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感应热处理技术发展六十年
2020-06-12
20世纪50年代，感应热处理开始在国内应用，当时此工艺被称做“高周波淬火”。这门热处理新工艺利用线圈电磁感应加热钢铁件是很新奇与吸引人的，它具有加热快、局部淬火、节能、在线生产、便于自动化等特点，很快为热处理工作者所接受。当时感应淬火主要的目标是，提高工件的耐磨性，代替渗碳与氰化，缩短时间周期与降低生产成本。
当时，前苏联、捷克、特别是“一五”计划苏援156项目中，感应加热技术大量进入我国机床、汽车、拖拉机制造行业。此外，纺机行业也从美国进口了电子管高频成套设备，用于罗拉表面淬火。
一、当时感应热处理技术的特点
（1）电子管高频电源是主要的变频电源，只有第一汽车制造厂大量应用机式中频发电机，并且采用一台变频机供给3～5个淬火台，各个淬火台可以轮流交替工作，即第一台上工件正加热，第二台可以在喷液，第三台可以在装卸料等，大大地提高了机式发电机的负载系数，如图1所示。
（2）淬火机可以安装在生产线上而不是集中在热处理车间，可减少工件往返运输工作。
（3）为减少操作者劳动量，采用半自动或全自动的淬火机，如曲轴颈半自动淬火机，履带销全自动淬火机等，履带销淬火生产率达180件/h，工人只需往料斗加零件。
（4）采用多工件加热感应器，如隔套端面加热感应器一次加热4件，刹车蹄片（矩形面淬火）感应器一次可加热7个工件，如图2所示。
（5）带夹具感应器解决了工件与感应器同心及定位基准的调整工作，如汽车钢板弹簧销等多种小零件，换上感应器，电、热规范一调整，即刻可以生产，工件进出感应器极快，生产率极高，如图3所示。对需要旋转加热的工件，图2则感应器底部装有水涡轮，利用淬火水驱动，按压手把，可将工件顶出感应器，如图4所示。
（6）高频淬火采用自回火工艺。一汽、一拖的曲轴颈中频淬火及生产线上用45钢制轴类、销子类小零件均采用K3舍皮里科夫斯基所创建的自回火工艺，节省了电能、劳力与生产面积，简化了工序。
（7）推广用中碳钢感应淬火代替调质与渗碳工艺，以汽车热处理件为例，感应热处理件的数量与千克重不断增加，建厂开始时（1957年）解放车只31种，148.5kg感应淬火件，到80年代，CA141汽车的感应淬火件已扩大到52种，重245kg，数量为原来的167%，重量为原来的165%。
（8）开展齿轮高频气体渗碳、中碳钢、低淬透性钢等新工艺试验研究。
（9）前苏联工厂设计与工艺及装备资料等成为旧厂改造与新厂筹建的主要蓝本，苏联高频科技书及达许凯维奇专家1956年上海高频培训班的资料曾是高频科技人员的主要参考资料。
二、感应热处理电源设备的发展
感应加热电源、淬火机床、感应器三者的进步一般标志着感应热处理技术水平的提高，因为感应热处理新工艺的应用，必须有装备的保证。
1.高频电源的发展
20世纪50年代，国内初时采用进口的ЛГЗ－60、ЛГЗ－100、GV-21、Gv201、ThermonicI.H等型号，1957年，天津广播器材厂、北京广播器材厂相继开发了国内同型号产品，其后将整体机改为分体机，闸流管改为可控硅调压硅堆整流，采用新型高效振荡管（如FD911s代Fu-23s）、新型平板陶瓷电容器等，提高了整机效率；设计和生产了阳压自动跟踪装置，使空载阳压稳定度提高。
70年代开发了电子管式超音频电源，使中模数齿轮及许多感应淬火件得到更合理的淬硬层。
