不銹鋼感應(yīng)加熱表面淬火
感應(yīng)加熱表面淬火處理在保證工件基體具有優(yōu)良的強度、塑性、韌性的同時，提高了工件的表面硬度、耐磨性和抗疲勞性能。感應(yīng)加熱表面淬火在馬氏體不銹鋼制零件中的應(yīng)用越來越廣泛。
2Cr13、3Cr13、0Cr13Ni4Mo、0Cr17Ni4Cu4Nb等馬氏體不銹鋼和馬氏體沉淀硬化不銹鋼均可采用感應(yīng)加熱表面淬火。
一、感應(yīng)加熱原理
當感應(yīng)圈中通過交變電流時，在其周圍和內(nèi)部(如感應(yīng)圈中的工件)就產(chǎn)生與電流變化頻率相同的交變磁場，這個磁場又使工件內(nèi)部產(chǎn)生電場即感應(yīng)電動勢，由于金屬是導(dǎo)體，這個電動勢又會在工件內(nèi)部產(chǎn)生電流。這種電流的電路在工件內(nèi)部是閉合的，又稱之為渦流。渦流使工件產(chǎn)生大量的熱。對鋼鐵材料(鐵磁材料)來說，除渦流的熱效應(yīng)外，還存在“磁滯現(xiàn)象”引起的熱效應(yīng)。
渦流有其特點，如表面效應(yīng)(集膚效應(yīng))使渦流會集中在表面一定深度，叫渦流透入深度，這個深度也稱電流透入深度δ，電流透入深度δ與交變電流頻率f、工件材料的電阻率ρ及導(dǎo)磁率μ有一定的關(guān)系
鋼鐵材料的電阻率ρ與溫度成正比，隨材料溫度的升高而增加，而磁導(dǎo)率μ在失磁點以下基本不變，但到失磁點時突然下降，約為1，因此，當工件溫度達到失磁點時，渦流透入深度δ明顯增加。
無論是在失磁點以下的溫度還是在失磁點以上的溫度，渦流都集中在工件表層中，隨與表面距離的增大而急劇下降。可以近似地認為，渦流只在δ的薄層中通過，層外沒有渦流。而渦流所產(chǎn)生的熱量與渦流強度的平方成正比，所以，自表面向里，由渦流產(chǎn)生的熱量下降更快、更明顯，甚至有人認為，渦流產(chǎn)生熱量的85%以上集中在δ的厚度內(nèi)。
感應(yīng)渦流的特性決定了感應(yīng)加熱過程為透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱并存的加熱過程。
當感應(yīng)圈內(nèi)的工件產(chǎn)生渦流的瞬間，渦流集中在工件的表面層，且表面最強，向里逐漸減弱，工件表面溫度開始升高，當表面溫度升高至失磁溫度時，加熱層被分為兩層，即最外層的失磁層和與其相連的未失磁層。由于失磁層的渦流強度顯著下降，使得最大渦流強度及加熱最強烈的地方轉(zhuǎn)移至兩層交界處，這時，該處溫度又快速上升，從而使加熱高溫層向內(nèi)移動，這種因渦流強度向內(nèi)不斷移動而引起工件加熱層向內(nèi)移動的工件加熱方式稱“透入式加熱”。當失磁高溫層厚度超過熱態(tài)電流透入深度δ后繼續(xù)加熱時，熱量總是在δ層中析出，促使該層溫度不斷升高。
在這種透入式加熱使工件表層溫度升高的同時，還存在正常的熱傳導(dǎo)過程，使加熱層的厚度不斷向里延伸，從而完成感應(yīng)加熱工件表面達到淬火溫度的全過程。
感應(yīng)加熱的表面加熱層是在失磁條件下進行的，加熱很緩慢，而又是依靠渦流強度向內(nèi)移動的方式傳遞熱量的，所以，表面過熱小。
二、鋼在感應(yīng)加熱時的組織轉(zhuǎn)變特點
感應(yīng)加熱的一個重要特征是加熱速度快，而鋼的組織轉(zhuǎn)變與加熱速度有重要的關(guān)系，所以，鋼在感應(yīng)加熱時的組織轉(zhuǎn)變有與普通加熱不同的特點。
1．感應(yīng)加熱時奧氏體形成的特點
