感應回火工藝

2018-10-08 00:00:00    來源：感應回火工藝    點擊：1849    喜歡：0

中碳鋼和中碳低合金鋼的機械零件感應淬火后，可以得到56～65HRC的硬度，一般需進行回火處理。將感應淬火后的零件，通過150～250℃的溫度，處以1.5～3h的保溫回火處理，空冷，使碳從淬火馬氏體的固溶體上析出細小的碳化物，形成回火馬氏體。用不同的溫度回火，將淬火馬氏體的硬度控制在50～62HRC以取得綜合的力學性能，滿足機械零件的服役條件。

1.感應回火特點

通常，感應淬火的工序后，配以具有溫度、時間自動控制的電加熱的箱式爐，井式爐，或是網帶爐。這類工藝設備的配置，工藝簡單，控制可靠，機械零件的回火質量穩定。我們將此感應淬火零件的回火姑稱為傳統的回火工藝。

現代機械零部件的生產采用了一物流的組織方式。傳統的回火工藝方式因零件在回火工藝設備中流轉周期過長及回火過程中裝夾定位不便而不太適應一物流的生產組織。于是，零件感應回火的生產節拍能和感應淬火生產節拍一致，裝夾定位一致，所以感應回火工藝及裝備被推廣應用于一物流生產線中。

淬火馬氏體通過回火，其α固溶體仍有一定的碳的過飽和度，仍保持了淬火鋼的高硬度和高耐磨性，同時降低了零件淬火層的脆性和內應力，以免零件在服役過程中的沖擊力下的崩裂過早失效。那么，如何知道淬火零件回火充分性？用什么方法來評判回火的充分性和檢測回火的程度？傳統的回火工藝方式的零件回火充分性和回火的檢測是眾所周知，通過回火零件的表面硬度的檢測，和第二次該零件相同溫度、時間回火后，檢測表面硬度差不大于1HRC，即為零件回火充分。電加熱回火爐的的加熱是空氣傳導和熱輻射，測溫器件是熱電偶，零件的溫度可以用爐內的溫度場的溫度來準確表征。而感應回火，感應回火的裝備，采取的是電磁場感應加熱，即鋼在頻率較低的磁場中產生感應渦流，從而發熱，使零件被回火。零件是發熱體，應用了紅外測溫儀測零件的表面溫度為準（紅外測溫儀在測溫過程中受環境條件的諸多影響因素不在本文的討論范圍）。零件回火后的硬度檢測，目前是沿用了傳統的回火工藝的回火檢測，即測零件表面硬度。

2.感應回火的試驗及檢驗

我們在上海恒精公司制造的通用設備上對圖1所示零件，感應淬火后進行感應回火試驗。試驗條件和檢驗結果見表1、表2。

圖1  感應淬火回火后零件硬化層分布

表1  淬火回火試驗條件

表2  淬火回火檢測結果

從表2上測試的數據上分析，回火的目的似乎已經達到。

感應加熱的方式和傳統回火加熱的方式有些本質的不同，即感應加熱是感應渦流使鋼的表面自體發熱加熱，時間短；傳統回火加熱是外部發熱體通過熱傳導和輻射進行加熱，時間長，有足夠的時間使熱量在鋼內部傳導并使溫度均勻。為了檢查整個硬化層的回火程度，對感應回火后的零件進行硬度梯度的測定，以反映感應回火時感應渦流透入加熱深度效果。硬化層梯度測定，如圖2所示。

圖2  淬火及回火硬度曲線

感應淬火后的淬火硬化層的硬度梯度曲線1，感應回火后的淬火硬化層的硬度梯度曲線2表明，僅零件淬火層的表面得到充分回火，而表層下的硬化層，未能得到充分的回火。文獻表明，感應加熱回火的加熱深度，要大于淬火時的加熱深度，以減少或消除硬化層與過渡層之間的拉應力。感應加熱時零件的渦流分布特性與電流透入深度見圖3。