90年代后，晶体管高频电源开始研发，目前国内已能生产多种晶体管高频电源，特别是小型便携式电源，以其灵活、价廉大量应用于中小零件感应淬火，设备并出口海外。国内晶体管MOSFET高频电源f=50～200kHz已能生产，功率达200kW。
2.机式中频电源从生产到淘汰
50年代末，国内能生产МГЗ－52、102、108等型号中频装置（含中频控制设备与机式变频器），以后卧式变频机又改进为立式变频机，频率有1000Hz，2500Hz，4000Hz，8000Hz四种规格。单台发电机最大功率达500kW（BPS500/2500）多台变频机并联后功率还可增大，由于机式发电机效率较低（变频效率70%～80%），80年代初，发达国家即停止生产，国内现仍有相当套装置在使用，制造厂则已停止生产此产品。
3.晶闸管中频电源
因具有安装启动方便、空载损失少、电效率高（85%以上）等优点，90年代后在国内飞跃发展，其原因要归根于器件的国产化，现在晶闸管中频电源已覆盖了中频的主要市场，其f=1～8kHz，功率为50～2000kW，国内已有数十家生产商。
4.IGBT（绝缘栅双极型晶体管）超音频电源
它综合了双极型及MOSFET晶体管的优点，驱动功率小，饱和压降低，既能在1～10kHz，也能在10～100kHz频率工作，与晶闸管电源相比更加节能，调节性能更好，因此得到很快的发展并巳替代部分晶闸管电源，国内产品f=20～40kHz较多，也有50～100kHz的，功率达1000kW。
5.超高频电源
频率达百万赫兹（MHz）的超高频电源主要用于刀片、针布尖部，以及φ2.5mm以下等小工件的淬火，国内已有多种产品，其频率f为27.12 MHz或12MHz等，功率一般不超过30kW。
此外，国内还有高频与超音频兼能的双频电源，便于用户生产多类产品。
三、淬火机床的发展
50年代是以进口淬火机床为主，典型的是捷克产EKS－30型通用淬火机床，适用于机床齿轮等小工件，专机则有曲轴、凸轮轴、气缸套、飞轮齿圈、履带销等，以后国内一些大企业及设计院开始自行设计淬火机床，突出的有为二汽筹建用的30多套感应淬火机床，援外用的淬火机床及各厂针对本厂需要而自行设计的淬火机床（原一机部六院汇编成淬火机床图册），其后国内建立了淬火机床厂生产了Tx001、GC1205、2405；GC－1050；QW9080；QW9120等立式通用淬火机床，GCK－12150(曲轴颈)、GC－22－100NAB（曲轴颈）缝纫机针杆、螺钉头、气门摇臂、大齿轮等40多种专用淬火机床，这些机床有力的保证了当时工厂的生产需要，其传动系统既有全机械的也有液压式的，电控则大都为继电器控制，极少数微机控制。70年代时曲轴颈淬火已开始使用旋转加热工艺（二汽发动机厂）但机床结构简单，换感应器等操作费力，生产率低；1979年北京内燃机总厂研制成国内首台龙门式半自动曲轴淬火机床（《机械工人》1983年1期曾有报道）其后国内工厂又相继从德国、意大利、法国、日本进口了数十套曲轴颈自动感应淬火装置，鉴于价格昂贵，有达千万元每套的，使行业专家们呼吁“引进、引进何时了”。高兴的是国内民营企业在21世纪初很快就研制出近十种现代化的曲轴颈淬火成套装置，有半自动化浸液结构、全自动喷液柔性型配不同功率的TQK系列淬火机床等，后者已拥有15家用户数十台机床在生产中使用。该系列机床每次3～15个感应器进给到位，1～3个感应器同时加热与喷液，其生产率与淬火质量均不低于进口的名牌淬火机床。还有一家民营企业最近又研制出全自动曲轴成套淬火装置见图5。
