感应热处理技术与设备的发展 回首2015

发布者: 发布时间:2017/10/10 9:55:37 阅读:次 【字体:

  该文是北方重工热处理分公司于梅2105年关于感应热处理技术与设备的发展状况的论述,回首2015,两三年过去了,感应热处理技术与设备研究与应用有哪些进展,业界是时候再相聚在一起探讨了。

  20世纪50年代,感应热处理开始在国内应用,当时此工艺被称作“高周波淬火”。这门热处理新工艺利用线圈电磁感应加热工件快速达到淬火温度,然后迅速冷却,仅使表面层获得淬火组织。它具有加热速度快、有较好的劳动条件、表层强度高和变形小等特点,很快为热处理工作者所接受并速度发展。

  一、感应热处理节能方面的优越性

  1.感应加热方面的节能

  感应加热速度快,能提高金属材料的相变温度(50~100℃),加速奥氏体转变过程。在淬火后表面得到细小的隐晶马氏体,表面硬度比一般淬火高2~3HRC。感应加热调质处理代替箱式电炉调质处理可节电35%~50%;感应加热代替渗碳和碳氮共渗等表面硬化处理,可节电80%~95%;代替炉中整体加热淬火可节电40%~50%。

  2.感应加热件回火方面的节能

  利用感应加热将热量传到淬火层以外,淬火冷却时未全部带走残留下来的热量而实现短时间回火,具有高效节能,并在许多情况下(如对高碳钢及高碳高合金钢)可避免淬火开裂,同时一经确定各工艺参数可大批量生产等优点,经济效益显著。

  3.感应加热设备方面的节能

  感应热处理用电量约占热处理设备总用电量的20%~25%。我国热处理常用的电炉热效率一般都小于55%,箱式电炉淬火为30%~40%,高温回火为40%~50%。井式气体渗碳炉渗碳为7%~15%,中温电极浴炉淬火加热为18%~25%,井式回火炉回火为40%~60%,井式回火炉回火为40%~60%。感应加热炉的热效率:灯式高频炉为44%~60%,机式中频炉为49%~69%,可控硅静止交频机57%~78%。利用高频感应加热直流放电进行渗碳,可获得0.35~0.45mm渗碳层,渗层表面碳势0.9%~1.05%,可缩短生产周期10~12倍。

  二、感应加热电源的发展

  1.晶闸管(SCR)中频电源

  早期感应加热电源是机械式中频发电机,电效率低,为70%~75%,已被逐步淘汰出感应加热范围,取而代之的是晶闸管中频电源亦称可控硅中频电源。晶闸管电源频率在2.5~8kHz,适用范围大大扩展。90年代初完全成熟,某些技术指标已经达到国际先进水平。它与机械式中频相比优点是体积小,重量轻;无机械运动,噪声小;能瞬时启动和停机;频率在工件运行中自动跟踪。缺点是过载能力低,故障率高,价格较高。

  2.电子管高频电源

  电子管高频电源调谐简单,使用方便,尽管频率高,应用范围还是较宽的。缺点为电效率低,约为50%;工作电压太高,安全性差。

  3.晶体管超高频和高频电源

  90年代后,晶体管高频电源(SIT高频电源、MOSFET高频电源、IGBT超音频电源等)开始研发。

  静态感应晶体管SIT(StaticSIT Induction Transistor)实际上是一种结型场效应晶体管。SIT静电感应晶体管电源,集大电流、高耐压和高频特性于一体,但由于SIT电源因单管功率小等缺点很难克服,国外公司已经停止研发和生产,国内已生产几十台,但由于备件缺乏,已经逐渐报废。

  MOSFET(场效应晶体管电路)是一种电压型高频多数载流子器件,国内晶体管MOSFET高频电源f=50~200kHz已能生产,功率达200kW。

  IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极晶体管是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。IGBT超音频电源我国在90年开发成功,目前国产IGBT电源已很成熟,频率可做到几百千赫。