有研究表明，由于感應(yīng)加熱速度快，鋼的相變點Ac1、Ac3、Acm的溫度升高，即奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度升高，而且轉(zhuǎn)變的溫度范圍更寬廣。在加熱溫度相同的條件下，加熱速度越快，珠光體中的鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體后，組織中的滲碳體越難充分溶解。奧氏體中的成分不易均勻化。
在快速加熱條件下，由于轉(zhuǎn)變溫度升高，過熱度大，奧氏體的形核和長大速度都會增加，但形核速度比長大速度快得多，所以，奧氏體晶粒會更細一些。
2．馬氏體不銹鋼的感應(yīng)加熱特點
馬氏體不銹鋼成分中含有大量的鉻、鉬、鎳等合金元素，在平衡狀態(tài)下(如退火狀態(tài))，合金元素在鐵素體和碳化物中的分布不同。形成碳化物的元素，鉻、鉬等集中分布在碳化物中，不形成碳化物的元素，鎳等集中分布在鐵素體中，加熱形成奧氏體后，在原碳化物部分，形成碳化物元素濃度高，不形成碳化物元素濃度低。同時，合金元素在奧氏體中的擴散速度比碳慢。所以，在感應(yīng)快速加熱時，要使奧氏體中的合金元素均勻化，應(yīng)提高加熱溫度。
馬氏體不銹鋼含合金元素多，奧氏體均勻化比碳鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼更困難。因此，感應(yīng)加熱前具備良好的原始組織尤為重要。鋼加熱奧氏體形核是在鐵素體和滲碳體的交界面處，所以，原始晶粒越細小，鐵素體與滲碳體的相界面越多，奧氏體形核越多，而且，合金元素原子擴散距離也越短，奧氏體的形成和均勻化過程也就越快。可見，細晶粒的原始組織對提高感應(yīng)加熱淬火的質(zhì)量很重要。特別是如果原始組織粗大，有帶狀組織、魏氏組織、大塊鐵素體等情況時，感應(yīng)加熱淬火容易產(chǎn)生過熱或淬火軟點、組織不均等缺陷。
因此，馬氏體不銹鋼感應(yīng)加熱淬火前應(yīng)進行調(diào)質(zhì)處理。
五、高頻感應(yīng)加熱淬火操作
1．感應(yīng)加熱設(shè)備
(1)加熱電源。不論感應(yīng)加熱電源是何種形式，其輸出功率及頻率必須要滿足工作要求，輸出電壓能控制在±2.5%范圍內(nèi)或輸出功率在±5%范圍內(nèi)。
(2)淬火機床。感應(yīng)加熱淬火機床在旋轉(zhuǎn)速度、升降速度及高度、工作臺面的跳動等方面應(yīng)能滿足所處理工件的技術(shù)要求。通常軸心擺差不大于0.3mm，軸向移動速度偏差＜5%，旋轉(zhuǎn)可調(diào)范圍20～120r/min。并符合JB/T 9201《鋼鐵件的感應(yīng)淬火回火處理》規(guī)定。
(3)時控裝置。感應(yīng)加熱電源或淬火機床應(yīng)根據(jù)需要裝有控制加熱、間歇、冷卻的裝置。
(4)淬火冷卻設(shè)備。淬火冷卻設(shè)備應(yīng)能滿足工件在連續(xù)淬火時的水壓(一般為0.12～0.2MPa)，流量應(yīng)滿足在同時淬火時的冷卻能力。
(5)回火設(shè)備。要求能自動控溫和記錄，且有強制爐氣循環(huán)設(shè)施，保證爐溫均勻。
2．感應(yīng)器
淬火感應(yīng)器采用薄壁紫銅材料制造，力求保證加熱工件表面各處溫度盡可能均勻，連續(xù)淬火感應(yīng)器的噴水孔要均布，噴水孔直徑在φ0.8～φ1mm之間，噴水孔角度在35°～45°之間。噴水孔中心距一般在2～4mm之間。噴水孔總面積應(yīng)占有效圈內(nèi)表面總面積的12%～20%。
3．淬火件的預(yù)備處理及工藝規(guī)范
