高频感应淬火实现表面同时加热之途径

       
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高频感应淬火实现表面同时加热之途径

高频感应淬火实现表面同时加热之途径

来源:高频焊机|退火机|淬火机|中频锻造炉|熔炼炉|感应加热设备  浏览:491 views  发布时间:2019-07-22

高频淬火加热方式有两种:第一种是同时加热淬火,即将工件需要淬火的表面同时加热,随后进行急剧的冷却;第二种是循序连续加热淬火,即用感应加热工件的一小部分表面,同时工件由上向下移动,使表面循序连续加热和冷却。

进行多品种、小批量零件的生产时,不同材料可能需要使用不同的淬火介质,故大多采用同时加热的淬火方式。若淬火表面积较大的零件,受设备功率等因素的限制,则考虑采用连续加热的方式进行淬火。

1.马氏体不锈钢工件内孔高频表面淬火

(1)加工难点

马氏体不锈钢工件内孔高频表面淬火采用同时加热的方式,其加工难点在于不锈钢材质和内孔表面淬火。

高频感应加热过程中,温度超过材料失磁点(钢铁材料失磁点温度一般在700~800℃)时,材料电磁感应能力降低,加热速度下降数倍,进一步加热困难。而不锈钢热处理温度高,均在1000℃以上,加热到材料的淬火温度难度更大。另一方面,由于其热处理温度高,接近材料的熔点,虽然失磁点以上加热速度降低,但较常规热处理加热速度仍很快,又难以控制,存在发生零件表面过热熔融的风险。

环状效应是感应加热的三大效应之一,也是造成内孔加热困难的原因所在。即使用感应圈对工件进行加热时,通过感应圈的电流集中在感应圈的内侧表面。加热工件外圆表面时,感应圈内侧表面与工件外侧表面相对应,有利于工件的加热,而加热工件内孔表面时,方向则正好相反,会使感应器的电效率显著降低,不利于工件的加热。而且,进行内孔感应淬火时,加热面在工件内部,操作者从外部不易直接观测,一定程度上增加了操作困难。

某产品球面轴承(见图1)要求sf28mm球面淬火,材料为马氏体不锈钢20Cr13,淬火硬度要求35~45HRC。该工件除上述加热难点外,其加热面为球面,而不是直通内孔,必然造成感应器与工件加热面的间隙增大,进一步降低了电效率。通常进行内孔高频淬火,为克服环状效应对工件加热的不利影响,采用在感应器上设置导磁体,以改变磁场的分布,迫使电流向接近于工件所需加热的表面分布,从而改善加热效果。但该工件内孔较小,去掉感应器与工件之间的间隙距离以及感应器自身尺寸,感应器内径在13mm以下,无法加装导磁体。对该工件的感应淬火只能通过优化工艺参数、改进加热过程以最大限度发挥设备能力的方法。

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(2)淬火工艺方案

淬火工艺方案包括加热时间、淬火温度、淬火介质。

许多人认为,高频感应淬火都属于瞬时加热,可以在短短几秒内达到淬火温度,这种认识反映的是普遍情况,却是不全面的。有些情况下,加热速度会慢一些,而在一些特殊情况下,通过降低电压输出等手段,减慢零件的加热速度,可以满足一些特殊工件或特殊技术要求的需要。对于该工件来说,由于诸多不利因素的存在,快速加热是不现实的,考虑目测温度变化的需要和防止过热甚至表面熔融现象的发生,以保证淬火质量,必须立足于较慢的加热速度。加热速度过慢则将失去表面淬火的优势,还会因热传导使淬硬层过大。实践证明,将该工件的加热时间控制在2.5~3min之间较为适宜。

工件的淬火温度应根据钢种、原始组织及在相变区的加热速度来确定,钢种和原始组织一定的条件下,淬火温度主要由加热速度决定。加热速度越快,所需的淬火温度越高,高频淬火加热速度远高于常规热处理,因此,高频淬火温度普遍高于常规热处理淬火温度。球面轴承由于各种原因,加热存在诸多困难,淬火温度不宜过高,淬火温度越高,实现难度越大,这也是选择较慢加热速度的原因之一。虽然选择了较慢的加热速度,但仍属快速加热,再考虑较慢的加热速度意味着奥氏体化时间较快速加热长。经过对多种因素的综合分析,淬火温度应与常规热处理相当或略高。

马氏体不锈钢淬透性好,工件尺寸不是很大时,空冷即可完全淬透。球面轴承有效厚度不足10mm,且又是表面淬火,理论上应选择空冷淬火。同时,考虑到淬火温度选择较低的特殊情况,为保证工件淬火效果,满足硬度要求,空冷淬火不可避免地存在一定不确定因素,选择冷却速度较快的淬火介质、弥补淬火温度较低的可能缺陷就成为必然选择。油冷却速度明显好于空冷,在各类淬火介质中属于较慢的一种,工件加热到淬火温度后立即浸油淬火即可达到淬火效果。较慢的冷却速度又不致产生裂纹等缺陷,稳定而有效地满足技术要求。

