朱會(huì)文 高級工程師

沈慶通 教授級高級工程師

一、歷史回顧

1.感應(yīng)加熱的發(fā)展歷史

1831年，法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)加熱現(xiàn)象。1868年，?？继靥岢隽藴u流理論。1890年，瑞典技術(shù)人員發(fā)明了第一臺(tái)感應(yīng)熔煉爐：開槽式有芯爐。1916年，美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，用于熔煉金屬。1930年，前蘇聯(lián)研制成高頻感應(yīng)爐。1935年，前蘇聯(lián)對曲軸的軸頸進(jìn)行感應(yīng)淬火；與此同時(shí)，美國俄亥俄州曲軸工廠為提高曲軸軸頸的耐磨性，研制了曲軸淬火機(jī)床。國際上以前蘇聯(lián)和美國為代表的工業(yè)化國家將感應(yīng)加熱技術(shù)成功地應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)的熱處理領(lǐng)域。

其后，感應(yīng)淬火被廣泛地應(yīng)用于汽車、鐵路、機(jī)床、軸承制造等各個(gè)行業(yè)。1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的開始，也引發(fā)了感應(yīng)加熱技術(shù)的革命；1964年，用于逆變器的晶閘管問世；1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應(yīng)加熱裝置，從此感應(yīng)加熱技術(shù)開始飛速發(fā)展；1969年，第一臺(tái)540Hz全固態(tài)電源建成；1972年，第一臺(tái)50kHz全固態(tài)電源建成；1973年，LED診斷控制屏用于故障顯示；1974年，電源設(shè)備的冷卻系統(tǒng)改進(jìn)，可見的排出水被流量計(jì)及壓力表所取代，第一臺(tái)壓力閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)使用于整個(gè)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的冷卻；1978年，第一臺(tái)效率為97%全固態(tài)電源問世；1980年，工業(yè)發(fā)達(dá)國家基本淘汰了機(jī)式發(fā)電機(jī)及倍頻器；20世紀(jì)80年代后，電力電子器件再次快速發(fā)展，MOSFET、IGBT等器件相繼出現(xiàn)。感應(yīng)加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件?，F(xiàn)在比較常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于較大功率場合，而MOSFET用于較高頻率場合。

感應(yīng)熱處理具有節(jié)能、快速和清潔等優(yōu)點(diǎn)，符合可靠（Sure）、安全（Safe）、節(jié)約（Saving）的3S標(biāo)準(zhǔn)，也符合低溫（Cool）、干凈（Clean）、安靜（Calm）的3C標(biāo)準(zhǔn)，對同一種規(guī)格大批量零件進(jìn)行感應(yīng)淬火，便于實(shí)行機(jī)械化、自動(dòng)化操作和在線生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，因此，感應(yīng)熱處理在機(jī)械制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著感應(yīng)熱處理應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，火焰表面淬火基本被感應(yīng)淬火取代，一些零件的氣體滲碳與碳氮共滲工藝被感應(yīng)熱處理取代，近年來感應(yīng)熱處理又被應(yīng)用于零件的調(diào)質(zhì)處理。對感應(yīng)淬火零件性能的要求，從單純提高耐磨性發(fā)展為提高淬火零件的抗彎、抗扭及疲勞強(qiáng)度。

以美國為例，20世紀(jì)70年代感應(yīng)熱處理零件量占整個(gè)熱處理零件量的15%，到20世紀(jì)末，感應(yīng)熱處理零件量占整個(gè)熱處理零件量上升到35%。

2.我國感應(yīng)熱處理技術(shù)發(fā)展的四個(gè)階段

改革開放前：全面引進(jìn)前蘇聯(lián)技術(shù)階段；自力更生階段。

改革開放后：快速發(fā)展階段；當(dāng)前自主創(chuàng)新階段。

（1）全面引進(jìn)前蘇聯(lián)技術(shù)階段 建國初期，前蘇聯(lián)援建我國的156個(gè)重大項(xiàng)目，涉及當(dāng)時(shí)中國整個(gè)工業(yè)體系的各個(gè)方面，參加援建的工程技術(shù)人員達(dá)1.8萬人。幫助了我國開始走上工業(yè)化的道路。援華項(xiàng)目的企業(yè)設(shè)計(jì)資料中包括了工藝、設(shè)備等系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。我國感應(yīng)熱處理技術(shù)就是從20世紀(jì)50年代在洛陽拖拉機(jī)廠、長春第一汽車制造廠、沈陽第二機(jī)床廠（中捷友誼廠）為代表的企業(yè)打下基礎(chǔ)開始起步的。

學(xué)術(shù)著作方面：全面研究及參考了В .П .В О Л О Г Д Е Н 、 М .Г .Л О З .И Н С К И Й 、 И .Н .К И Д И Н 、К.З.ШЕПЕЛЯКОВСКИЙ等著作的關(guān)于電磁感應(yīng)、高能密度下相變、顯微組織變化、殘余應(yīng)力等學(xué)術(shù)理論。此外，前蘇聯(lián)高頻電流科學(xué)研究所等科研人員編制了《鋼鐵感應(yīng)加熱》、《感應(yīng)熱透在工業(yè)中的應(yīng)用》、《感應(yīng)加熱釬焊》、《高頻淬火》、《淬火感應(yīng)器》、《淬火機(jī)床與感應(yīng)加熱器》、《淬火機(jī)床》、《表面淬火質(zhì)量檢驗(yàn)》、《高頻電場中的加熱》、《高頻加熱淬火制件的組織與性能》、《高頻加熱的物理基礎(chǔ)》、《高頻加熱用變壓器》、《高頻加熱用發(fā)電機(jī)》、《高頻加熱用儀表和測量方法》、《鋼的感應(yīng)加熱熱處理特點(diǎn)》等高頻叢書，對企業(yè)工程技術(shù)人員提高專業(yè)知識(shí)起到了重要作用。