(1)感應(yīng)淬火零件應(yīng)經(jīng)過退火、正火或調(diào)質(zhì)預(yù)備處理，以使淬火前組織均勻，保證感應(yīng)加熱淬火后硬度均勻。常見馬氏體不銹鋼高頻淬火前的預(yù)處理參見表7－12。加熱前預(yù)留的磨余量依據(jù)感應(yīng)頻率不同而定，高頻感應(yīng)加熱，單邊留量不大于0.3～0.5mm。
(2)加熱方式的確定。根據(jù)工件形狀、加熱部位、加熱面積等條件確定加熱方法。
①同時加熱法。采用與被處理的零件淬火表面仿型的感應(yīng)器，對應(yīng)工件淬火部位加熱，之后再進行冷卻(可以噴水冷卻，也可以放淬火劑槽中冷卻)。
在一定的頻率下，通過改變單位功率和加熱時間可獲得不同的硬化層。一般采用的最小設(shè)備比功率為0.4～4kW/cm2。
②連續(xù)加熱法。利用淬火機床使工件旋轉(zhuǎn)并向下移動，工件經(jīng)過安裝在固定位置的感應(yīng)器，其表面被迅速加熱，加熱部位離開感應(yīng)器時，同時被噴水冷卻。
連續(xù)加熱設(shè)備比功率一般最小為1.2kW/cm2，常用的移動速度為1～10mm/s。
(3)感應(yīng)器選用。根據(jù)零件形狀、淬火部位、淬火面積、加熱方法來確定。
感應(yīng)器與零件之間的間隙應(yīng)力求小且均勻，以提高感應(yīng)器的加熱效率和加熱的均勻性。一般情況下，軸類件為1.5～3mm;齒輪模數(shù)小于或等于3時為2～5mm，大于3時為4～6mm;平面和孔類為1～2mm。
柱面全加熱時，感應(yīng)器高度比柱面高度小1～2mm，以減小尖角效應(yīng)。軸類局部同時加熱時，感應(yīng)器高度應(yīng)為加熱帶長度的1.05～1.2倍。
(4)加熱溫度。采用高頻感應(yīng)加熱時，根據(jù)加熱速度、原始組織等情況，淬火溫度應(yīng)比爐中加熱淬火溫度高30～80℃，有時需要更高的溫度。常用不銹鋼感應(yīng)加熱淬火溫度見表7－12。
(5)加熱時間。連續(xù)加熱時，工件加熱表面上任一點的加熱時間相當于該點進入感應(yīng)圈到離開感應(yīng)圈的時間，即通過感應(yīng)圈高度的時間。
在實際生產(chǎn)時，應(yīng)根據(jù)加熱零件的具體情況，選擇感應(yīng)器高度、淬火機床升降速度、加熱設(shè)備功率等技術(shù)參數(shù)。
(6)參數(shù)的確定。選擇合理的電氣參數(shù)，是為了保證設(shè)備輸出功率及設(shè)備在高效率狀態(tài)下正常工作。通過調(diào)整陽極電壓、反饋和耦合手輪，可以改變陽極負載電壓和陽極負載電流的大小，獲得需要輸出的功率。
當調(diào)整耦合和反饋手輪時，若槽路電壓上升則表示輸出功率增加，槽路電壓越高，表示輸出功率越大;若槽路電壓不變或稍有下降，則表示已獲得最大輸出功率。
在最佳工作狀態(tài)，陽流和柵流的比值K為定值。在使用設(shè)備GP－100的條件下，K= 5～8。為調(diào)整K值達最佳，需調(diào)節(jié)反饋和耦合手輪，調(diào)節(jié)方向及規(guī)律見表7－14。
表7－14 調(diào)整手輪時陽流和柵流變化
(7)淬火冷卻。
①連續(xù)加熱淬火時采用噴射冷卻，此時應(yīng)保證水壓、噴水方式、水溫等符合工藝要求，以保證充分冷卻。
②同時加熱淬火時，根據(jù)工件形狀、材質(zhì)及淬火部位，可以采用噴射冷卻，也可采用浸液冷卻。