国内淬火机床的技术水平的提高可用以下几点说明：
（1）传动系统使用伺服电机、滚珠丝杠副等机械装置，使工作行程速度稳定可靠，定位精度提高，一般允差不超过0.03mm。
（2）采用CNC系统控制编程与操作简便，LED触摸屏可显示和监控所有CNC参数、加工程序及工艺参数，并具有故障诊断与报警功能。
（3）能量监控器在一些淬火机床上得到应用。
（4）采用闭路循环冷却代替开路循环。
（5）配套件如薄型变压器、多匝比变压器、电热电容器等，国产化率大大提高。
（6）功能增多，如功率分配，能量监控，某些机床除X轴、C轴外，Z轴也可编程等。
四、感应器设计与制造
感应器设计与制造质量直接与淬火工件质量及能耗相联系，对复杂结构如旋转加热曲轴感应器等，曾被外企认为只有进口这条渠道能解决，然而90年代初，国内建立了专业的感应器制造厂，此后进口感应器几乎全部国产化了，突出的是国内一家制造商已拥有自行设计的1000多套感应器图样，其产品涵盖了汽车、工程机械、机车、机床、石油及冶金等多个领域，对感应器设计、改进使用等并有专着等（《金属加工》热加工2006年第9期报道）。感应器镶装导磁体以提高效率已迅速扩大，可加工导磁体及厚度为0.08～0.1 mm的硅钢片的使用量增多，陶瓷定位块在特种感应器上的使用，用模具检测感应器制造精度等均代表近几年来感应器制造水平的提高，用计算机模拟法研制新型感应器已在少数企业中进行。
五、感应热处理新工艺的发展
（1）曲轴颈旋转淬火及圆角淬火
分合式曲轴颈感应器为半环感应器旋转淬火所取代，解决了油孔淬裂及下止点淬硬区窄问题，随之曲轴颈圆角淬硬普遍应用于柴油机曲轴，提高曲轴疲劳强度一倍。
（2）轴类零件采用矩形管纵向加热淬火
使台阶轴过渡的淬硬层不中断得到连续，大大提高了轴的扭转疲劳强度，如图6所示。一汽、东汽等均已将此工艺用于半轴生产。
（3）钢轨全长感应淬火
已有几十条钢轨全长中频淬火生产线在国内运用，使钢轨寿命提高一倍以上，此技术并扩大到铁道的其他件，如道岔、翼轨等。
（4）轧辊双频感应淬火
国内已能自制双频电源及淬火成套装置，轧辊双频淬火已在多个冶金厂进行生产，其工装淬火喷液环已进行了技术改进，取得实效。
（5）PC钢筋生产技术
国内对PC钢筋感应淬火技术从单频发展为双频，从单线生产发展为双线生产，能耗指标不断下降，某公司对φ7～φ13.5mm钢筋的能耗已达到304kW＆#183;h/t。
（6）钢管焊缝感应退火
此工艺主要消除焊缝应力及匀化组织，防止偏析区产生硬点影响钢管寿命，国内已有多个企业从事此行业，所有装备绝大数是国内技术。
（7）汽车零部件的感应淬火
汽车CVJ钟形壳、三柱滑套、轮毂内滚道等许多零件感应淬火的装备与工艺全部国产化交钥匙项目。这些国产零件满足了国内汽车工业快速发展的需要并自给有余。
（8）回转支承滚道与齿轮感应淬火
成套装置与工艺完全国产，保证了当前发展风电与港口机械的需要，可处理零件直径达4～6m。
（9）长内孔管件淬火
内孔φ124mm，深达3000mm的管件内孔扫描淬火的全套装备与工艺在国内研制成功并投产。
（10）大齿轮单齿沿齿沟扫描淬火
m62大模数齿条单齿沿齿沟深火取得成功，解决了层深、裂纹、变形等多种工艺问题。汽车齿轮双频淬火大量使用于生产。
（11）低淬透性钢齿轮
从钢种开发到齿轮批量生产在70年代曾取得成效，此项目在钢材成分控制上有待提高。
此外，还有人工心脏瓣膜感应加热在保护气体下沉积材料、轧辊感应加热熔覆耐磨材料等多种工艺已用于生产。