  三、感应热处理新工艺、新技术的发展

  1.典型零件感应热处理工艺发展

  (1)曲轴 曲轴热处理强化技术,由渗氮强化到感应淬火,表淬火感应器由分合式曲轴颈感应器改为半环感应器旋转淬火,解决了油孔淬裂及圆角处淬硬区窄问题。

  美国应达公司最近开发成功曲轴静止淬火技术,利用集流器原理实现轴径的静止加热淬火,其特点是生产效率高,设备成本低。但该技术仅局限于轴径淬火,在我国还未推广使用。

  (2)轴类零件采用矩形管纵向加热淬火 台阶轴使用纵向加热淬火法 (感生电流方向与施感电流方向一致)对阶梯轴表面淬火,工件成为感应器的一部分, 工件表面同时受高频电流和感应电流加热, 加热速度快(一般只有0.5s),自冷淬火。可工件表面同时获得连续的表面硬化层, 不存在台阶处过热现象,变形小,大大提高了轴的扭转疲劳强度。一汽、东汽等均已将此工艺用于半轴生产。

  (3)齿轮 人们对齿轮感应淬火的研究和应用历史悠久,但在汽车齿轮上的应用却非常有限,汽车零件中发动机飞轮齿圈普遍采用感应淬火,其他一些变速箱齿轮等还是采用渗碳、渗氮处理。这是因为汽车齿轮感应淬火不采用沿齿沟的单齿淬火工艺,而主要采用整体加热淬火工艺。德国 ELDE公司研发出用SDF,即对汽车齿轮同时双频仿齿廓感应淬火。这种感应淬火方法使得齿轮具有很好的仿形淬硬层,高的疲劳强度并减小淬火变形。用SDF齿轮淬火替代齿轮渗碳处理,对提高生产率、节能具有现实意义。

  (4)轧辊双频感应淬火 要求高硬度、深淬硬层的轧辊由单频淬火发展为双频淬火。双频感应器包含两个并排的感应器分别供给不相同频率的电流。上感应器通入较低的频率,工件移动使加热深度较深(低频率);而下感应器通入较高的频率,工件移动使加热深度较浅,此深度相当于所需的硬化层厚度。双频淬火较单频淬火能使工件获得更好的性能(表面硬度、截面硬度梯度、硬化深度),并提高工效和降低能耗。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)钢轨感应淬火 对钢轨使用全长淬火,提高钢轨表面硬度和实现钢轨强韧化,解决了钢轨热处理的变形问题;使钢轨寿命提高一倍以上,已有几十条钢轨全长中频淬火生产线在国内运用,此技术并扩大到铁道的其他件,如道岔、翼轨等。

  (6)钢管焊缝感应退火 此工艺主要消除焊接残余应力,改善组织结构,使得焊缝及其热影响区具有与母材一致的组织结构、韧性和强度性能。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。广泛用于石油输送管、大口径钢管、不锈钢管焊缝在线退火和其他优质钢管制造等行业。

  (7)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。

  2.感应热处理技术发展

  随着新的知识和设备的发展,扩大感应加热应用的范围,应用于炉内渗碳和其他化学热处理等领域成为可能。

  (1)感应表面堆焊硬化 像挖掘机犁头、 矿用铲斗和铁道零件等经受严重磨损的零件,其表面均需有一层较厚的耐磨耐蚀层,感应表面堆焊硬化是解决这一问题的有效技术之一。这项技术在俄罗斯已使用了很长时间,比如用来处理犁刀的刃部等。随着固态电源、现代控制系统及新材料的推广应用,这项技术将更具吸引力。将焊剂和硬质材料粉末的粉状或糊状混合物施加于工件表面,并用静止或移动的感应器对其加热。最常用的是发夹形和垂直环形感应器。发夹形感应器装有用 Ferrotron 559制作的导磁体,它改进线圈参数,并有助于零件中的能量以最佳方式分布。用一个感应器加热零件的原表面(基体),并熔化堆焊材料。硬化层与基体结合良好,两者之间的扩散区狭窄。

  常用的硬化用材料的熔点比基体低50~100F,即基体仍保持固态,但也可以形成二者的共熔池。只要正确选择堆焊的材料和操作条件,表面堆焊硬化能使零件的使用寿命提高几倍乃至10倍以上。