(8)淬火后回火。感應(yīng)加熱淬火后，根據(jù)材質(zhì)及硬度的要求，選用適當?shù)臏囟然鼗?。采用加熱爐回火時，設(shè)備應(yīng)有可靠的控制系統(tǒng)和記錄裝置，最好有爐氣強制循環(huán)裝置。也允許采用自回火和感應(yīng)加熱回火。
4．感應(yīng)加熱淬火件的質(zhì)量控制與檢驗
(1)外觀。淬火表面不允許有燒傷或熔化疤痕、裂紋。
(2)硬度。淬火表面應(yīng)達到技術(shù)要求的硬度，硬度檢驗可根據(jù)零件大小和硬化層的深度，采用洛氏法(GB/T 230)、維氏法(GB/T 4340)或肖氏法(GB/T 4341)。大型工件也可以用銼刀檢測。表面硬度允許波動范圍見表7－15～表7－17。
表7－15 洛氏硬度波動范圍
注:(1)同一批件指同材質(zhì)、同組織、同工藝、同一批處理的零件。
(2)當同一零件不同部位要求不同硬度時，硬度波動是指要求同一硬度的部位。
(3)硬度測定區(qū)域不包括硬化區(qū)邊緣部位。
(4)硬化區(qū)范圍為圖紙或有關(guān)文件規(guī)定的硬化區(qū)域。硬化區(qū)范圍應(yīng)有合理的允許偏差。
(5)表中①為零件要求硬度，②為允許硬度偏差。
表7－16 維氏硬度波動范圍
注:(1)同一批件指同材質(zhì)、同組織、同工藝、同一批處理的零件。
(2)當同一零件不同部位要求不同硬度時，硬度波動是指要求同一硬度的部位。
(3)硬度測定區(qū)域不包括硬化區(qū)邊緣部位。
(4)硬化區(qū)范圍為圖紙或有關(guān)文件規(guī)定的硬化區(qū)域。硬化區(qū)范圍應(yīng)有合理的允許偏差。
(5)表中①為零件要求硬度，②為允許硬度偏差。
表7－17 肖氏硬度波動范圍
注:(1)同一批件指同材質(zhì)、同組織、同工藝、同一批處理的零件。
(2)當同一零件不同部位要求不同硬度時，硬度波動是指要求同一硬度的部位。
(3)硬度測定區(qū)域不包括硬化區(qū)邊緣部位。
(4)硬化區(qū)范圍為圖紙或有關(guān)文件規(guī)定的硬化區(qū)域。硬化區(qū)范圍應(yīng)有合理的允許偏差。
(5)表中①為零件要求硬度，②為允許硬度偏差。
(3)有效硬化層深度。必須檢查時，應(yīng)破壞工件，在要求的硬化區(qū)內(nèi)檢驗，同一零件硬化層深度允許波動0.2mm以下，同批件允許波動0.4mm以下。
硬化層檢測可按GB/T 5617的規(guī)定進行。
(4)金相組織。處理部位的金相組織應(yīng)為技術(shù)要求的正常組織。按JB/T 9204要求的方法進行檢查。
(5)變形。處理后的零件變形量應(yīng)不影響以后的機械加工和使用功能。
5．感應(yīng)加熱淬火操作注意事項
(1)高頻設(shè)備啟動前應(yīng)通冷卻水冷卻并提前半小時預(yù)熱設(shè)備。
(2)根據(jù)零件形狀、淬火部位、硬度要求等選用正確的感應(yīng)器，并安全、牢固地固定在輸出變壓器上，及時通入冷卻水。
(3)按要求調(diào)整好電氣參數(shù)，并注意儀表的指示及變化。
(4)工件進入感應(yīng)器前禁止送電，也不準在未斷電前將工件退出感應(yīng)器。
(5)及時正確地將加熱部位冷卻，以保證要求的淬硬層和硬度。
(6)操作時，如發(fā)現(xiàn)電源電壓下降到360V以下時，應(yīng)停止操作。如發(fā)現(xiàn)打火或出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象時應(yīng)及時關(guān)閉設(shè)備及總電閘。
(7)淬火完畢，應(yīng)在切斷燈絲電壓30～60min后再關(guān)閉冷卻水。
