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感應熱處理技術發展六十年
2020-06-12
20世紀50年代，感應熱處理開始在國內應用，當時此工藝被稱做“高周波淬火”。這門熱處理新工藝利用線圈電磁感應加熱鋼鐵件是很新奇與吸引人的，它具有加熱快、局部淬火、節能、在線生產、便于自動化等特點，很快為熱處理工作者所接受。當時感應淬火主要的目標是，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成本。
當時，前蘇聯、捷克、特別是“一五”計劃蘇援156項目中，感應加熱技術大量進入我國機床、汽車、拖拉機制造行業。此外，紡機行業也從美國進口了電子管高頻成套設備，用于羅拉表面淬火。
一、當時感應熱處理技術的特點
（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用機式中頻發電機，并且采用一臺變頻機供給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，大大地提高了機式發電機的負載系數，如圖1所示。
（2）淬火機可以安裝在生產線上而不是集中在熱處理車間，可減少工件往返運輸工作。
（3）為減少操作者勞動量，采用半自動或全自動的淬火機，如曲軸頸半自動淬火機，履帶銷全自動淬火機等，履帶銷淬火生產率達180件/h，工人只需往料斗加零件。
（4）采用多工件加熱感應器，如隔套端面加熱感應器一次加熱4件，剎車蹄片（矩形面淬火）感應器一次可加熱7個工件，如圖2所示。
（5）帶夾具感應器解決了工件與感應器同心及定位基準的調整工作，如汽車鋼板彈簧銷等多種小零件，換上感應器，電、熱規范一調整，即刻可以生產，工件進出感應器極快，生產率極高，如圖3所示。對需要旋轉加熱的工件，圖2則感應器底部裝有水渦輪，利用淬火水驅動，按壓手把，可將工件頂出感應器，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建的自回火工藝，節省了電能、勞力與生產面積，簡化了工序。
（7）推廣用中碳鋼感應淬火代替調質與滲碳工藝，以汽車熱處理件為例，感應熱處理件的數量與千克重不斷增加，建廠開始時（1957年）解放車只31種，148.5kg感應淬火件，到80年代，CA141汽車的感應淬火件已擴大到52種，重245kg，數量為原來的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研究。
（9）前蘇聯工廠設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本，蘇聯高頻科技書及達許凱維奇專家1956年上海高頻培訓班的資料曾是高頻科技人員的主要參考資料。
二、感應熱處理電源設備的發展
感應加熱電源、淬火機床、感應器三者的進步一般標志著感應熱處理技術水平的提高，因為感應熱處理新工藝的應用，必須有裝備的保證。
1.高頻電源的發展
20世紀50年代，國內初時采用進口的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了國內同型號產品，其后將整體機改為分體機，閘流管改為可控硅調壓硅堆整流，采用新型高效振蕩管（如FD911s代Fu-23s）、新型平板陶瓷電容器等，提高了整機效率；設計和生產了陽壓自動跟蹤裝置，使空載陽壓穩定度提高。
70年代開發了電子管式超音頻電源，使中模數齒輪及許多感應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，目前國內已能生產多種晶體管高頻電源，特別是小型便攜式電源，以其靈活、價廉大量應用于中小零件感應淬火，設備并出口海外。國內晶體管MOSFET高頻電源f=50～200kHz已能生產，功率達200kW。
2.機式中頻電源從生產到淘汰
50年代末，國內能生產МГЗ－52、102、108等型號中頻裝置（含中頻控制設備與機式變頻器），以后臥式變頻機又改進為立式變頻機，頻率有1000Hz，2500Hz，4000Hz，8000Hz四種規格。單臺發電機最大功率達500kW（BPS500/2500）多臺變頻機并聯后功率還可增大，由于機式發電機效率較低（變頻效率70%～80%），80年代初，發達國家即停止生產，國內現仍有相當套裝置在使用，制造廠則已停止生產此產品。
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）等優點，90年代后在國內飛躍發展，其原因要歸根于器件的國產化，現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，國內已有數十家生產商。