  (2)感应“刷” 感应加热也广泛应用于涂覆处理, 如零件涂覆前的预热,镀锌层、喷涂或等离子喷涂层的重熔。在镀锌或镀锌层经扩散处理的钢制品生产中,感应技术起了很重要的作用,被用于带钢预热、重熔、坩埚加热等。感应技术在热浸镀锌方面的最新应用是,在坩埚出口处用电磁法清除钢表面多余的锌或其他合金。传统工艺是采用“空气刀”,即高速喷气装置,但缺点是不能将要清除的材料全部去除,且涂层表面也不够光滑。采用感应“刷”时,则由交变磁场交互作用产生的电动力和涂层中的涡流使熔融金属转移和“提升”,然后通过空气刀将这种金属“波”去除。

  (3)大件采用感应淬火代替渗碳处理 例如一个大型零件要求内孔的表面有大于4mm的渗碳硬化层,以保证其有足够的强度和耐磨性。传统工艺的操作步骤如下:

  ①对不渗碳部位进行防渗处理。

  ②长时间渗碳以获得超过4mm的渗层。

  ③为使组织完全转变,采用特殊淬火工序进行炉内加热淬火。

  ④深度磨削以校正零件的热处理畸变。

  新技术不需要任何辅助工序,用多匝感应器扫描处理,用喷水圈淬火后就可获得所需的硬度和淬硬层深度。感应圈装有用FluxtrolA制作的仿形导磁体[3]。工艺和线圈系采用虚拟原型设计技术,采用计算机模拟成功地达到了零件的技术要求。新技术的优点:减小零件的畸变,减少机加工艺留量,缩短热处理时间,节约电能,可用价格较低兼的钢种代替渗碳钢。此技术还在试验中,我国尚未应用。

  (4)液体介质表面化学处理 曾对感应加热气体渗碳做过多次尝试,但均未达到炉内渗碳的效果。Saveliy Gugel博士提出了在液体活性介质(LAM)中进行高温处理的工艺。根据这种设想,他取得了名为 Linter Process的技术专利。Sanova LLC公司对该项技术在理论和实践方面进行了研究开发。虽然这种技术可以通过接触加热或电阻加热而实施,但感应加热是最好的方法。

  采用感应加热时,将零件放置于一个装有冷态活性介质的处理室中,用感应线圈对其进行表面加热,当零件表面达到高温时,会形成一层蒸汽膜,从而减小向介质散失的热量。这层沸腾的介质中含有高浓度的能渗入零件的元素。这种工艺快速而稳定,零件处理后可以立即在同一液态活性介质中淬硬,也可另行淬硬处理。如果需要回火,则可将零件从处理室中取出自回火或另行加热回火。在处理钛合金时,获得了令人感兴趣的结果。譬如,,用这种实验性装置使钛合金获得了很高的表面硬度(达70HRC)、高的耐磨性和低的摩擦因数。随着技术不断进步,应用于实际工件生产将不是问题。

  四、感应热处理设备的技术进步

  感应热处理设备中淬火机床也是重要方面。近十年来,大型汽车公司和规模较大的汽车厂,不断采购性能可靠、技术先进的淬火机床,这为国内感应热处理设备企业提供了一个技术提升的重要商机。经过顽强努力,淬火机床有了巨大的进步。

  (1)传动系统使用伺服电动机、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,一般公差不超过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)感应加热过程的能量监控

  感应加热过程的控制一直存在很多难点,保温、测温难,测温大多也是采用红外线测温仪,工件加热过程也是用操作者的经验来判断。能量监控器可以自动控制加热过程,调整参数,完成表淬过程。能量监控器的工作原理是:每种零件经过工艺试验,确定将其加热到淬火温度需要多少能量(kW/s),将这个能量值设定,电压低时加热时间自动延长,电压高时加热时间自动缩短,保持加热能量恒定。淬火加热的能量达到了设定值,设备自动停止加热,从而保证了加热质量和淬火质量的一致性。

  五、结语

  综上所述,可知现在有不少工件可以用感应热处理代替一般热处理中的调质、正火、退火以及化学热处理等,如渗碳淬火可由中碳钢感应表面淬火来代替,还有一些刃具,如锯条、锉刀等五金工具的淬火;板簧碟簧的淬火、铸铁导轨、曲轴、凸轮淬火等采用了感应淬火,节能效果显著,缩短生产周期,提高了经济效益。

  在生产中应进一步扩大感应热处理的应用范围,进行感应热处理宣传,推广感应热处理的新设备、新工艺、新技术,不断完善感应热处理的标准,纳入机械设计手册,加大感应热处理在生产中的比重,使热处理节能大见成效。

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