特邀專家：朱會文

感應(yīng)熱處理的應(yīng)用與滲碳

特邀專家：朱會文

2015年第一期我刊做了感應(yīng)熱處理代替滲碳件專題，邀請了感應(yīng)加熱行業(yè)專家沈慶通、趙俊平、陳國民、萬美華、楊帆和潘曉松分享了他們的觀點與實用案例。本期繼續(xù)推出特邀專家朱會文的觀點，以及閆滿剛在實踐中從工藝的角度來談如何大幅提高感應(yīng)淬火工藝可靠性的觀點，內(nèi)容精彩。

能源短缺和環(huán)境污染是當(dāng)今人類面臨的兩大問題。為此，如何降低能耗、減少污染物排放，近年來已成為我國熱處理行業(yè)關(guān)注的熱點，它也是關(guān)系到我國裝備制造業(yè)能否持續(xù)發(fā)展的大問題。

在眾多熱處理工藝中，感應(yīng)熱處理從誕生到現(xiàn)在雖然不足百年，但因其能耗低、污染少，被冠以“綠色熱處理”。

兩種工藝的比較

感應(yīng)熱處理在低能耗和少污染兩方面都遠優(yōu)于另一種表面層強化工藝——傳統(tǒng)的滲碳。真空低壓滲碳工藝的出現(xiàn)，雖然比可控氣氛滲碳縮短了工藝周期，省去了后清洗工序，減少了污染物的排放，但它的能耗居高不下依然是個不爭的事實。因此，在表面層強化工藝領(lǐng)域，感應(yīng)熱處理替代滲碳熱處理的研究一直沒有停止過；除了以上的能源和環(huán)境因素外，設(shè)備投入費用也是推動感應(yīng)熱處理替代滲碳熱處理研究的另一個重要因素。

以中小模數(shù)齒輪為例，選用中碳鋼或中碳低合金鋼制造，使用國際上先進的同步雙頻感應(yīng)加熱設(shè)備進行仿形感應(yīng)淬火，其設(shè)備價格約為800萬元；而選用低碳鋼或低碳合金鋼制造，使用國際上先進的臥式雙室真空低壓滲碳爐進行滲碳淬火，其設(shè)備價格約為2000萬元。同樣以中小模數(shù)齒輪為例，使用國內(nèi)生產(chǎn)的晶體管感應(yīng)加熱電源、數(shù)控淬火機床與冷卻系統(tǒng)組成的成套裝置進行感應(yīng)淬火，其設(shè)備價格在100萬元上下；而使用可控氣氛滲碳爐成套裝置進行滲碳淬火，其設(shè)備價格約為200萬元。

對表面層需要獲得足夠高的硬度、耐磨性，而心部仍要保持良好的強度和韌性的齒輪類工件進行熱處理時，可以在滲碳熱處理與感應(yīng)熱處理這兩種工藝中進行選擇。

經(jīng)同步雙頻感應(yīng)淬火（SDF）的齒輪，其表面硬度、有效硬化層深度可以做到與滲碳淬火一致，而在增加齒底表面殘余壓應(yīng)力、提高疲勞強度及減少齒形齒向變形方面都優(yōu)于滲碳淬火；感應(yīng)淬火還可以實現(xiàn)在線生產(chǎn)，大大降低物流成本。

分析比較兩種技術(shù)方案的經(jīng)濟價值與社會價值，技術(shù)方案的天平無疑會向感應(yīng)熱處理傾斜。

國外感應(yīng)熱處理代替滲碳實例

從國內(nèi)外機械制造業(yè)的感應(yīng)熱處理應(yīng)用技術(shù)及發(fā)展趨勢看，感應(yīng)熱處理越來越多地應(yīng)用于目前由滲碳和其他化學(xué)處理占主導(dǎo)地位的熱處理領(lǐng)域。

20世紀80年代，日本電氣興業(yè)公司在日立制作所和小松制作所將感應(yīng)加熱用于工程機械齒輪淬火，成功取代了滲碳淬火。

日本高周波熱煉株式會社推出改變功率密度的沖擊式淬火（SRIQ）方法，應(yīng)用于汽車變速器齒輪等小型齒輪、柴油機和建筑機械用的中型連桿齒輪，獲得沿齒廓的淬硬層，成功取代了滲碳淬火。