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晶體管的優點，驅動功率小，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能，調節性能更好，因此得到很快的發展并巳替代部分晶閘管電源，國內產品f=20～40kHz較多，也有50～100kHz的，功率達1000kW。
5.超高頻電源
頻率達百萬赫茲（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，國內已有多種產品，其頻率f為27.12 MHz或12MHz等，功率一般不超過30kW。
此外，國內還有高頻與超音頻兼能的雙頻電源，便于用戶生產多類產品。
三、淬火機床的發展
50年代是以進口淬火機床為主，典型的是捷克產EKS－30型通用淬火機床，適用于機床齒輪等小工件，專機則有曲軸、凸輪軸、氣缸套、飛輪齒圈、履帶銷等，以后國內一些大企業及設計院開始自行設計淬火機床，突出的有為二汽籌建用的30多套感應淬火機床，援外用的淬火機床及各廠針對本廠需要而自行設計的淬火機床（原一機部六院匯編成淬火機床圖冊），其后國內建立了淬火機床廠生產了Tx001、GC1205、2405；GC－1050；QW9080；QW9120等立式通用淬火機床，GCK－12150(曲軸頸)、GC－22－100NAB（曲軸頸）縫紉機針桿、螺釘頭、氣門搖臂、大齒輪等40多種專用淬火機床，這些機床有力的保證了當時工廠的生產需要，其傳動系統既有全機械的也有液壓式的，電控則大都為繼電器控制，極少數微機控制。70年代時曲軸頸淬火已開始使用旋轉加熱工藝（二汽發動機廠）但機床結構簡單，換感應器等操作費力，生產率低；1979年北京內燃機總廠研制成國內首臺龍門式半自動曲軸淬火機床（《機械工人》1983年1期曾有報道）其后國內工廠又相繼從德國、意大利、法國、日本進口了數十套曲軸頸自動感應淬火裝置，鑒于價格昂貴，有達千萬元每套的，使行業專家們呼吁“引進、引進何時了”。高興的是國內民營企業在21世紀初很快就研制出近十種現代化的曲軸頸淬火成套裝置，有半自動化浸液結構、全自動噴液柔性型配不同功率的TQK系列淬火機床等，后者已擁有15家用戶數十臺機床在生產中使用。該系列機床每次3～15個感應器進給到位，1～3個感應器同時加熱與噴液，其生產率與淬火質量均不低于進口的名牌淬火機床。還有一家民營企業最近又研制出全自動曲軸成套淬火裝置見圖5。
國內淬火機床的技術水平的提高可用以下幾點說明：
（1）傳動系統使用伺服電機、滾珠絲杠副等機械裝置，使工作行程速度穩定可靠，定位精度提高，一般允差不超過0.03mm。
（2）采用CNC系統控制編程與操作簡便，LED觸摸屏可顯示和監控所有CNC參數、加工程序及工藝參數，并具有故障診斷與報警功能。
（3）能量監控器在一些淬火機床上得到應用。
（4）采用閉路循環冷卻代替開路循環。
（5）配套件如薄型變壓器、多匝比變壓器、電熱電容器等，國產化率大大提高。
（6）功能增多，如功率分配，能量監控，某些機床除X軸、C軸外，Z軸也可編程等。
四、感應器設計與制造
感應器設計與制造質量直接與淬火工件質量及能耗相聯系，對復雜結構如旋轉加熱曲軸感應器等，曾被外企認為只有進口這條渠道能解決，然而90年代初，國內建立了專業的感應器制造廠，此后進口感應器幾乎全部國產化了，突出的是國內一家制造商已擁有自行設計的1000多套感應器圖樣，其產品涵蓋了汽車、工程機械、機車、機床、石油及冶金等多個領域，對感應器設計、改進使用等并有專著等（《金屬加工》熱加工2006年第9期報道）。感應器鑲裝導磁體以提高效率已迅速擴大，可加工導磁體及厚度為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器上的使用，用模具檢測感應器制造精度等均代表近幾年來感應器制造水平的提高，用計算機模擬法研制新型感應器已在少數企業中進行。
五、感應熱處理新工藝的發展
（1）曲軸頸旋轉淬火及圓角淬火
分合式曲軸頸感應器為半環感應器旋轉淬火所取代，解決了油孔淬裂及下止點淬硬區窄問題，隨之曲軸頸圓角淬硬普遍應用于柴油機曲軸，提高曲軸疲勞強度一倍。
（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，大大提高了軸的扭轉疲勞強度，如圖6所示。一汽、東汽等均已將此工藝用于半軸生產。
（3）鋼軌全長感應淬火
已有幾十條鋼軌全長中頻淬火生產線在國內運用，使鋼軌壽命提高一倍以上，此技術并擴大到鐵道的其他件，如道岔、翼軌等。
（4）軋輥雙頻感應淬火
國內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行生產，其工裝淬火噴液環已進行了技術改進，取得實效。
（5）PC鋼筋生產技術