1956年4月，第一機(jī)械工業(yè)部（簡稱一機(jī)部）在上海綜合工業(yè)研究所舉辦了高頻訓(xùn)練班，請前蘇聯(lián)高頻專家達(dá)許凱維奇（八A山K H B H H H.日.）作了兩個(gè)月的培訓(xùn)講課，完整地講授了感應(yīng)加熱原理、工藝與設(shè)備知識(shí)?！案哳l訓(xùn)練班”共培訓(xùn)了40多名工廠專業(yè)高頻技術(shù)人員。

感應(yīng)熱處理工藝方面：載重汽車、履帶拖拉機(jī)、車鉆床上大量感應(yīng)淬火件是從那時(shí)開始采用前蘇聯(lián)對口工廠工藝的，先進(jìn)的自回火工藝也是從那時(shí)開始應(yīng)用于曲軸、凸輪軸等零件上。

感應(yīng)加熱電源與部件方面：1958年我國開始生產(chǎn)高、中頻電源（天津廣播器材廠、北京廣播器材廠生產(chǎn)高頻電源，湘潭電機(jī)廠、錦州新生電爐廠生產(chǎn)中頻發(fā)電機(jī)）以及電熱電容器（西安電容器廠），其后又生產(chǎn)中頻變壓器，供應(yīng)國內(nèi)新工廠使用，其技術(shù)來自前蘇聯(lián)。

（2）自力更生階段 1960年后，我國工業(yè)建設(shè)進(jìn)入自力更生階段。

階段的發(fā)展：以二汽建廠為例，其工廠設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)、制造（30多套感應(yīng)熱處理成套設(shè)備）全部由國內(nèi)設(shè)計(jì)院、一汽高頻室、湘潭電機(jī)廠與鄂城通用機(jī)械廠完成。

感應(yīng)淬火工藝：機(jī)床制造業(yè)、汽車、拖拉機(jī)制造業(yè)等均自行設(shè)計(jì)感應(yīng)淬火件的工藝，并且在低淬透性鋼齒輪淬火等研究與應(yīng)用上取得進(jìn)展。當(dāng)時(shí)上海機(jī)械廠（后稱上海熱處理廠）在感應(yīng)淬火工藝應(yīng)用上如齒輪、絲杠調(diào)質(zhì)、感應(yīng)器涂搪瓷等均有許多新創(chuàng)造，在推廣用中碳鋼感應(yīng)淬火代替調(diào)質(zhì)與滲碳工藝方面，以汽車熱處理件為例，感應(yīng)熱處理件的數(shù)量與千克重不斷增加，一汽開始生產(chǎn)時(shí)（1957年）解放車只有31種，148.5kg感應(yīng)淬火件，到80年代，CA141汽車的感應(yīng)淬火件已擴(kuò)大到52種，重245kg，數(shù)量為原來的167%，重量為原來的l65%。東風(fēng)牌汽車上感應(yīng)熱處理零件則已占全部熱處理零件重量的62%以上。鐵道部金化所開展了鋼軌端頭感應(yīng)淬火工藝，戚墅堰機(jī)車工藝研究所則開展機(jī)車齒輪感應(yīng)淬火工藝等研究。

裝備設(shè)計(jì)與制造：國內(nèi)各廠與設(shè)計(jì)院自行設(shè)計(jì)了數(shù)十種通用及專用淬火機(jī)床供本單位及援外使用，經(jīng)一機(jī)部第六設(shè)計(jì)院匯編列入圖冊的有38種。在高頻電源技術(shù)改造上將整體機(jī)改為分體機(jī)，閘流管改為可控硅調(diào)壓硅堆整流，采用新型高效振蕩管（如FD911s代Fu-23s）、新型平板陶瓷電容器等，提高了整機(jī)效率；設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了陽壓自動(dòng)跟蹤裝置，使空載陽壓穩(wěn)定度提高。70年代開發(fā)了電子管式超音頻電源，使中模數(shù)齒輪及許多感應(yīng)淬火件得到更合理的淬硬層。

全國感應(yīng)加熱技術(shù)委員會(huì)成立：1964年11月由吉林省機(jī)械工程學(xué)會(huì)籌備在長春市吉林省賓館召開了全國第一屆感應(yīng)加熱學(xué)術(shù)交流會(huì)。參會(huì)的有48個(gè)單位、61位代表，另有60人列席。交流會(huì)印發(fā)了論文及精印優(yōu)秀論文集。會(huì)議交流了國內(nèi)感應(yīng)加熱設(shè)備調(diào)試、淬火工藝、感應(yīng)器、淬火機(jī)床設(shè)計(jì)等經(jīng)驗(yàn)。會(huì)上確定成立全國感應(yīng)加熱技術(shù)委員會(huì)，其宗旨是促進(jìn)國內(nèi)科技研究單位、大專院技與工廠間的技術(shù)交流與合作，翻譯國外感應(yīng)加熱資料，定期出版高頻專題資料等，感應(yīng)加熱委員會(huì)秘書處掛靠在一汽工藝所高頻室。此后，感應(yīng)加熱委員會(huì)組織出版了《感應(yīng)熱處理》（譯文集，上海市科學(xué)技術(shù)編譯館出版1965年）、《高頻電熱通訊》和《高頻熱處理論文集》等。會(huì)議還要求各委員分工撰寫感應(yīng)熱處理專業(yè)書、編印感應(yīng)器圖冊等。 第二屆全國感應(yīng)加熱學(xué)術(shù)交流會(huì)直到19年后再次在長春舉辦。

