工艺规范：淬硬层深度的选择和高频感应加热对轴类工件的影响

（1）淬火加热温度　通常淬火加热温度根据工件的材质、原始组织、相变点以上的加热速度来确定。

工件感应加热时，由于加热速度快，临界温度显著升高，因而淬火加热温度也随之升高。亚共析钢的淬火加热温度为Ac₃以上80～150℃。

表3-1为一些常用钢材表面淬火时的加热温度（喷水冷却）。

表3-1 常用钢材表面淬火时的加热温度（喷水冷却）

（续）

注：1.预备热处理为调质时，淬火加热温度宜选用下限。

2.预备热处理为退火时，淬火加热温度宜选用上限。

3.当选用较小的比功率（工件单位面积上的电功率，kW／cm²）时，其淬火加热温度宜选用下限；反之，当选用较大的比功率时，则应选用上限。

4.工件尺寸较小时，宜选用下限淬火加热温度；尺寸较大时，则应选用上限。

5.工件形状复杂时，宜选用下限淬火加热温度；形状简单的，则可选择上限。

（2）加热时间　工件感应加热的加热时间与加热温度、加热速度、工件直径和所要求的淬硬层深度等多种因素有关。当选定工件的淬硬层深度时，可通过改变电参数，选用不同的比功率来改变加热时间。一般，淬硬层深度越大，所选的比功率越小，加热时间就越长；反之，加热时间就越短。

此外，如果设备功率较小，工件直径较大或模数较大的齿轮，要求硬化层较深或为使齿根硬化时，当比功率达不到要求，也可采用预热或延长加热时间的办法。

在连续加热淬火时，还可通过改变工件与感应器的相对移动速度来改变加热时间。

工件连续加热淬火时的加热时间，可按下式计算：

τ＝h/v

式中 v———工件与感应器的相对移动速度（mm／s）；

h———感应器的高度（mm）；

τ———连续加热所需的时间（s）。

工件与感应器的相对移动速度一般为2～9mm／s。

表3-2是设备频率为250kHz时圆柱外表面加热根据淬硬层深度选择的加热时间与比功率。

表3-2 设备频率为250kHz时圆柱外表面加热根据淬硬层深度选择的加热时间与比功率

齿轮加热时间可按下式计算：

T＝Q₀/P₀

式中 T———加热时间（s）；

Q₀———单位电能量［（kW·s）／cm²］；

P₀———单位电功率（即比功率），kW／cm²。

模数2～3.5mm齿轮感应加热时的表面积与比功率、单位电能量之间的关系可参见表3-3。

表3-3 模数2～3.5mm齿轮感应加热时的表面积与比功率、单位电能量之间的关系

注：A为表面积，P₀为比功率，Q₀为单位电能量。

齿轮表面积A可按下式计算：

式中 A———加热表面积（cm²）；

D_节———齿轮节圆直径（cm）；

B———齿轮宽度（cm）。

频率为200～300kHz高频加热时，不同模数齿轮达到近似仿形硬化时的比功率和单位电能量可参见表3-4。

表3-4 频率为200～300kHz高频加热时，不同模数齿轮达到近似仿形硬化的比功率和单位电能量

从节能角度与工件淬硬层过渡区不宜太长角度出发，感应淬火工件的加热时间最好不要超过10s，最长也不要超过15s（特殊情况例外）。

（3）频率及比功率的选定 电流频率是感应加热的主要电参数，需根据要求的淬硬层深度来确定。工件表面的淬硬层深度取决于工件的服役条件。

对于以磨损为主要失效原因的工件，当为滑动磨损且负荷较小时，其淬硬层深度一般为1～2mm；如果负荷较大或承受冲击载荷时，其淬硬层深度在2.0～6.5mm之间。

对于工件以疲劳为主要失效原因时，如果工件承受的是弯曲或扭转负荷时，其淬硬层深度一般为2.0～12mm，此时，中、小型轴类可取半径的10％～20％，直径小于40mm时，取下限，过渡层为淬硬层的25％～30％。

通常，工件淬硬层深度在1～3.5mm时，以采用频率大于20kHz的高频及超声频为宜，大于4mm则应采用1000～10000Hz的中频感应加热。

表3-5为不同模数齿轮全齿同时淬火时的最佳频率。

表3-5 不同模数齿轮全齿同时淬火时的最佳频率

一般认为，高频及超声频适宜模数在5mm以下齿轮淬火。其中，模数在1～2.5mm时适宜高频淬火，模数在3～5mm时适宜超声频淬火。模数6mm以上齿轮可采用高频单齿淬火。