六、感应热处理标准制订与修改
感应热处理标准从无到有并不断修订，与感应热处理相关的标准有专标（ZB）、机标（JB）与国标。
有些从ZB升为JB再升为GB，见附表这些标准指导并监管了感应热处理的工艺，装置的技术要求，从而有效地控制了感应热处理件的质量。
七、上质量、上水平独创发展我国感应热处理技术
60年来，感应热处理技术从学习、使用到研发，行业的进展是迈开大步的，特别是90年代后，民企起了极大的作用，像曲轴颈柔性自动淬火机床这种高、精、尖设备能批量系列生产是过去很难做到的，进入新世纪，展望未来提出如下观点：
（1）节能工艺的电耗指标应提到日程
感应热处理是节能工艺，感应透热有电耗指标，而表面淬火的电耗指标却是以零件总重量来衡量，则是错误的，试想一个大齿轮与一个小销子相比，其不加热部分的质量百分比差别极大，这种指标能起到考核作用吗？因此，应以淬硬层质量（kg）做为电耗依据，此指标创建是有难度的，但它将填补国际空白。有了电耗指标反过来考核电源、母排、淬火变压器的损耗大小、机床待机损失、水耗量等种不足之处，使节能工艺真正做到节能，这对生产厂节能起监管作用，并有利于企业创建名牌产品，用户则有正确的选择根据。
（2）严格贯彻标准与补充、修订标准
目前相当量产品未贯彻GB、JB等标准甚至还没有企业标准，而GB、JB本身类别还不够亦需要补充与修改。国外有些企业其产品说明中或协议中明确提出符合XX标准，这是产品可靠性的保证，必须重视与执行。
（3）学习交流与技术合作
企业特别是同行保守机密是自然竞争的必然，然而开展学术研讨会，探讨技术发展理论与趋势却是极有益的借鉴平台，应该提倡，这种研讨会不但在国内要多举办而且还要走出国门多参加。
（4）感应淬火的计算机模拟
多少年来，感应淬火工艺试验一直采用的选频率、调试功率密度及修改感应器、切样品看结果的现场繁重工作，已因计算机模拟法的发明而改变为轻松的电脑作业。国际上较大的感应加热公司均已使用此技术，现有ELTA、FLUX2D、FLUX3D等软件。ELTA软件是一个感应加热系统的电热分析程序，可用于模拟单个的各种简单几何形状的感应系统；FLUX2D则功能更多，能模拟电磁场、温度场及其变化，图7所示为用FLUX2D模拟半轴加热终了时的状态。
早在2004年，美国热处理技术发展路线图即提出“工艺和材科研发项目”，11个项目中第1项是“减少试验避免错误的设计感应器软件工具”，此项目的风险性低，因此，计算机模拟用于感应淬火工艺试验与优化感应器设计应快马加鞭了。
（5）合理的零件感应淬火技术要求
感应淬火与渗碳淬火都是表面硬化工艺，渗碳表面硬化层必定是仿形与均匀的薄层，而感应加热则是利用电磁场产生涡流加热，涡流随磁力线分布而产生，复杂形状的零件各局部的电流密度不同。因此，对产品设计者来讲，应该了解感应淬火的工艺特点，不要把感应淬火技术要求等同于渗碳要求，刻意追求与渗碳层一致的仿形均匀分布，这样不但增加工艺难度并且生产成本高昂，必要时零件进行台架试验将得出最正确的结果。
（6）培训专业人员
目前感应热处理科技人员大都来自大学的机电、材料热处理专业，国内大学中感应热处理工艺与设备的课时很少，专科及技校则更少，前苏联大学中设有感应加热专业，培养此方面人才，前苏联感应热处理专着也多；国内应重视此问题，即如何培养年轻一代感应热处理人才。
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