（3）改革開放后的快速發(fā)展階段 改革開放后，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了感應(yīng)熱處理技術(shù)交流活動(dòng)的開展。

感應(yīng)熱處理技術(shù)交流會(huì)的舉辦有力地推動(dòng)了我國感應(yīng)熱處理的技術(shù)進(jìn)步，取得了很好的效果，我國感應(yīng)熱處理工藝與裝備的發(fā)展也呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢。①軸類零件采用矩形管縱向加熱淬火：使臺(tái)階軸過渡的淬硬層不中斷得到連續(xù)。既大大提高了軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，又獲得節(jié)能與提高生產(chǎn)率雙豐收。一汽、東汽等均已將此工藝用于半軸生產(chǎn)。②曲軸頸旋轉(zhuǎn)淬火與圓角淬硬：旋轉(zhuǎn)淬火解決了軸頸油孔易淬裂及淬硬區(qū)不勻等問題，圓角淬硬則使曲軸頸疲勞強(qiáng)度提高一倍，此工藝已用于柴油機(jī)曲軸生產(chǎn)中。③成套鋼軌感應(yīng)淬火設(shè)備國產(chǎn)化，并應(yīng)用于鋼軌軌面全長感應(yīng)淬火等大批量生產(chǎn)中，成套鋼軌感應(yīng)淬火設(shè)備已出口國外。④感應(yīng)淬火冷卻介質(zhì)從水、乳化液、聚乙稀醇水溶液發(fā)展到新型的聚合物淬火冷卻介質(zhì)，使感應(yīng)淬火零件的廢品率降低了。⑤淘汰了效率低的機(jī)式中頻發(fā)電機(jī)，自主生產(chǎn)晶閘管器件與晶閘管中頻電源，并大量在生產(chǎn)中使用。⑥開發(fā)了感應(yīng)加熱（透熱）軟件并用于生產(chǎn)。⑦感應(yīng)加熱設(shè)備生產(chǎn)廠（電源、淬火機(jī)床、感應(yīng)器、淬火變壓器、導(dǎo)磁體等配套件）與零件感應(yīng)淬火加工廠大量涌現(xiàn)。天津、無錫、西安、洛陽、十堰、深圳、鄭州、成都、上海等許多城市成為感應(yīng)加熱設(shè)備制造基地，而沿海的一些城市如上海。杭州、玉環(huán)等則又成為感應(yīng)淬火零件的供應(yīng)基地。這些廠與感應(yīng)加熱設(shè)備、進(jìn)口感應(yīng)淬火零件進(jìn)行競爭，由于質(zhì)量符合要求，價(jià)格合理，交貨周期短，服務(wù)方便等優(yōu)勢，贏得了市場。⑧此階段存在的問題是引進(jìn)技術(shù)上存在重硬件、輕軟件；重主機(jī)、輕配件；重使用廠、輕制造廠等諸多弊端。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，對外開放以來，我國已進(jìn)口各種感應(yīng)加熱電源與淬火機(jī)床達(dá)100套以上，分別來自德國、美國、英國、法國、日本、意大利、西班牙、比利時(shí)、俄羅斯，各有所長。如何取長補(bǔ)短、洋為中用，以提高我國感應(yīng)加熱技術(shù)的水平，是當(dāng)前我們面臨的一個(gè)課題。

（4）當(dāng)前自主創(chuàng)新階段

感應(yīng)加熱裝備制造業(yè)呈突飛猛進(jìn)狀態(tài)：電源方面，IGBT晶體管超音頻電源，便攜式電源基本上能自給并有出口，全自動(dòng)曲軸淬火成套裝置、臥式大型船用曲軸淬火機(jī)、無軟帶滾道淬火裝置與CVJ數(shù)控淬火機(jī)等這些制造難度大的設(shè)備均已能自主設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。感應(yīng)器：淬火變壓器專業(yè)制造廠數(shù)量不斷增加，有利于提高該類產(chǎn)品的技術(shù)與質(zhì)量。

感應(yīng)淬火新工藝的應(yīng)用不斷擴(kuò)大：如軸類縱向感應(yīng)加熱淬火在汽車、拖拉機(jī)行業(yè)擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，回轉(zhuǎn)支承滾道無軟帶淬火、三柱滑套件淬火、雙頻齒輪淬火等先進(jìn)的工藝已在國內(nèi)企業(yè)使用并正在不斷改進(jìn)中。

熱處理應(yīng)用范圍及部門擴(kuò)大：感應(yīng)淬火零件不再限于提高耐磨性為目標(biāo)，而是提高工件的疲勞強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度，鋼管焊縫感應(yīng)退火則提高了鋼管的耐用性。感應(yīng)熱處理的應(yīng)用部門從機(jī)床制造、汽車、拖拉機(jī)、工程機(jī)械、機(jī)車擴(kuò)大到石油機(jī)械、冶金制造等部門。

計(jì)算機(jī)模擬感應(yīng)熱處理取代感淬火件現(xiàn)場工藝調(diào)整：已在部分工廠、研究所開展，它可以稱之為“工藝調(diào)試革命”，解決了工藝人員現(xiàn)場繁瑣費(fèi)時(shí)的調(diào)整工作。

節(jié)能在感應(yīng)淬火上受到重視與要求：感應(yīng)淬火本身是節(jié)能工藝，由于不良的裝備、不良的工藝與沒有合理的單位能耗的考核（即以零件整體質(zhì)量為考核單位而不是以淬硬層厚度作考核），使節(jié)能工藝存在不合理的耗能漏洞，現(xiàn)在有了GB∕T10201—2008熱處理合理用電導(dǎo)則，即對感應(yīng)加熱淬火制訂了新的電耗定額，見表1。以加熱層深和加熱表面積來計(jì)算，與工件整體質(zhì)量為基準(zhǔn)截然不同，此導(dǎo)則的貫徹執(zhí)行，將連帶促進(jìn)節(jié)能裝備的發(fā)展。

