作者：赵俊平 吴永强
感应热处理技术是一项高效、节能、环保的热处理技术，符合现代工业生产的3S和3C标准(Sure可靠、Safe安全、Saving节约及Cool低温、Clean清洁、Clam安静)，几十年来有了迅速的发展，特别是在汽车生产方面得到了广泛应用。我国感应热处理技术在汽车制造业的真正应用，开始于20世纪50年代一汽投产时，到目前一直处于蓬勃发展中，以商用车为例，感应淬火零件数量达到100多种，占全部热处理零件数量的70%左右，我国感应热处理技术水平已进入世界先进行列。
本文先简要介绍一下感应热处理设备，然后以典型零件为例重点介绍感应淬火工艺的发展情况。
1感应热处理设备
1.1 感应加热电源
感应加热电源的发展经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、SCR中频电源及IGBT电源三个发展阶段。在中频段，工业发达国家已用SCR中频电源和IGBT电源完全取代了中频发电机组，我国自90年代中期开始淘汰中频机组，现已基本完成;在高频段，MOSFET和SIT也正在逐步取代真空管式高频电源。
目前，大功率电源在国内已经实现工业化生产，质量稳定，价格仅为进口电源的1/3-1/2，国产淬火用SCR电源可以做到2000kW;新型的IGBT电源，工作频率范围宽，负载适应性强，电效率高，工艺调整非常方便，国内如高周波、恒进等公司均可生产，频率范围覆盖1-100 kHz，功率达到1000kW，可以完全取代进口，并已实现部分出口。
1.2 淬火机床
感应淬火机床大体可分为通用淬火机床和专用淬火机床：通用淬火机床朝柔性化方向发展;专用淬火机床则更加专用化。它们有一个共同特点，即趋向于自动化，普遍采用了CNC控制，SIEMENS、FANUC等控制系统都有所应用，国内以东风公司工艺所和一汽材工部为代表的公司研制成功了多台(套)大型的感应淬火成套设备(生产线)，达到了国际先进水平。
图1 全自动曲轴淬火机床
图2 监控界面
图1和图2所示为东风公司工艺研究所研制成功的全自动曲轴淬火成套设备及其监控界面，该设备采用了功率分配、薄型淬火变压器、独立悬挂、缓冲进给、旋转准停等新技术，具有设备监控、故障诊断、参数纪录及零件返修等功能，另外还设计了模拟控制面板，操作者可以通过鼠标或键盘控制机床动作。该设备根据需要同时悬挂3套以上的薄型变压器-感应器单元，工作过程中不需要更换感应器。工作时只要将曲轴放在机床的上料位，设备自动完成全部淬火加工，不需要人工操作。
2典型零件的淬火工艺
2.1 半轴
半轴感应淬火的主要目的是提高扭转强度，感应淬火后其扭转疲劳强度比调质态提高十几倍，目前国内外汽车半轴都采用了感应淬火工艺。半轴淬火技术分环形感应器连续淬火和矩形感应器一次淬火两种，技术都比较成熟。随着汽车载重量的增加，特别是发动机功率的大幅增加，半轴逐渐成为动力传动系统中的薄弱环节，所以最近两年，就如何提高半轴强度又开始了新的研究，普遍的做法是增加半轴直径，现在已经增大到φ60mm或更大，同时为减小半轴法兰部位过渡圆角的应力水平，增大圆角尺寸，从R7mm增加到R20mm或更大。材料和热处理科研人员正研究如何提高半轴淬火硬化层的深度，扩大法兰部位淬火范围，这是提高零件强度的有效措施，试验数据表明，将半轴的淬硬层提高到43%以上能够获得理想的扭转疲劳强度等性能指标。 较大的半轴厂为提高生产率，往往选择矩形感应器一次淬火工艺，该工艺需要选用大功率变频电源，如东风车桥公司在半轴淬火中就选用了500kW的电源。
图3 半轴自动淬火机床
在大功率半轴淬火工艺过程中，由于加热时间短，电网的波动对淬火质量影响明显，为此研究人员设计了能量控制器，能量控制器工作原理主要是监控电源输出功率的变化，积分后计算出能量，通过控制中频电压或加热时间保证功率或加热能量的稳定，从而控制淬火质量。能量控制器最早由国外引进，现在国内也已工业化生产，在其它零件的加工中也有应用。
2.2 曲轴
