面淬火的优势，还会因热传导使淬硬层过大。实践证明，将该工件的加热时间控制在2.5～3min之间较为适宜。

工件的淬火温度应根据钢种、原始组织及在相变区的加热速度来确定，钢种和原始组织一定的条件下，淬火温度主要由加热速度决定。加热速度越快，所需的淬火温度越高，高频淬火加热速度远高于常规热处理，因此，高频淬火温度普遍高于常规热处理淬火温度。球面轴承由于各种原因，加热存在诸多困难，淬火温度不宜过高，淬火温度越高，实现难度越大，这也是选择较慢加热速度的原因之一。虽然选择了较慢的加热速度，但仍属快速加热，再考虑较慢的加热速度意味着奥氏体化时间较快速加热长。经过对多种因素的综合分析，淬火温度应与常规热处理相当或略高。

马氏体不锈钢淬透性好，工件尺寸不是很大时，空冷即可完全淬透。球面轴承有效厚度不足10mm，且又是表面淬火，理论上应选择空冷淬火。同时，考虑到淬火温度选择较低的特殊情况，为保证工件淬火效果，满足硬度要求，空冷淬火不可避免地存在一定不确定因素，选择冷却速度较快的淬火介质、弥补淬火温度较低的可能缺陷就成为必然选择。油冷却速度明显好于空冷，在各类淬火介质中属于较慢的一种，工件加热到淬火温度后立即浸油淬火即可达到淬火效果。较慢的冷却速度又不致产生裂纹等缺陷，稳定而有效地满足技术要求。

（3）实际效果

按上述方案对球面轴承进行淬火后，球面硬度在45HRC以上，经过480℃回火，硬度仍稳定在40HRC以上，且每一工件及工件各部位硬度分布均匀稳定，说明工件充分达到了淬火要求。该工件的淬火成功，为加热难度较大的不锈钢工件及内孔的表面淬火提供了有益的参考。

2.较大尺寸零件深淬硬层高频表面淬火

（1）加工难点

此工件的高频淬火也采用同时加热的方式。其加工难点主要在于受设备功率和电流频率的限制。

高频淬火为短时快速加热，需要在很短的时间内加热到很高的温度，需要足够的加热功率作为基础。工件需要加热的表面越大，所需的功率也就越大，被加热表面大到一定程度时，就会因设备功率限制难以顺利实现同时加热。

工件进行感应加热时，电流透入深度由电流频率决定，这一原理使电流频率成为了决定淬硬层深度的主要因素。高频淬火设备的电流频率一般是固定的，如高频设备电流频率为200～300kHz，对应热透入深度为0.9～1.1mm，这就限制了淬硬层深度的进一步加深。

某产品牵引销（淬火部位见图2）为产品中的关键零部件，材料为40Cr合金结构钢，要求f 89mm外圆表面高频淬火，淬火硬度要求50～60HRC，淬硬层深度2.5～4.5mm。该工件需淬火表面尺寸较大，除需要较大的功率进行加热外，对于加热影响更大的问题是淬火部位为工件凹槽部，感应器的制作也是一大困难。如按常规方法制作感应器，即感应器内径稍大于需淬火表面直径，则感应器必须现场制作，十分麻烦，而且工件淬火必须损坏感应器才能进行，每一工件的高频表面淬火必须制作相应的一件感应器，也存在着每一感应器的制作误差；如感应器内径大于相邻截面直径，即大于111mm，则感应器与淬火部位的间距加大了11mm，感应加热效率将显著降低。淬硬层方面，2.5～4.5mm的深度范围是正常热透入深度的2.5～4.5倍，为提高淬硬层深度，一般可适当利用热传导的原理，即利用热量由表面向心部传导的特性，加大加热层的厚度。但单纯依靠热传导的方法需要自表面向内存在较大的温度差，往往要求的淬硬层深度达到淬火温度时，表面温度已过高，产生表面组织过热、过烧等缺陷。

（2）淬火工艺方案

为完成此项工件的淬火，专门制作了感应器，加强了工艺过程控制并采用了断续加热方式。

结合牵引销的诸多特点，改变传统感应器制作方式，将感应器制作为半圆形，克服传统感应器对于该工件高频淬火的上述难点，既可以实现感应器与加热表面之间尽可能小距离的配合，又可以方便地使工件与感应器脱离进行淬火。在具体的操作实施中，使工件相对于感应器进行同心旋转，达到瞬间对半圆进行加热，整体上又对全部淬火表面进行加热的特殊效果（见图3）。

前面已讲述，钢铁材料在加热到一定温度后，将失去磁性，加热速度随之下降数倍。实际加热过程中，当表面出现超过失磁点的薄层时，和薄层相邻的内部交界处涡流强度就会突然上升，成为加热速度最快的部位，出现高温表层加热速度降低，交界处升温加速，并向内部推移的现象。这一现象为提高淬硬层深度是有利的，但表层高温区加热速度较交界处以内的部位快很多，表层过热、过烧倾向仍很严重。此时，就需要找出电压、加热速度等参数的最佳配置，严格加热过程的控制，在保证质量的前提下尽量增大淬硬层深度。

牵引销要求淬硬层深度较大，单纯的参数控制在完全满足技术要求方面仍有欠缺，还需要采取一些其他技巧。断续加热，即在未达到淬火温度时，暂时停止加热，使工件表面热量较多地向内传导，然后再重新开始加热。这样相当于增加了热传导时间，降低表面向内部的温度梯度，反复进行数次，表面温度不致过高而产生过热、过烧。实现从表面向内2.5～4.5mm内较均匀的达到淬火温度的目的。

（3）实际效果

采取改进感应器设计、优化工艺参数、断续加热等措施后，牵引销表面高频淬火后硬度可以稳定达到55HRC左右，淬硬层深度3mm以上，使用高频淬火的方式达到了本适合于中频淬火的淬硬层深度要求。而且由于感应器的改进，工件可以逐一连续不断地进行淬火操作，有效提高了工作效率。

3.需要注意的事项

为保证加工质量，需注意下列事项：

（1）设备维护工作极为重要。高频感应器与工件间距应尽可能小，以减少其电能损耗，最大限度地保证同时加热的功率需要。

（2）使用紫铜管弯制成螺旋状是感应器的最常用形式。设计制作此类感应器时，应尽可能使用直径较大的紫铜管并减少匝数，以降低感抗，保证加热效率。

4.结语

高频感应淬火是一个复杂的过程，在热处理中也属于特殊热处理范畴，而实现同时加热则难度更大。在具体操作中，必须综合考虑设备功率、工作频率、感应器、热处理参数、材料组织转变、淬火介质、冷却方式等因素，达成这些因素的最佳配合，最大限度地发挥设备潜力，尽可能满足多品种、小批量工件同时加热淬火的需要。

高频感应淬火设备进行局部加热时需要注意产品定位

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