表1 感應(yīng)加熱淬火電耗定額

新標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行過程中會(huì)不斷修訂與完善。由上海市發(fā)展改革委員會(huì)、上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)、上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、上海市節(jié)能監(jiān)察中心共同提出，由上海市熱處理協(xié)會(huì)和上海市能源標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等組成的起草單位制訂上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵感應(yīng)熱處理工序單位產(chǎn)品能源消耗限額》。

制訂了感應(yīng)熱處理工藝及裝備的國標(biāo)與機(jī)標(biāo)：已制訂的GB與JB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)并規(guī)范了企業(yè)的感應(yīng)加熱設(shè)備、淬火工藝與質(zhì)量，統(tǒng)一了相互間的技術(shù)要求。其中特別是淬硬層深度及感應(yīng)淬火金相標(biāo)準(zhǔn)，全國基本上都己貫徹執(zhí)行了。

展覽會(huì)與學(xué)術(shù)交流活躍：國內(nèi)舉辦的國際性學(xué)術(shù)大會(huì)、熱處理展覽會(huì)、參加國外感應(yīng)熱處理學(xué)術(shù)會(huì)、出國人員考察報(bào)告交流會(huì)等，均使國內(nèi)感應(yīng)熱處理行業(yè)的制造技術(shù)、工藝水平與國際水平接近或一致。具體有ICMHT83、APH 09、美國金屬學(xué)會(huì)齒輪熱處理學(xué)術(shù)會(huì)議、各地舉辦的歷屆熱處理展覽會(huì)，北京機(jī)電研究所1983年、1986年舉辦過兩次熱處理出國人員座談會(huì)（印有發(fā)言稿）等。國際間定期舉辦的熱處理展覽會(huì)，是觀察新技術(shù)發(fā)展的平臺(tái)，應(yīng)組織專業(yè)機(jī)構(gòu)收集、整理這些資料，針對國內(nèi)專業(yè)提出科研項(xiàng)目與產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃。

行業(yè)期刊、譯著、專著、論文集等：國內(nèi)《金屬熱處理》等期刊，《高頻熱處理》等譯著，《金屬感應(yīng)熱處理》等專著對國內(nèi)感應(yīng)熱處理科技人員提高專業(yè)水平，起到橋梁與輔導(dǎo)作用，從當(dāng)前情況看與發(fā)達(dá)國家新技術(shù)仍有10年差距。

科研院所與大學(xué)：國內(nèi)目前為止還沒有直接署名為研究感應(yīng)熱處理工藝與裝備的院、所、大學(xué)，但大企業(yè)如一汽、東汽、一拖等單位其工藝所有高頻室，從事工藝及裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，突出的優(yōu)點(diǎn)是理論聯(lián)系實(shí)際，研究與試驗(yàn)用于生產(chǎn)的比率大。不足之處是無力承擔(dān)大課題。迄今為止，感應(yīng)熱處理工藝與裝備方面沒有得到國家科技獎(jiǎng)，獲得省部級科技獎(jiǎng)的也不多。福建晉江江漢機(jī)電設(shè)備公司王志明經(jīng)理有志于開發(fā)同步雙頻電源，但多年來只有論文與宣傳圖片報(bào)道，未見該新裝置用于生產(chǎn)的信息，與研發(fā)技術(shù)力量不夠有關(guān)。

二、感應(yīng)熱處理工藝、設(shè)備研發(fā)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家的差距

1.基礎(chǔ)理論研究方面

（1）電磁場、熱場計(jì)算機(jī)模擬 法國Cedrat軟件公司等在電磁場、熱場的計(jì)算機(jī)模擬方面，開發(fā)了FLUX2D、FLUX3D等軟件，已在生產(chǎn)中有效應(yīng)用，省時(shí)省力，國內(nèi)無此技術(shù)，目前上海有公司銷售這些軟件，但價(jià)格驚人。感應(yīng)加熱件模擬電磁場如圖1所示。

圖1 半軸感應(yīng)器優(yōu)化的電磁場及熱型

（2）高能密度下相變及自冷淬火后性能研究

這方面國外有較多報(bào)道，國內(nèi)曾有福建省機(jī)械研究所進(jìn)行，現(xiàn)無繼續(xù)信息。

（3）感應(yīng)熱處理手冊 美國、英國、法國和前蘇聯(lián)都有《感應(yīng)熱處理手冊》，見圖2。我國雖然在《熱處理手冊》中包含了部分內(nèi)容，但沒有專門的《感應(yīng)熱處理手冊》。