为了提高生产率，通常要求感应加热的热透入深度大于淬硬层深度，即全部采用电磁感应加热，而不用传导加热。为了获得较大的残留压应力，一般要求过渡层厚度小于硬化层的1／4，此时，选取的热透入深度为淬硬层深度的两倍。当加热层深度为热态电流透入深度的40％～50％时，加热的总效率最高。表3-6为电流频率与热透入深度的关系。

表3-6 电流频率与热透入深度的关系

电流频率确定以后，感应加热速度取决于工件被加热面积上的比功率（kW／cm²）。通常应按频率和要求的加热深度选择合理的比功率。淬硬层深度越大，比功率越小；工件淬火面积较小、形状简单、要求的淬硬层较深、原始组织较细的中碳或中碳合金钢，可选择较高的比功率。

轴类工件高频感应加热时，当要求淬硬层深度为0.4～1.1mm时，其比功率在1.1～1.9kW／cm²（最佳为1.6kW／cm²）范围内；当要求淬硬层深度为1.1～2.3mm时，其比功率在0.5～1.2kW／cm²（最佳为0.8kW／cm²）范围内。

齿轮全齿采用高频同时加热淬火时，如果在齿顶不过热的前提下获得一定的淬硬层，则齿轮模数越大，所用的比功率越小。表3-7为齿轮全齿同时加热时的比功率。

表3-7 齿轮全齿同时加热时的比功率(www.xing528.com)

比功率确定以后，感应加热设备的额定功率可由下式算出：

式中 P_设———设备输出的额定功率（kW）；

P_加———工件加热所需的功率（kW）；

η_总———设备的总效率（与感应器、淬火变压器等有关），对于高频设备，约为0.4～0.5；

P₀———比功率（kW／cm²）；

A———工件加热表面积（cm²）。

在生产中对于频率为200～300kHz的高频设备，当设备额定输出功率为60kW时，采用同时加热法，工件加热的最大面积为55cm²（按比功率1.1kW／cm²计算）；连续加热法，则为28cm²（按比功率2.2kW／cm²计算）；当设备额定输出功率为100kW时，采用同时加热法，工件加热的最大面积为90cm²（按比功率为1.1kW／cm计算），连续加热法，则为45cm²（按比功率为2.2kW／cm²计算）。

如果设备功率不足，可降低比功率，延长加热时间。

（4）调整电参数　根据所需感应加热设备的额定功率，通过调节设备的有关控制装置，分配电压、电流等电参数。

高频、超声频电源的电参数主要是阳极电压、阳极电流、栅极电流和阳流与栅流的比值等。

以真空管式高频电源为例。三相交流电源（电源电压为380V，其波动范围在370～440V）经三相交流调压器的调压供给阳极变压器，再经三相高压硅堆整流输出直流高压给真空管高频振荡器，产生高频电流供给工件加热。

输出功率的大小通常采用以下两种方法来调整：

1）调整真空管阳极电压的大小来改变输出功率。阳极电压的调整是依靠改变三相交流调压器的调节角α来实现的。α角的改变使调压器输出的三相交流电压的有效值改变，从而改变阳极变压器高压端的输出电压，进而改变真空管阳极电压大小。

通常是先输入高压，用半波或较低阳极电压进行调谐。有三种状态需注意：欠电压、谐振及过电压。当阳流大而栅流小，即阳流／栅流的比值特大，则回路功率减小，此时振荡管阳极损耗特大，为欠电压状态，为调整中不采用的；如果振荡管栅流大，阳流／栅流的比值过小，虽然振荡管效率并不低，但功率消耗在栅极电路内，且振荡管栅极过热，也使输出功率降低为过压状态，也是调整所不希望的；合适的状态应为临界或轻微过压状态，此时阳流／栅流的比值处于表3-8中所列数据，振荡器的效率最高，输出功率大，这是我们希望调整到的。

表3-8 振荡管阳流与栅流的额定值与比值

2）当阳极电压一定时，通过调节耦合与反馈手轮来达到匹配调节。耦合手轮增大刻度，阳流增加，回路电压也增高，此时振荡部分的输入与输出均增加。当增大耦合，阳流继续增大而回路电压不再增大时，表示输入在增加而输出不再增加，说明刚调过了最佳点；反馈手轮增大，能使栅流增大，振荡器处于最佳工作状态时，阳流／栅流的比值可达到一个合适值，即已调到匹配状态，此时处于谐振或弱过压状态，有高功率输出。如果不需要满功率输出，可以将阳极电压调到所需要的功率值。表3-9为转动反馈和耦合手轮时阳极和栅极电流的变化。

