感应热处理的应用与渗碳

特邀专家：朱会文

感应热处理的应用与渗碳

特邀专家：朱会文

2015年第一期我刊做了感应热处理代替渗碳件专题，邀请了感应加热行业专家沈庆通、赵俊平、陈国民、万美华、杨帆和潘晓松分享了他们的观点与实用案例。本期继续推出特邀专家朱会文的观点，以及闫满刚在实践中从工艺的角度来谈如何大幅提高感应淬火工艺可靠性的观点，内容精彩。

能源短缺和环境污染是当今人类面临的两大问题。为此，如何降低能耗、减少污染物排放，近年来已成为我国热处理行业关注的热点，它也是关系到我国装备制造业能否持续发展的大问题。

在众多热处理工艺中，感应热处理从诞生到现在虽然不足百年，但因其能耗低、污染少，被冠以“绿色热处理”。

两种工艺的比较

感应热处理在低能耗和少污染两方面都远优于另一种表面层强化工艺——传统的渗碳。真空低压渗碳工艺的出现，虽然比可控气氛渗碳缩短了工艺周期，省去了后清洗工序，减少了污染物的排放，但它的能耗居高不下依然是个不争的事实。因此，在表面层强化工艺领域，感应热处理替代渗碳热处理的研究一直没有停止过；除了以上的能源和环境因素外，设备投入费用也是推动感应热处理替代渗碳热处理研究的另一个重要因素。

以中小模数齿轮为例，选用中碳钢或中碳低合金钢制造，使用国际上先进的同步双频感应加热设备进行仿形感应淬火，其设备价格约为800万元；而选用低碳钢或低碳合金钢制造，使用国际上先进的卧式双室真空低压渗碳炉进行渗碳淬火，其设备价格约为2000万元。同样以中小模数齿轮为例，使用国内生产的晶体管感应加热电源、数控淬火机床与冷却系统组成的成套装置进行感应淬火，其设备价格在100万元上下；而使用可控气氛渗碳炉成套装置进行渗碳淬火，其设备价格约为200万元。

对表面层需要获得足够高的硬度、耐磨性，而心部仍要保持良好的强度和韧性的齿轮类工件进行热处理时，可以在渗碳热处理与感应热处理这两种工艺中进行选择。

经同步双频感应淬火（SDF）的齿轮，其表面硬度、有效硬化层深度可以做到与渗碳淬火一致，而在增加齿底表面残余压应力、提高疲劳强度及减少齿形齿向变形方面都优于渗碳淬火；感应淬火还可以实现在线生产，大大降低物流成本。

分析比较两种技术方案的经济价值与社会价值，技术方案的天平无疑会向感应热处理倾斜。

国外感应热处理代替渗碳实例

从国内外机械制造业的感应热处理应用技术及发展趋势看，感应热处理越来越多地应用于目前由渗碳和其他化学处理占主导地位的热处理领域。

20世纪80年代，日本电气兴业公司在日立制作所和小松制作所将感应加热用于工程机械齿轮淬火，成功取代了渗碳淬火。

日本高周波热炼株式会社推出改变功率密度的冲击式淬火（SRIQ）方法，应用于汽车变速器齿轮等小型齿轮、柴油机和建筑机械用的中型连杆齿轮，获得沿齿廓的淬硬层，成功取代了渗碳淬火。

德国Eldec公司介绍，“对于控制成本，以及安全和质量标准，航空工程是要求最高的。美国的波音公司正是基于对产品品质的要求和对环境保护的坚持,其所用的部分齿轮如直齿锥齿轮选择使用同步双频感应淬火技术（SDF）代替原渗碳淬火工艺”。

除了已经提及的齿轮感应淬火，美国密执安州奥本山感应技术中心的涅姆科夫·瓦伦丁博士给我们举了用于重型冶金设备的大工件局部硬化的例子, 过去采用长时间渗碳方法以保证工件的内孔表面获得≥4mm的硬化层，为避免内孔以外的表面硬化必须进行防渗处理，渗碳淬火后为纠正热处理变形，还需深度磨削。而感应淬火，可以使用便宜的钢材，可以选择性地对内孔进行硬化处理，不但大大降低热处理时间和能耗，还减小工件的畸变，从而不必进行昂贵而费力的深磨削。

国内感应热处理替代渗碳实例

多年来，国内企业也积极进行扩大感应淬火领域的研究。

戚墅堰机车工艺研究所开展大功率电力机车弹性牵引从动齿轮50CrMoA全齿廓感应淬火代替渗碳淬火工艺的研究，取得了既满足使用要求，又简化了工序、节省能源、降低生产成本的满意效果。

重庆齿轮箱有限责任公司采用感应淬火解决了大型齿轮渗碳淬火变形大、生产成本高和生产周期太长的问题。

东风汽车公司已经在一些变速器齿轮上实现感应淬火，用价格便宜的中碳合金钢替代价格高的渗碳齿轮钢，取得了良好的经济效益。

上海采埃孚转向系统有限公司是国内规模最大、市场占有率最高的转向机生产企业，其生产的转向齿条的预处理原来采用可控气氛多用炉进行调质，出于节能与环保的考虑，要求为其协作的上海华渊热处理有限公司改用感应淬火加感应回火进行处理，据统计，仅能耗就降低了35%。

上海尤顺汽车部件有限公司生产的柴油发动机摇臂，原来采用氮碳共渗处理，2014年起已改用感应淬火工艺，实现了在线清洁生产。

可以预见，伴随感应加热装置及工艺的创新与发展，其应用领域会不断扩大。但是感应热处理不可能完全替代渗碳，一是因为渗碳装置及工艺也在创新与发展；二是因为对于一些工件的感应热处理还无法达到渗碳的效果，如：对于形状复杂的工件与厚度变化较大的工件，感应淬火的硬化层无法做到如渗碳淬火那样的基本仿形；感应淬火的工装费用较高，需根据工件感应淬火部位的不同形状设计制造不同的感应器，一些特殊零件还需要设计制造专用的定位夹具，不像化学热处理那样在技术要求与材料基本相同的情况下，不受形状与尺寸的限制可以多种工件同炉处理；感应热处理对于大批量单一品种的工件才能体现出其效率，但需要为其设计制造专用的淬火机床；对于小于12mm的内孔尚无法进行感应淬火，对于模数大于6的齿轮目前也尚无法采用同步双频感应淬火进行处理。

因此，在表面层强化工艺领域，感应热处理与渗碳等化学热处理互为补充的状况将会长期存在。

20141230