2.感應(yīng)加熱電源設(shè)備與配套器件上的差距

圖2 國外部分感應(yīng)加熱手冊

（1）同步雙頻電源（SDF） 當(dāng)代先進(jìn)的同步雙頻電源（SDF）國內(nèi)已有單位在進(jìn)行研發(fā)，但沒有看到有關(guān)單位定型生產(chǎn)并投入感應(yīng)淬火加工的報(bào)道。德國ELDEC公司、美國INDUCTO-HEAT公司、日本電氣興業(yè)公司均能生產(chǎn)。沒有此種電源，仿齒廓的淬硬層就不易實(shí)現(xiàn)，因此需要加快研制投產(chǎn)。以德國ELDEC的simultaneous dual frequency gear hardening （同步雙頻齒輪淬火）技術(shù)為例，該技術(shù)使用一個(gè)感應(yīng)器，一套頻率分別為10～15kHz和200～400kHz的雙頻感應(yīng)加熱電源，功率根據(jù)齒輪的尺寸和模數(shù)大小確定，采用同時(shí)加熱的方式，即在同一個(gè)感應(yīng)器內(nèi)通有上述兩種頻率的交變電流，兩種低高頻率電流功率的比例為3:7左右，比功率一般在15～20kW/cm2，根據(jù)零件的尺寸和模數(shù)通過試驗(yàn)確定，在極短的時(shí)間內(nèi)（0.2～1.5s）完成齒面和齒根的加熱過程，并立即噴水進(jìn)行冷卻，完成淬火過程，得到有效硬化層仿形分布淬火的效果。汽車齒輪仿形雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)，加熱時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，零件的淬火變形小，設(shè)備的占地面積少，生產(chǎn)環(huán)境清潔無污染，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，可與其他加工設(shè)備共線生產(chǎn)。

（2）晶體管電源的啟動(dòng)時(shí)間有差異 國內(nèi)產(chǎn)品晶體管電源的啟動(dòng)時(shí)間較長，有的達(dá)0.5s，較短的能在0.1s以內(nèi)，保護(hù)裝置上也有差距，燒晶體管的故障率較高。

（3）晶體管電源的器件還依賴進(jìn)口 國內(nèi)大量生產(chǎn)電源，但其晶體管還依賴進(jìn)口件，必須解決器件自給問題，據(jù)調(diào)查國內(nèi)也已有研制產(chǎn)品，但成本高，價(jià)格與進(jìn)口管接近，感應(yīng)加熱設(shè)備制造廠愿買進(jìn)口件，認(rèn)為可靠與方便。

（4）淬火變壓器 國內(nèi)產(chǎn)品落后，體積大、效率低，水耗量大。另外，由于IGBT電源與晶閘管電源在頻率與輸出電壓不同，市場急需超音頻的淬火變壓器，但缺乏優(yōu)質(zhì)的國內(nèi)品牌，10kHz以上的國際名牌有美國Jackson公司的中頻變壓器及以色列（屬法國公司）中頻、超音頻變壓器，其繞組不是采用銅管而是采用銅箔，漏磁少、電效率高達(dá)90%以上；德國ELDEC及EFD公司的圓筒式淬火變壓器則具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，這些產(chǎn)品還未國產(chǎn)化，需要消化吸收或自主創(chuàng)新。

（5）淬火機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、監(jiān)控器等 目前國內(nèi)高檔的淬火機(jī)床仍采用進(jìn)口的Seimens840D等計(jì)算機(jī)；監(jiān)控器如能量監(jiān)控器雖有國產(chǎn)品牌，但還未普及；高精度的無觸點(diǎn)定位器、振蕩因數(shù)儀等（德國SMS-Elotherm公司專利產(chǎn)品），這些保證淬火件質(zhì)量的監(jiān)控儀器，國內(nèi)還未研制出相應(yīng)產(chǎn)品來替代。

（6）淬火感應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造 國外先進(jìn)企業(yè)已使用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行感應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)，國內(nèi)絕大多數(shù)制造廠未使用此技術(shù)。日本電氣興業(yè)公司對曲軸旋轉(zhuǎn)加熱感應(yīng)器能保證3萬次壽命，國內(nèi)大致1萬次以上。工頻感應(yīng)器以軋輥雙頻感應(yīng)器為例，國內(nèi)使用壽命在100次左右，急需提高設(shè)計(jì)與制造水平。

（7）導(dǎo)磁體 我國從20世紀(jì)50年代開始即能制造鐵淦氧導(dǎo)磁體（北京天橋粉末冶金二廠等），其后徐州導(dǎo)磁體廠研制了可加工導(dǎo)磁體，目前的狀況是生產(chǎn)廠家眾多、技術(shù)力量薄弱，產(chǎn)品價(jià)格雖低，但性能與美國、意大利產(chǎn)品牌相比有較大差距，曾有對比試驗(yàn)結(jié)果可以佐證。國內(nèi)無線電元件廠（國營798廠）制的軟磁材料具有高的居里點(diǎn)（500℃）與飽和磁通密度（260mT），可是缺乏市場溝通，產(chǎn)品尺寸與熱處理用戶要求不同，又因?yàn)轫?xiàng)目不大，無人推動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)入熱處理市場，導(dǎo)致這樣優(yōu)質(zhì)的輔助器件未能用于感應(yīng)加熱生產(chǎn)，而低端產(chǎn)品由于營銷得力，充溢市場而廣泛應(yīng)用。

（8）感應(yīng)器設(shè)計(jì)及制造質(zhì)量 國內(nèi)已有多家感應(yīng)器制造廠，這是改革開放后的進(jìn)步，與國際水平比，尚存在著一些差距。

①銅材質(zhì)量與銅管截面外形尺寸：無氧純銅應(yīng)是感應(yīng)器用材的首選，國內(nèi)用T2牌號(hào)的較多，矩形銅管圓角應(yīng)盡可能小，國內(nèi)產(chǎn)品圓角較大。

②模具化制造：感應(yīng)器用模具特別是專用模具普遍化不夠，檢驗(yàn)夾具少，采用通用模具或手工成形雖制造成本低，但因此產(chǎn)生精度低，以及同品種感應(yīng)器存在一致性差等質(zhì)量問題。

③釬焊質(zhì)量：國外感應(yīng)器有些產(chǎn)品已使用整體一次釬焊工藝，國內(nèi)產(chǎn)品尚有釬焊后發(fā)生堵、漏等一些弊病。

④感應(yīng)器外購件：現(xiàn)代感應(yīng)器是由幾十個(gè)零件組成的精密工具，其中國產(chǎn)硬質(zhì)合金定位塊的耐磨性指標(biāo)、尺寸精度，與德國產(chǎn)品存在差距，氮化硅件產(chǎn)品耐沖擊性不夠，快換管接頭與法國產(chǎn)品在品種、規(guī)格與制造精度上也有差距。