國內對PC鋼筋感應淬火技術從單頻發展為雙頻，從單線生產發展為雙線生產，能耗指標不斷下降，某公司對φ7～φ13.5mm鋼筋的能耗已達到304kW＆#183;h/t。
（6）鋼管焊縫感應退火
此工藝主要消除焊縫應力及勻化組織，防止偏析區產生硬點影響鋼管壽命，國內已有多個企業從事此行業，所有裝備絕大數是國內技術。
（7）汽車零部件的感應淬火
汽車CVJ鐘形殼、三柱滑套、輪轂內滾道等許多零件感應淬火的裝備與工藝全部國產化交鑰匙項目。這些國產零件滿足了國內汽車工業快速發展的需要并自給有余。
（8）回轉支承滾道與齒輪感應淬火
成套裝置與工藝完全國產，保證了當前發展風電與港口機械的需要，可處理零件直徑達4～6m。
（9）長內孔管件淬火
內孔φ124mm，深達3000mm的管件內孔掃描淬火的全套裝備與工藝在國內研制成功并投產。
（10）大齒輪單齒沿齒溝掃描淬火
m62大模數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。
（11）低淬透性鋼齒輪
從鋼種開發到齒輪批量生產在70年代曾取得成效，此項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加熱在保護氣體下沉積材料、軋輥感應加熱熔覆耐磨材料等多種工藝已用于生產。
六、感應熱處理標準制訂與修改
感應熱處理標準從無到有并不斷修訂，與感應熱處理相關的標準有專標（ZB）、機標（JB）與國標。
有些從ZB升為JB再升為GB，見附表這些標準指導并監管了感應熱處理的工藝，裝置的技術要求，從而有效地控制了感應熱處理件的質量。
七、上質量、上水平獨創發展我國感應熱處理技術
60年來，感應熱處理技術從學習、使用到研發，行業的進展是邁開大步的，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床這種高、精、尖設備能批量系列生產是過去很難做到的，進入新世紀，展望未來提出如下觀點：
（1）節能工藝的電耗指標應提到日程
感應熱處理是節能工藝，感應透熱有電耗指標，而表面淬火的電耗指標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，其不加熱部分的質量百分比差別極大，這種指標能起到考核作用嗎？因此，應以淬硬層質量（kg）做為電耗依據，此指標創建是有難度的，但它將填補國際空白。有了電耗指標反過來考核電源、母排、淬火變壓器的損耗大小、機床待機損失、水耗量等種不足之處，使節能工藝真正做到節能，這對生產廠節能起監管作用，并有利于企業創建名牌產品，用戶則有正確的選擇根據。
（2）嚴格貫徹標準與補充、修訂標準
目前相當量產品未貫徹GB、JB等標準甚至還沒有企業標準，而GB、JB本身類別還不夠亦需要補充與修改。國外有些企業其產品說明中或協議中明確提出符合XX標準，這是產品可靠性的保證，必須重視與執行。
（3）學習交流與技術合作
企業特別是同行保守機密是自然競爭的必然，然而開展學術研討會，探討技術發展理論與趨勢卻是極有益的借鑒平臺，應該提倡，這種研討會不但在國內要多舉辦而且還要走出國門多參加。
（4）感應淬火的計算機模擬
多少年來，感應淬火工藝試驗一直采用的選頻率、調試功率密度及修改感應器、切樣品看結果的現場繁重工作，已因計算機模擬法的發明而改變為輕松的電腦作業。國際上較大的感應加熱公司均已使用此技術，現有ELTA、FLUX2D、FLUX3D等軟件。ELTA軟件是一個感應加熱系統的電熱分析程序，可用于模擬單個的各種簡單幾何形狀的感應系統；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。
早在2004年，美國熱處理技術發展路線圖即提出“工藝和材科研發項目”，11個項目中第1項是“減少試驗避免錯誤的設計感應器軟件工具”，此項目的風險性低，因此，計算機模擬用于感應淬火工藝試驗與優化感應器設計應快馬加鞭了。
（5）合理的零件感應淬火技術要求
感應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，而感應加熱則是利用電磁場產生渦流加熱，渦流隨磁力線分布而產生，復雜形狀的零件各局部的電流密度不同。因此，對產品設計者來講，應該了解感應淬火的工藝特點，不要把感應淬火技術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成本高昂，必要時零件進行臺架試驗將得出最正確的結果。
（6）培訓專業人員
目前感應熱處理科技人員大都來自大學的機電、材料熱處理專業，國內大學中感應熱處理工藝與設備的課時很少，?？萍凹夹t更少，前蘇聯大學中設有感應加熱專業，培養此方面人才，前蘇聯感應熱處理專著也多；國內應重視此問題，即如何培養年輕一代感應熱處理人才。
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