（a）電流密度分布      （b）渦流透入深度

圖3  渦流分布特性與電流透入深度

圖3表明渦流強度隨表面距離變化的關系。渦流分布是高度集中在零件的表面中，而且渦流強度隨距離增大而急劇下降，隨距離的e指數比下降的。實際應用中，規定Ir下降到Io的36.79%為電流透入深度，同時可近似認為渦流只存在于零件表面電流透入深度的薄層中，而在薄層以內的心部沒有渦流。由于渦流產生的熱量與渦流強度的平方成正比，所以從表面向心部，熱量的下降要比渦流下降的更快。

經計算證明，85.6%的熱量是產生在電流透入深度內。當感應加熱時，零件的外表面溫度達到了鋼回火要求的溫度，但因時間極短（相對傳統回火時間的千分之一），鋼的熱傳導未能發生，同時感應渦流強度的梯度大，在整個有效淬火硬化層，不能達到均勻一致的回火溫度，形成感應回火零件表層回火，而整個淬火硬化層未能充分回火的現象。

表3  回火試驗參數及檢測結果

提高感應回火功率或回火時間，能不能改善感應回火的透入深度？分別對感應回火的時間和功率參數進行試驗，見表3。提高感應回火功率或回火時間，表面溫度升高了，感應回火零件表面硬度下降。

吻合相關資料，在要求的硬度范圍內，感應回火溫度比傳統回火工藝溫度高50～60℃。對感應淬火層的硬度梯度分析，45、55鋼的感應淬火后，表面硬度都一般大于60HRC，有效硬化層的一半，達到58HRC以上，因此，在該部分的回火溫度要求是基本相同的。而上述的工藝，因為感應渦流強度隨距離的急速下降，在硬化層各點上產生的溫度，難以滿足此處回火硬度要求。

感應回火過程中，有感應渦流產生的回火所需熱量及其熱傳導，兩者要有產生熱量的速度及傳導熱量的速度平衡，當產生熱量的速度大于傳導熱量的速度，零件表面持續升溫，超過零件回火要求溫度，導致表面硬度降低；反之，會導致回火不充分。所以，僅提高感應回火功率或回火時間，不能達到回火要求。

3.工藝方案

在試驗的測溫過程中，感應加熱結束后溫度從280℃在2～3s間降到90～100℃。零件表面層的熱量向外表—空氣和內部—鋼擴散，當然，鋼的熱傳導系數比空氣大的多，感應回火加熱熱量是大部傳遞給鋼的內部。可以設計，在感應回火過程中，感應加熱并保持表面的溫度在270℃，以傳導加感應渦流方式，來加熱整個感應淬火硬化層，達到淬火層的回火目的。

試驗工藝如表4所示，在第一次感應加熱后，空冷2s，再以第一次功率的1/2感應加熱2s，空冷2s，噴水冷卻。硬度梯度檢驗見圖2中的曲線3，整個感應淬火硬化層被回火后得到了較均勻的平坦回火硬度曲線。

表4  回火試驗工藝參數及檢測結果

4.感應回火后的檢測方法討論

本文已闡明了感應回火加熱和熱傳導的方式與傳統回火方式的差異。用傳統回火工藝的控制檢測方式，即控制溫度和檢測表面硬度，不能正確并有效地反映控制零件淬火層的感應回火質量。感應回火加熱的特征是感應渦流發熱，具有表面趨膚效應和渦流強度隨距離e指數減弱，熱傳導的作用相對弱，不適當的感應回火工藝，會使感應淬火硬化層在感應回火后，表面達到工藝的回火要求，但在感應淬火層的內部，存在回火不充分。因此，必須在感應回火的控制和檢測方式上有功率、加熱時間、表面溫度、表面硬度、淬火硬化層硬度梯度的要素。

感應回火參數的選擇：感應回火的頻率必須比感應淬火的頻率低，因為回火加熱層一定要大于淬火加熱層；如設備條件不具備淬火—回火雙頻工況時，感應回火的比功率應是感應淬火的1/5～1/3。

5.結語

（1）感應回火的加熱方式、熱傳導方式和傳統回火的差異，使兩者的控制和測量有不同的要求。感應回火要求有功率、加熱時間、表面溫度、表面硬度、淬火硬化層硬度梯度的要素。

（2）感應回火后的淬火層硬度梯度檢測，反映了回火硬度的充分性。

（3）根據感應加熱原理，制定的感應回火工藝保證了零件的回火充分性。

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