圖3 感應(yīng)器壽命計(jì)數(shù)器

⑤感應(yīng)器設(shè)計(jì)質(zhì)量：普遍采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)，通過調(diào)試進(jìn)行修改，而國外一些企業(yè)采用計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化，省時(shí)省力，成功快。

⑥感應(yīng)器使用壽命：材料強(qiáng)度、維護(hù)、監(jiān)測等多種因素促使進(jìn)口感應(yīng)器的使用壽命長，以CVJ感應(yīng)器為例，用感應(yīng)器壽命計(jì)數(shù)器（見圖3）測試，其壽命達(dá)到幾十萬次。

（9）淬火機(jī)床國內(nèi)淬火機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造近年來有長足的進(jìn)步，但與國外先進(jìn)企業(yè)比，仍有一定差距。

①制造精度與標(biāo)準(zhǔn)：國內(nèi)淬火機(jī)床還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（指GB或J B），因此，各企業(yè)制造的機(jī)床質(zhì)量與功能，各不相同，使用戶很難進(jìn)行評價(jià)與選擇，JB/T9201—2007鋼鐵件的感應(yīng)淬火回火處理標(biāo)準(zhǔn)中對淬火機(jī)床的精度要求較低，一般淬火機(jī)床均能達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，而德國淬火機(jī)床的制造標(biāo)準(zhǔn)十分具體，對機(jī)械、電氣、安全等均有明確標(biāo)準(zhǔn)。

②自動(dòng)化程度與生產(chǎn)率：國內(nèi)機(jī)床的自動(dòng)化水平還大都停留在半自動(dòng)階段，而有些機(jī)床的生產(chǎn)率很低，甚至低于手工操作，電源負(fù)載系數(shù)低，機(jī)床空載系數(shù)高等。

③機(jī)床安裝調(diào)試時(shí)間長，故障多，耐用性差。

以上三點(diǎn)常是國產(chǎn)設(shè)備競爭力低的主要因素。

3.感應(yīng)熱處理工藝有以下差距

（1）雙頻感應(yīng)淬火 德國、美國、日本等國企業(yè)均已采用此工藝用于齒輪及轉(zhuǎn)向齒條等零件的淬火，國內(nèi)現(xiàn)僅有兩家企業(yè)采用進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，大量機(jī)床、摩托車齒輪仍便用單頻淬火工藝。

（2）低淬透性鋼齒輪等零件感應(yīng)淬火 1970年前后，國內(nèi)曾研制低淬透性鋼55Ti、60Ti、70Ti等新鋼種，并已列入冶標(biāo)（YB），在煤機(jī)齒輪及小拖拉機(jī)齒輪上已進(jìn)行生產(chǎn)應(yīng)用，在二汽十字軸等零件上進(jìn)行生產(chǎn)使用，具有較高經(jīng)濟(jì)效益，后此新鋼種在淬透性指標(biāo)上因出現(xiàn)不穩(wěn)定，鋼廠停止生產(chǎn)，此工藝停用至今，1992年前蘇聯(lián)低淬透性鋼發(fā)明人К.З.ШЕПЕЛЯКОВСКИЙ來中國訪問，并親去重慶鋼廠調(diào)查，認(rèn)為中國鋼廠完全有能力生產(chǎn)低淬鋼，現(xiàn)在俄羅斯低淬鋼有多個(gè)品種，如54ПП、70ПП等，并均已列入ГОСТ標(biāo)準(zhǔn)，低淬鋼齒輪有多個(gè)品種在汽車齒輪上用于生產(chǎn)。

（3）感應(yīng)淬火取代深層滲碳 感應(yīng)淬火零件取代滲碳零件已有許多成功的應(yīng)用，現(xiàn)在國外對冶金設(shè)備上的深層滲碳零件開始應(yīng)用感應(yīng)淬火工藝來取代，見圖4。它的優(yōu)勢仍然是節(jié)能與大幅節(jié)省工藝時(shí)間與生產(chǎn)周期。國內(nèi)現(xiàn)尚未開展此項(xiàng)目，是一差距。

（4）感應(yīng)加熱熔敷 農(nóng)機(jī)零件犁鏵、刀片等其刃部主要技術(shù)要求是耐磨，尺寸精度要求低，國外采用熔敷耐磨材料取得良好效果，這也是國內(nèi)感應(yīng)加熱可開展的項(xiàng)目之一。

（5）新型靜止式曲軸頸感應(yīng)淬火工藝 美國INDUCTOHEAT公司研制的新工藝，稱作Sharp-C工藝，成套裝置已在美國多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是加熱時(shí)間短，每個(gè)軸頸加熱時(shí)間為旋轉(zhuǎn)曲軸頸的40%左右，感應(yīng)器壽命長及整套裝置占地面積小等。

（6）旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)器 被用來對不便于旋轉(zhuǎn)的大型部件進(jìn)行內(nèi)腔硬化處理。這種獲得專利的系統(tǒng)無需采用機(jī)械方式轉(zhuǎn)動(dòng)部件，部件固定不動(dòng)而感應(yīng)器繞Z軸旋轉(zhuǎn)，硬化質(zhì)量和處理速度都大幅度提高。其他優(yōu)點(diǎn)還包括減輕了機(jī)械重量，縮小了占地面積，以及增加了操作安全性。

