感应淬火与渗碳淬火的竞争

感应淬火与渗碳淬火的竞争

沈庆通，教授级高工，原洛阳升华感应加热公司总工程师、技术总监

感应淬火与渗碳淬火同属表面硬化工艺，早在20世纪50年代，前苏联学者即指出：感应淬火的成本为渗碳淬火的1/3。其后又提出：高频电流淬火工艺具有加热时间短、零件氧化皮少、变形小、工作环境洁净、可以在线生产等一系列优点。

然而，时至今日，渗碳淬火工艺在中小模数齿轮等领域，仍广泛应用于生产。其原由是渗碳零件表面碳浓度高，耐磨性更优，工夹具简单，以及中、小零件批量装炉方便等多种因素。感应淬火需要专用的感应器，工装、管理费用等相对高些，德国通用电气公司一研究所曾对连杆大头内孔渗碳与感应淬火的单件总成本作精细的对比，渗碳件材料39道工序的加工费为14.73分，而感应淬火件28道工序相对费用为12.73分。单件成本相差2分。

感应淬火对复杂形状的工件仿轮廓淬火具有难度，小内孔、不通孔的底面，卡盘爪的阶梯面，活塞的沟槽，曲面件等部位，不如渗碳工艺简便。因此，在选择表面硬化工艺时，应从工装、材料、工序数、产品寿命等作具体分析再确定，不能仅从节能一点来选取。

渗碳与感应淬火在工艺与装备研发方面，近年来均有很大的进展。感应淬火工艺具有优势的项目可列举如下。

1. 深层渗碳方面

齿轮的渗碳层深与其模数m有关，常选用的层深为（0.15～0.20）m。对中、小模数齿轮，此值在0.2～1.0mm，一般渗碳工艺即可达到，但对大模数齿轮，如m=80的齿轮（见图1）和m=63齿条等，其层深要求常≥4mm，如采用渗碳，则必须深层渗碳，仅渗碳周期即不低于100h，更不论齿条长度几十米对设备装炉的要求了。而感应淬火是单齿扫描淬火，从电源容量与升降机构方面考虑，要简单得多。国外另一实例是冶金设备的内孔，用感应淬火代深层渗碳，见图2。

2. 畸变小方面

渗碳齿轮由于是整体加热，时间长、温度高，所以淬火后畸变大，有些齿轮则需压模淬火才能解决问题，因此其周期长、耗电大、成本高，感应淬火相对有利，国内已有企业成功地将渗碳内齿圈改为感应淬火用于生产的实例。但迄今也还有料浆泵、缸套等零件仍采用渗碳淬火（渗层2.75～3.0mm）。

3. 大零件、长零件感应淬火得天独厚

当今风电发展迅猛，风电机的回转支承需要在滚道进行淬火，感应淬火无疑是最佳工艺，机床导轨面、石油管、铁道钢轨等的热处理，均已证明感应淬火具有得天独厚的优势。

4. 低淬透性钢感应淬火代替渗碳齿轮淬火

图1 m=80齿轮单齿扫描淬火（俄感应加热期刊）

图2 冶金设备部件感应淬火

前苏联发明的低淬透性钢感应淬火，早在该国载货车上及轴承等方面应用，是从限制钢材淬透性方面使齿轮得到仿齿形淬硬层及规定硬度的心部，现在低淬钢的品种还在增加，除58钢以外，又扩大到60ПП、80ПП等牌号，具有较好的经济效益。

俄罗斯的卡玛斯汽车厂从2005年起，低淬钢批量生产有：58钢（ГО C T1050-88）、54ПП、60ПП钢，其化学成分：wC=0.5%～0.65%，wMn=0.1%～0.3%，wSi=0.l%～0.3%，wCr、wNi、wCu＜0.25%，低淬钢经整体加热淬火后，其奥氏体晶粒细小（10～12级），具有良好的综合力学性能。该厂经验，当钢的Mn、Si、Cr、Cu分别超过0.2%，总和达到0.5%时，不同炉号的理想临界直径D偏差会达到10～15mm（ГOCT技术条件为10～14mm）。俄罗斯丘索夫冶金厂（ЧУСOВCКOй M E T A JI JIУPГИЧЕСКИЙ ЗАВОД）生产的第二代低淬钢，其淬透性范围更窄、更稳定。D临界为8～10mm、10～12mm、12～14mm。感应加热条件下，晶粒度可达到11～12级，炉子加热条件下，晶粒度为10～11级，其淬透性对加热温度的敏感性更低。

在炼钢厂里，低淬钢的成本比45钢（ГОСТ1050-88）低5%～10%。该厂对第二代低淬钢获得的成果是：中后桥齿轮共有5种齿轮，后桥圆柱齿轮副和锥齿轮副（含主从动齿轮以及中桥的主动齿轮）采用60ПП与80ПП钢替代批量生产的渗碳合金钢20ХГHTMA钢。齿圈及主、从动圆柱齿轮，用2. 4kHz中频电源进行整体加热，用高压泵6HДB进行喷冷，其余三种齿轮出于经济上的考虑，在箱式炉中加热而在喷淬装置上冷却。附表为60ПП、80ПП钢制齿轮淬火后的硬度、层深及显微组织。

此外，该厂还用低淬钢进行了球头销（60ПП、80ПП），活塞销（80ПП）及主销（60ПП）进行试验，其相关硬度、层深、显微组织数据与附表基本一致。另外，该厂进行研发的简型车弹簧钢板，采用新工艺后，零件重可减少30%，寿命将渗碳与感应淬火在表层硬化延长1.5倍，而成本降低20%以上。工程机械零件销套，内外表面均需淬硬，如采用低淬钢，应有很好的前景与效益。

5. SDF同步双频齿轮淬火

通过对不同模数齿轮中、高两种频率的选配，能得到仿齿廓的淬硬层分布，由于功率密度大，加热时间短（以0.1s计），因此设备投资高，而这种齿轮与渗碳齿轮的性能对比数据，还未见报道，因此在国内正处于待推广阶段。领域中各具自身的优势，采用何种工艺更优，应作具体分析确定。感应淬火在深层硬化、零件畸变，以及特大、特长零件表层硬化等方面，在装备、生产周期及加工成本上具有更大优势。

6. 汽车、工程机械方面

最典型的零件是凸轮轴从渗碳改为感应淬火，CVJ钟形壳等件在材料中碳含量提高后，现在均已采用感应淬火。

60ПП、80ПП钢制齿轮淬火后的硬度、层深及显微组织