表3-9 转动反馈和耦合手轮时阳极和栅极电流的变化

如减小反馈、耦合和阳极电压时，则阳极电流和栅极电流变化方向相反。

真空管高频一般有三种振荡电路：即三回路振荡电路、单回路振荡电路以及双频振荡电路。

老式的真空管高频感应加热电源GP100-C3为典型的三回路振荡电源，一般需通过调节“耦合”与“反馈”来实现。

单回路振荡电路，由于输出效率较高，没有耦合环节，故只需通过调节“反馈”来实现。

对于既有高频又有超声频的电源，其振荡电路实际上是由两个独立的单回路振荡电路组成，一般是靠位置切换来实现高频或超声频振荡的。

在生产中，一般是采用上述两种方法进行综合调节的。由于真空管的阳极效率只有70％左右，而输出效率也只在40％～45％范围，为此，实际感应加热时，负载实际能吸收的功率将大打折扣。

（5）淬火方法 常用的淬火方法有喷液冷却及浸液冷却。其应用范围大致如下：

1）形状简单的工件。常采用喷水冷却。

2）低合金钢或形状复杂的碳钢工件，可采用聚合物水溶液（聚乙烯醇、聚烯烃乙二醇、聚丙烯胺等水溶液）或乳化液等进行喷射冷却。

3）形状复杂的合金钢工件，可采用浸油冷却或喷射冷却。

（6）淬火介质及冷却时间　常用淬火介质种类及应用范围见表3-10。

表3-10 常用淬火介质种类及应用范围

注：表中百分数（浓度）均为质量分数。

冷却时间的掌握：

1）同时加热到温后，应在空气中停留一短暂时间（一般1～2s）进行适当的预冷后，再进行喷冷及浸淬淬火。

2）一般件淬火时，不得在水中冷却到底。需在表面温度冷至100～150℃时，取出空冷。并可利用工件内部残留的热量自回火，以代替210～240℃的回火炉。

3）合金钢件水淬时的出水温度应在150～200℃。

4）连续淬火时，可通过调整感应器与工件的相对移动速度、间隙、喷水孔与工件轴向夹角来改变工件的预冷时间。单独设置喷水圈时，改变它与感应器的距离，就可以达到预期的预冷时间。

（7）操作注意事项

1）应有专人负责感应加热设备的操作，操作时应有二人同时在场。

2）严格按照设备的安全操作规程进行启动、操作、控制及停机。

3）按照操作规程，设备冷却水接通后即可进行灯丝预热，接通真空管一级灯丝电压后，要停30～60s，再接通二级灯丝电压。对于初次使用或停机两周以上的真空管需要加半压预热10～15min，全压接通30min后才能给高压。

4）感应器牢固装夹在设备输出端夹板上后，即可接通淬火冷却水。感应器的出水温度应低于60℃。

5）工件装夹在淬火机床后，应检查工件与感应器的间隙是否合适，并调节好淬火机床的转速和工件的移动速度。调试符合要求后，方得开始试淬，试淬件经检查合格后，方可投入批量生产。

6）严禁空载送电。

7）工件在加热过程中，要随时注意观察电压、电流的指示是否正常，如出现异常情况，应立即按急停按钮，以切断高频电源，停机检查。

8）操作过程中应经常检查设备冷却水的工作状况（压力、温度、流量等），设备供水水压应达到0.12～0.2MPa，冷却水的温度不得低于车间内空气露点温度。振荡器和变压器组的出水温度不得高于55℃。阳极回路与电容器组出水温度不得高于35℃，水温过高时，应停止淬火加热。

9）在操作过程中，应经常检查淬火介质的温度是否在允许温度范围内。

10）操作过程中，应随时观察感应器的连接接头有无变形，冷却是否良好。严禁加热时工件与感应器接触，以免造成短路，烧伤工件。

11）停机步骤与开机相反，其次序为先停振荡器，高压降至半波整流状态，停高压，停灯丝预热，切断总开关，停淬火水泵，灯丝预热停止15～20min后，再停设备冷却水。

12）淬火过程必须对工件施行首件检查及中间抽查。

13）工件淬火后的硬度应不小于规定值的下限＋3HRC。

14）工件淬火后应及时安排回火（其间隔一般不得超过4h）。