多軸計(jì)算機(jī)數(shù)控硬化設(shè)備結(jié)合專用雙圓心感應(yīng)器的設(shè)計(jì)，保證了同一個(gè)部件上小直徑和大直徑均得到有效的硬化處理。對于橫截面多變的部件（比如凸輪軸），具有不同直徑的單一感應(yīng)器（雙圓心感應(yīng)器），是一種非常方便的方案。該設(shè)計(jì)改進(jìn)了部件與感應(yīng)器之間的相互關(guān)系，使得單一加熱站/感應(yīng)器就足以處理整個(gè)部件。它的直接優(yōu)點(diǎn)是部件的處理一氣呵成（而非分次進(jìn)行），大大簡化了工藝。另外，由于感應(yīng)器與部件相配套，能耗也顯著降低，而質(zhì)量得到明顯改善。

圖4 冶金設(shè)備零件用感應(yīng)淬火取代深層滲碳

（7）計(jì)算機(jī)模擬感應(yīng)熱處理的研發(fā)、應(yīng)用與普及 國外較先進(jìn)的感應(yīng)加熱公司均已應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬感應(yīng)熱處理工藝及優(yōu)化感應(yīng)器設(shè)計(jì)，國內(nèi)目前少數(shù)公司依賴進(jìn)口軟件進(jìn)行工作，離普及還有很大差距，現(xiàn)在應(yīng)先進(jìn)行普及，同時(shí)自行開發(fā)國產(chǎn)的計(jì)算機(jī)模擬軟件。

（8）節(jié)能工藝的節(jié)能研究 國內(nèi)感應(yīng)加熱工藝應(yīng)用多、研究少，特別是節(jié)能工藝的節(jié)能，美國Ajax Magnethermic公司的N.V.Ross先生曾總結(jié)了感應(yīng)加熱鋼材調(diào)質(zhì)、淬火、回火等多項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)的能耗數(shù)據(jù)，國內(nèi)杭州一公司也曾撰文對比兩條用雙頻感應(yīng)淬火并回火鋼筋的電耗數(shù)據(jù)，兩條生產(chǎn)線的電耗由于電源選擇不當(dāng)?shù)纫蛩?，電耗（kW·h/t），相差近1倍，一個(gè)企業(yè)年產(chǎn)量幾千噸鋼筋，如果能耗相差一倍，每年要多耗能達(dá)幾十萬度。對于不同工藝的能耗應(yīng)規(guī)定相應(yīng)能耗指導(dǎo)性指標(biāo)，將有利于提高節(jié)能工作，并且能影響到節(jié)能變頻電源、機(jī)床與配套件的選用，如高效變頻電源、匹配變壓器等。

（9）微小零件的精密感應(yīng)加熱淬火 鋸條每盤長400m，材料相當(dāng)T10鋼，區(qū)別是含W。鋸條寬度：6～38mm；鋸條厚度：0.4～1.3mm；齒距：3～32TPI（每英寸長度上齒的個(gè)數(shù)）。工藝路線為：整體淬火→回火（硬度380～430HV）→開齒→齒部超高頻淬火（齒溝處不可加熱）→低溫回火。鋸條見圖5，鋸齒超高頻淬火后，齒部需淬硬，而齒溝不能加熱，見圖6。

圖5 規(guī)格16TPI鋸條

圖6 硬化層

目前這種鋼鐵行業(yè)使用的鋸條依靠進(jìn)口，問題主要是卡在了感應(yīng)熱處理上，一是7.12MHz的電源，二是鋸條行走時(shí)的精度控制。國外只有瑞典在生產(chǎn)這樣的設(shè)備，見圖7。

圖7 鋸條感應(yīng)淬火設(shè)備

三、專業(yè)技術(shù)人材培訓(xùn)、圖書期刊出版與學(xué)術(shù)交流

1.專業(yè)人材培訓(xùn)

前蘇聯(lián)在感應(yīng)加熱專業(yè)發(fā)展上是十分重視的，在列寧格勒（現(xiàn)圣彼得堡）建有一個(gè)以沃羅格金命名的高頻電流科學(xué)研究所（ВНИИТВЧ），研究感應(yīng)加熱透熱、淬火、熔煉、裝備設(shè)計(jì)等多個(gè)方面，同一城市還建了一個(gè)列寧格勒電工學(xué)院（現(xiàn)圣彼得堡電工大學(xué)），培養(yǎng)感應(yīng)加熱專業(yè)大學(xué)生，20世紀(jì)60年代，我國曾派8名留學(xué)生在該院培訓(xùn)；在意大利有PADUA大學(xué)、德國有HANOVER大學(xué)等專業(yè)從事感應(yīng)加熱研究的電工系，現(xiàn)在俄羅斯則還有感應(yīng)加熱的專業(yè)期刊（見圖8），每年4期報(bào)道國內(nèi)外感應(yīng)加熱科研發(fā)展及成果。

PADUA大學(xué)每兩年舉辦一次國際性的電磁源加熱學(xué)術(shù)交流會(huì)議（HES），從中得到信息與提高，參加國外課題（前年曾與同濟(jì)大學(xué)有合作課題，更早參與德國同步雙頻研發(fā)）。HANOVER大學(xué)教授Alfred Muhlbauer所著的History of Induction Heating ＆ Melting（見圖9），敘述了感應(yīng)加熱的發(fā)展歷史，從18世紀(jì)的法拉第開始寫到21世紀(jì)的感應(yīng)加熱計(jì)算機(jī)模擬，搜集了世界各國在感應(yīng)加熱的成果，遺憾的是沒有中國成果列入。