德國Eldec公司介紹，“對于控制成本，以及安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，航空工程是要求最高的。美國的波音公司正是基于對產(chǎn)品品質(zhì)的要求和對環(huán)境保護的堅持,其所用的部分齒輪如直齒錐齒輪選擇使用同步雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)（SDF）代替原滲碳淬火工藝”。

除了已經(jīng)提及的齒輪感應(yīng)淬火，美國密執(zhí)安州奧本山感應(yīng)技術(shù)中心的涅姆科夫·瓦倫丁博士給我們舉了用于重型冶金設(shè)備的大工件局部硬化的例子, 過去采用長時間滲碳方法以保證工件的內(nèi)孔表面獲得≥4mm的硬化層，為避免內(nèi)孔以外的表面硬化必須進行防滲處理，滲碳淬火后為糾正熱處理變形，還需深度磨削。而感應(yīng)淬火，可以使用便宜的鋼材，可以選擇性地對內(nèi)孔進行硬化處理，不但大大降低熱處理時間和能耗，還減小工件的畸變，從而不必進行昂貴而費力的深磨削。

國內(nèi)感應(yīng)熱處理替代滲碳實例

多年來，國內(nèi)企業(yè)也積極進行擴大感應(yīng)淬火領(lǐng)域的研究。

戚墅堰機車工藝研究所開展大功率電力機車彈性牽引從動齒輪50CrMoA全齒廓感應(yīng)淬火代替滲碳淬火工藝的研究，取得了既滿足使用要求，又簡化了工序、節(jié)省能源、降低生產(chǎn)成本的滿意效果。

重慶齒輪箱有限責(zé)任公司采用感應(yīng)淬火解決了大型齒輪滲碳淬火變形大、生產(chǎn)成本高和生產(chǎn)周期太長的問題。

東風(fēng)汽車公司已經(jīng)在一些變速器齒輪上實現(xiàn)感應(yīng)淬火，用價格便宜的中碳合金鋼替代價格高的滲碳齒輪鋼，取得了良好的經(jīng)濟效益。

上海采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司是國內(nèi)規(guī)模最大、市場占有率最高的轉(zhuǎn)向機生產(chǎn)企業(yè)，其生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向齒條的預(yù)處理原來采用可控氣氛多用爐進行調(diào)質(zhì)，出于節(jié)能與環(huán)保的考慮，要求為其協(xié)作的上海華淵熱處理有限公司改用感應(yīng)淬火加感應(yīng)回火進行處理，據(jù)統(tǒng)計，僅能耗就降低了35%。

上海尤順汽車部件有限公司生產(chǎn)的柴油發(fā)動機搖臂，原來采用氮碳共滲處理，2014年起已改用感應(yīng)淬火工藝，實現(xiàn)了在線清潔生產(chǎn)。

可以預(yù)見，伴隨感應(yīng)加熱裝置及工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域會不斷擴大。但是感應(yīng)熱處理不可能完全替代滲碳，一是因為滲碳裝置及工藝也在創(chuàng)新與發(fā)展；二是因為對于一些工件的感應(yīng)熱處理還無法達到滲碳的效果，如：對于形狀復(fù)雜的工件與厚度變化較大的工件，感應(yīng)淬火的硬化層無法做到如滲碳淬火那樣的基本仿形；感應(yīng)淬火的工裝費用較高，需根據(jù)工件感應(yīng)淬火部位的不同形狀設(shè)計制造不同的感應(yīng)器，一些特殊零件還需要設(shè)計制造專用的定位夾具，不像化學(xué)熱處理那樣在技術(shù)要求與材料基本相同的情況下，不受形狀與尺寸的限制可以多種工件同爐處理；感應(yīng)熱處理對于大批量單一品種的工件才能體現(xiàn)出其效率，但需要為其設(shè)計制造專用的淬火機床；對于小于12mm的內(nèi)孔尚無法進行感應(yīng)淬火，對于模數(shù)大于6的齒輪目前也尚無法采用同步雙頻感應(yīng)淬火進行處理。

因此，在表面層強化工藝領(lǐng)域，感應(yīng)熱處理與滲碳等化學(xué)熱處理互為補充的狀況將會長期存在。

20141230