曲轴热处理强化技术有很多种，过去国内应用最多的是渗氮强化，东风汽车公司早在1974年开始在国内率先采用感应淬火工艺，但一直到2000年左右，国内才开始大量淘汰渗氮工艺。感应淬火可以提高曲轴疲劳强度130%以上，是目前大功率发动机曲轴强化的必选工艺。过去全自动曲轴淬火机床一直依靠进口，目前国内设备已经能够满足要求。 美国的应达公司最近开发成功曲轴静止淬火技术，利用集流器原理实现轴径的静止加热淬火，其特点是生产效率高、设备成本低、占地面积小。但该技术仅局限于轴径淬火，不能实现圆角淬火，非常适合中小型发动机曲轴轴径淬火，在我国还未推广使用。 感应器是保证曲轴淬火质量最关键的装备部件，随着制作工艺的不断完善，曲轴淬火感应器的制作水平也取得很大提升，目前国内主要感应器制造厂都可以制造整体成型的有效圈，减少焊接接口，感应器的寿命、制作精度提高、制作周期大幅缩短，为曲轴淬火稳定生产奠定了基础。
图4 曲轴静止淬火技术
2.3 凸轮轴
凸轮轴感应淬火的目的是提高凸轮及轴径部位的硬度，增加耐磨性。常用的凸轮轴淬火机为立式淬火机，单轴或双轴结构可以同时对一件或两件零件进行单部位加工，目前国产凸轮轴淬火机都采用了CNC控制，可以实现感应器与零件精确定位。为防止相邻的部位由于磁场逸散发生退火，凸轮轴感应器上设计安装了聚磁装置，用高导磁材料制作，如硅钢片、铁氧体等。为降低制造成本，也有在感应器下方安装单独的喷液装置的，在加热同时对已经淬火的相邻区域喷液冷却，效果也不错。
图5 多部位凸轮轴感应器
为提高生产率，科研人员还开发了凸轮轴多部位同时淬火技术，该技术可以同时对一根凸轮轴上 所有淬火部位进行淬火加工，该技术在东风的EQ491发动机凸轮轴生产线上使用。图5为一种用于多部位淬火的感应器。
2.4 齿轮
人们对齿轮感应淬火的研究和应用历史悠久，但在汽车齿轮上的应用非常有限，其原因是汽车齿轮服役条件苛刻，承受的力矩大。以东风和一汽为代表的汽车厂近年来在积极探索如何通过感应淬火提高齿轮强度，以降低齿轮材料和工艺成本，提高齿轮精度。
图6 齿轮双频淬火
图7 齿轮单频淬火
出于生产率的考虑和汽车齿轮零件的特点，汽车齿轮感应淬火不采用沿齿沟的单齿淬火工艺，主要采用整体加热淬火工艺。整体淬火又分两种：单频加热和双频加热。双频加热淬火技术可以得到更好的仿形淬硬层，对于提高齿轮疲劳强度、减小淬火变形等非常有利，单频加热淬火得到的硬化层仿形效果相对差些，图6和图7显示了它们的淬火硬化层差别。但并非双频淬火一定比单频淬火好，对于小模数齿轮，为获得更高的强度，往往需要将齿部完全淬透，并且在齿根以下得到一定深度的淬硬层。汽车齿轮感应淬火应用最普遍的是发动机飞轮齿圈，绝大多数齿圈采用感应淬火。东风公司已经在一些变速箱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。
2.5 球头
球头类零件感应淬火后可以有效提高疲劳强度，这也是其它热处理工艺无法比拟的。但由于外形复杂，感应淬火难度比较大，其关键是感应器的设计，如何利用好感应加热原理的几个效应，得到更加均匀的加热温度是感应热处理工作者的不断追求。图8为一种形状复杂的球头销淬火区域外形，该零件为汽车悬挂系统重要零件，设计者在矩形感应器的基础上很好的利用了圆环效应，使零件两边的R部位与球面均匀加热淬火， 取得理想效果。
图8 球头淬火形貌
2.6 球座
球座为典型的复杂、薄壁、内孔淬火小零件，内孔与球头接触的区域淬火硬化，并且在外延的锥面部分也要淬硬以提高强度。
图9为球座淬火外形。
3差距和机遇
总体来说，我国感应热处理技术水平和工业发达国家相比，还存在一些差距，例如：在材料方面的低淬钢、非调质钢和可控淬透性钢的应用;在淬火机床的数控技术、计算机技术及精密机械传动技术的应用;在电源方面的高质量、高可靠性的功率元件的开发;精密感应器的制造技术等等。为缩短这些差距，国内同行仍需付出巨大努力。 2005年，我国汽车产量已达到570余万辆，汽车零部件的需求量极大。我国的汽车零部件也正逐步纳入全球采购体系，国内感应热处理厂商如能充分利用高水平的设备和先进的生产工艺，满足汽车零部件生产的高效率和高质量的要求，就能真正成为感应热处理
发表于 2015-1-25 17:48:01
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发表于 2015-1-26 14:40:05