圖8 俄羅斯《感應(yīng)加熱》期刊封面

圖9 德國2008年出版的《感應(yīng)加熱和熔煉的歷史》封面

國內(nèi)還沒有一所培養(yǎng)感應(yīng)加熱專業(yè)的大學(xué)的對口院系，過去企業(yè)只能招熱處理專業(yè)、機(jī)制專業(yè)及自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在實(shí)踐中提高培養(yǎng)，國內(nèi)現(xiàn)有一個(gè)研究所 “電力電子應(yīng)用技術(shù)國家工程研究中心”（在杭州，對感應(yīng)加熱電源等研發(fā)有課題。感應(yīng)熱處理技術(shù)委員會(huì)副主任陳輝明博士在該中心工作）。如能在感應(yīng)加熱電源應(yīng)用上，多開發(fā)項(xiàng)目，應(yīng)能對行業(yè)起巨大作用。原來國內(nèi)西安電爐研究所歸口電爐及感應(yīng)加熱電源的研發(fā)及標(biāo)準(zhǔn)等工作，改革開放后，此項(xiàng)工作似乎有變化，形成各企業(yè)自立企標(biāo)，用于本單位設(shè)備制造的格局。

2.期刊及專業(yè)圖書出版

國外專業(yè)的《感應(yīng)加熱》期刊似乎只有俄羅斯一家，國內(nèi)感應(yīng)加熱文章分布在《金屬熱處理》、《金屬加工（熱加工）》、《熱處理》等期刊，從期刊數(shù)量上與國際期刊量差距不甚大，但論文內(nèi)容先進(jìn)程度上看，與發(fā)達(dá)國家比相距有10年以上。

專業(yè)圖書出版上，感應(yīng)加熱圖書在20世紀(jì)的前蘇聯(lián)出版的書較多，美國金屬學(xué)會(huì)（ASM）及國際金屬學(xué)會(huì)（ASMI）曾組織編寫多本感應(yīng)熱處理圖書，如INDUCTION HARDENING AND TEMPERING，Practical Induction Heat Treating等，對廣大感應(yīng)熱處理工作者起到知識(shí)源泉與指導(dǎo)作用，國內(nèi)學(xué)會(huì)應(yīng)吸取此經(jīng)驗(yàn)，組織并鼓勵(lì)學(xué)會(huì)會(huì)員編著相關(guān)書籍。

3.學(xué)術(shù)交流

國際上與感應(yīng)加熱有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議甚多，如前蘇聯(lián)的全國性感應(yīng)加熱會(huì)議，過去我國也派員參加，帶回會(huì)議論文集（感應(yīng)加熱在工業(yè)中的應(yīng)用），后來俄羅斯的APIH-05，APIH-09等會(huì)議，意大利每兩年一次的HES-09，德國舉辦的EPM等會(huì)議均與感應(yīng)加熱有關(guān)，存在的問題是參加人次少，并且與會(huì)人員回國后未能將會(huì)議內(nèi)容傳達(dá)或擴(kuò)散到行業(yè)相關(guān)人士，以發(fā)揮更大作用，如意大利的會(huì)議中有我國東北大學(xué)與上海大學(xué)教授參加，但未見會(huì)議信息。

4.感應(yīng)加熱設(shè)備與熱處理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)在已有上述內(nèi)容的一些GB與JB標(biāo)準(zhǔn)。差距是：標(biāo)準(zhǔn)覆蓋面不夠；有些標(biāo)準(zhǔn)較舊已落后時(shí)代，個(gè)別有錯(cuò)，需要增補(bǔ)、提高與改進(jìn)。

四、感應(yīng)熱處理應(yīng)開展的工藝、設(shè)備與科研項(xiàng)目

綜合前述國內(nèi)狀況與差距，感應(yīng)熱處理的技術(shù)路線應(yīng)從工藝、設(shè)備、科研等多方面進(jìn)行，分述如下。

1.工藝材料技術(shù)類課題（見表2）

表2 工藝材料技術(shù)類課題

2.設(shè)備能耗類課題

感應(yīng)熱處理件的質(zhì)量與電耗與設(shè)備因素關(guān)系最突出，因此，表3的課題是極為迫切與重要的。

3.感應(yīng)淬火件壽命與攻關(guān)項(xiàng)目

有許多感應(yīng)淬火件壽命低的原因是感應(yīng)淬火技術(shù)條件或工藝不正確，還有一些是技術(shù)上達(dá)不到要求，需要攻關(guān)，參見表4。

表3 感應(yīng)熱處理設(shè)備與電耗課題

表4 感應(yīng)淬火件壽命與攻關(guān)

五、感應(yīng)熱處理專業(yè)書籍出版方面

國內(nèi)感應(yīng)熱處理專業(yè)書刊的現(xiàn)狀有如下特點(diǎn)：

（1）理論研究的專著幾乎沒有。

（2）譯著在20世紀(jì)60年代前后較多，絕大部分譯自俄文，80年代有極少的譯著來自英文，21世紀(jì)幾乎未見，與版權(quán)購買等有關(guān)。

（3）實(shí)踐及工業(yè)應(yīng)用的專著較多，對企業(yè)技術(shù)人員及工人學(xué)習(xí)并提高本專業(yè)技術(shù)，起到一定的入門與促進(jìn)作用。

（4）期刊上的文章與專業(yè)委員會(huì)上交流的論文，只有一小部分專業(yè)技術(shù)人員讀到，普及性不夠。最近金屬熱處理期刊匯編了“金屬熱處理經(jīng)典工藝集粹”是一件好事，感應(yīng)熱處理歷屆年會(huì)也有一些好文章，建議匯編為“感應(yīng)加熱精選論文集”以供年輕一代新人參考。

（5）外文專著在國內(nèi)一流圖書館不易找到，外文期刊閱讀的更少，因此，與國際水平接軌還有巨大阻力。（20131211）