(3)实际效果

按上述方案对球面轴承进行淬火后,球面硬度在45HRC以上,经过480℃回火,硬度仍稳定在40HRC以上,且每一工件及工件各部位硬度分布均匀稳定,说明工件充分达到了淬火要求。该工件的淬火成功,为加热难度较大的不锈钢工件及内孔的表面淬火提供了有益的参考。

2.较大尺寸零件深淬硬层高频表面淬火

(1)加工难点

此工件的高频淬火也采用同时加热的方式。其加工难点主要在于受设备功率和电流频率的限制。

高频淬火为短时快速加热,需要在很短的时间内加热到很高的温度,需要足够的加热功率作为基础。工件需要加热的表面越大,所需的功率也就越大,被加热表面大到一定程度时,就会因设备功率限制难以顺利实现同时加热。

工件进行感应加热时,电流透入深度由电流频率决定,这一原理使电流频率成为了决定淬硬层深度的主要因素。高频淬火设备的电流频率一般是固定的,如高频设备电流频率为200~300kHz,对应热透入深度为0.9~1.1mm,这就限制了淬硬层深度的进一步加深。

某产品牵引销(淬火部位见图2)为产品中的关键零部件,材料为40Cr合金结构钢,要求f 89mm外圆表面高频淬火,淬火硬度要求50~60HRC,淬硬层深度2.5~4.5mm。该工件需淬火表面尺寸较大,除需要较大的功率进行加热外,对于加热影响更大的问题是淬火部位为工件凹槽部,感应器的制作也是一大困难。如按常规方法制作感应器,即感应器内径稍大于需淬火表面直径,则感应器必须现场制作,十分麻烦,而且工件淬火必须损坏感应器才能进行,每一工件的高频表面淬火必须制作相应的一件感应器,也存在着每一感应器的制作误差;如感应器内径大于相邻截面直径,即大于111mm,则感应器与淬火部位的间距加大了11mm,感应加热效率将显著降低。淬硬层方面,2.5~4.5mm的深度范围是正常热透入深度的2.5~4.5倍,为提高淬硬层深度,一般可适当利用热传导的原理,即利用热量由表面向心部传导的特性,加大加热层的厚度。但单纯依靠热传导的方法需要自表面向内存在较大的温度差,往往要求的淬硬层深度达到淬火温度时,表面温度已过高,产生表面组织过热、过烧等缺陷。

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(2)淬火工艺方案

为完成此项工件的淬火,专门制作了感应器,加强了工艺过程控制并采用了断续加热方式。

结合牵引销的诸多特点,改变传统感应器制作方式,将感应器制作为半圆形,克服传统感应器对于该工件高频淬火的上述难点,既可以实现感应器与加热表面之间尽可能小距离的配合,又可以方便地使工件与感应器脱离进行淬火。在具体的操作实施中,使工件相对于感应器进行同心旋转,达到瞬间对半圆进行加热,整体上又对全部淬火表面进行加热的特殊效果(见图3)。

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前面已讲述,钢铁材料在加热到一定温度后,将失去磁性,加热速度随之下降数倍。实际加热过程中,当表面出现超过失磁点的薄层时,和薄层相邻的内部交界处涡流强度就会突然上升,成为加热速度最快的部位,出现高温表层加热速度降低,交界处升温加速,并向内部推移的现象。这一现象为提高淬硬层深度是有利的,但表层高温区加热速度较交界处以内的部位快很多,表层过热、过烧倾向仍很严重。此时,就需要找出电压、加热速度等参数的最佳配置,严格加热过程的控制,在保证质量的前提下尽量增大淬硬层深度。

牵引销要求淬硬层深度较大,单纯的参数控制在完全满足技术要求方面仍有欠缺,还需要采取一些其他技巧。断续加热,即在未达到淬火温度时,暂时停止加热,使工件表面热量较多地向内传导,然后再重新开始加热。这样相当于增加了热传导时间,降低表面向内部的温度梯度,反复进行数次,表面温度不致过高而产生过热、过烧。实现从表面向内2.5~4.5mm内较均匀的达到淬火温度的目的。

(3)实际效果

采取改进感应器设计、优化工艺参数、断续加热等措施后,牵引销表面高频淬火后硬度可以稳定达到55HRC左右,淬硬层深度3mm以上,使用高频淬火的方式达到了本适合于中频淬火的淬硬层深度要求。而且由于感应器的改进,工件可以逐一连续不断地进行淬火操作,有效提高了工作效率。

3.需要注意的事项

为保证加工质量,需注意下列事项:

(1)设备维护工作极为重要。高频感应器与工件间距应尽可能小,以减少其电能损耗,最大限度地保证同时加热的功率需要。

(2)使用紫铜管弯制成螺旋状是感应器的最常用形式。设计制作此类感应器时,应尽可能使用直径较大的紫铜管并减少匝数,以降低感抗,保证加热效率。

4.结语

高频感应淬火是一个复杂的过程,在热处理中也属于特殊热处理范畴,而实现同时加热则难度更大。在具体操作中,必须综合考虑设备功率、工作频率、感应器、热处理参数、材料组织转变、淬火介质、冷却方式等因素,达成这些因素的最佳配合,最大限度地发挥设备潜力,尽可能满足多品种、小批量工件同时加热淬火的需要。

 


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