感应热处理：高效、清洁、节能的热处理工艺

尽管渗碳淬火工艺在获得硬化层的均匀分布及淬火质量的稳定性、可靠性方面有着无可比拟的优势，但在实际的生产过程中却存在生产周期长、热处理变形大、机加工困难、清洁性差、耗能大等缺点。感应加热淬火技术克服了渗碳淬火的这些缺点。作为一种清洁、节能的热处理工艺，感应热处理以高效、节能、清洁、灵活性等优势广泛应用于汽车工业、工程机械、石油化工等行业，近40％的汽车零部件可采用感应热处理，如曲轴、齿轮、万向节、半轴等。

1.电源

国外IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管）和SIT（StaticSIT Induction Transistor，静态感应晶体管）等全固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz；30～600kW、50～100kHz；300kW、80kHz；低频段有取代晶闸管电源趋势；MOSFET多采用并联振荡电路，SIT多采用串联谐振电路，功率高达1000kW、频率200kHz和400kW、400kHz。它们都是电子管式高频电源的理想替代产品。当输出功率与电子管电源相同时，节电35％～40％，节省安装面积50％，节约冷却水40％～50％。随着科技的进步，在高频感应淬火领域，MOSFET有望取代SIT。

在我国，随着感应加热技术的发展，经历了机械式中频发电机组和真空管式高频电源、晶闸管中频电源及全晶体管电源三个发展阶段。在20世纪80年代后期，在工业发达国家，晶闸管中频电源已完全取代了中频发电机组，我国自20世纪90年代中期也已逐步取代。

同机械式中频发电机组相比，晶闸管（SCR）中频电源具有以下优点：体积小、重量轻、材料消耗少；电效率高，逆变停止时几乎不消耗电能，逆变效率可达90％以上；无机械运动、噪声小、运行可靠、负载匹配容易，可以根据负载情况确定电源的频率；起动停止方便，频率能自动跟踪以保持最佳运行状态；产品设计简单、制造周期短；安装容易，不需要特殊的基础，维修方便等。

我国的晶闸管中频电源的共同特点是全集成化控制，线路数字化程度高于90％，起动成功率几乎达到100％，除具有常规的水压不足、快熔熔断、过电流、过电压等保护功能外，还具有限电流、限电压等保护功能，功能较齐全的晶闸管电源还配置逆变失败、水温监视等可选功能，其频率最高可以做到8kHz，额定功率可以做到1000kW左右，如果在装配工艺上再进一步改进的话，可以接近世界先进水平。

随着技术的进步，跟踪20世纪80年代国际感应加热技术水平，我国于90年代中期开发出第一台电效率较高的50kW／50kHz IGBT电流型超声频感应加热电源。目前可做到频率0.4～50kHz、最大功率可达到800kW，频率达到100kHz时功率达到100kW。

IGBT应用同期，我国还成功研制出20kW／300kHz MOSFET高频电源，缩小了同国际先进水平的差距，随着大功率MOSFET器件的问世，大功率的晶体管高频电源已在感应淬火中应用。

2.淬火机床

感应淬火机床更加趋向自动化，CNC控制逐渐增多，自动分拣零件与自动识别进机零件功能的机床增多。为了适应多品种的批量生产，我国引进的感应淬火机床种类由传统的专用设备逐步向柔性化程度较高的通用设备和专用淬火自动生产线发展。

（1）通用淬火机床 通用淬火机床朝柔性化方向发展，一台淬火机床可以对不同性能要求的不同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，其法兰件感应淬火柔性加工系统，略加调整能处理不同尺寸的相似工件；对于轴类零件在一定直径范围内（如30mm），长度300～800mm范围内，对于相似淬火要求的轴类零件，淬火机能自动编制14种程序，自动识别进机零件；Robotron.Eiotherm最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需2～5min，用计算机编程，根据工件号在2min内就可调出有关工艺数据；中国第一汽车集团公司引进的GH公司数控淬火设备通用性强、自动化程度高，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。中国第一汽车集团公司技术中心自主开发的卧式数控淬火机床，主驱动采用交流伺服电动机，移动速度稳定均匀、定位准确、重复精度高；零件旋转采用变频调速，能适应多方面工艺要求；采用数控技术对不同性能要求的不同零件感应加热淬火，甚至在同一零件上实现多段变功变速，编程容易，可操作性强。(www.xing528.com)

（2）专用淬火机床 专用淬火机床采用机械手上下零件，加热、淬火、回火、校直、检查完全自动进行。先进的计算机控制技术可以监控淬火过程和工艺参数，跟踪全部操作过程，如发现故障或工艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动作。更先进的控制系统还可根据材料化学成分的波动，自动调整比功率或加热时间，以保证感应淬火零件的质量。例如日本高周波热炼株式会社川崎工厂的卧式半轴淬火机床，日产柴油汽车上尾工厂可同时淬三根半轴，富士群马工厂可同时淬两根半轴，机床实际上是感应热处理生产线，全过程除校直、荧光探伤需一名工人外，其余全部自动进行。东风汽车公司和天舒机电科技有限公司经过多年努力，攻克一个个难关，采用功率脉冲分配技术、尾座自由顶尖技术、薄型淬火变压器技术、独立悬挂技术、悬挂平衡技术等分别研制成功曲轴全自动淬火机床，与电源、水冷系统组成成套淬火设备，可对车用内燃机曲轴进行各轴径的圆角＋轴径淬火、轴径淬火自回火，采用计算机控制，通过显示屏对设备的加热、淬火工艺参数，如电压、电流、频率、时间、压力、流量、温度等进行监控和显示，目前国内多家企业采用该设备。

（3）机电一体化 将电源、淬火机床、冷却系统组成成套装置，具有占地面积小、生产效率高、一次安装调试容易等优点。国外最近问世的曲轴固定加热淬火装置占地面积仅为组合式成套装置的1／4。

（4）其他器件及冷却系统 在气动式和接触器式功率切换器、电热电容器、淬火变压器、动作顺序控制及显示、变压器三维移动快换接头等方面，我国也取得了很多技术进步，使淬火技术和工艺水平不断提高。对于冷却和淬火水循环装置，在消化理解国际感应加热成套设备用水冷系统最新技术基础上，我国自行研制成功适合我国国情的新型、高效、价廉的软水冷却机和水-水冷却机，换热效率高，大大提高了加热设备的可靠性，延长了设备的使用寿命。

3.感应淬火工艺

（1）静止式曲轴感应淬火 采用静止式曲轴感应淬火新技术的最初的两台装置，在福特公司V6和V8曲轴淬火和回火工艺中得以应用，表现出了良好的市场前景。其特点是：加热时间短，一般仅为1.5～4s，传统工艺是7～12s；电效率高、成本低；感应器与工件之间允许有较大间隙，调整方便；操作简单、重复性好、易于维护；占地面积小，仅为原来的20％左右。

（2）低淬透性钢齿轮淬火 现在俄罗斯许多汽车工厂广泛采用低淬透性钢进行整体感应加热表面淬火，已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧、铁路螺旋弹簧等，取得了较大的经济效益。

（3）双频感应加热淬火20世纪90年代，美国用10kHz中频和150kHz高频电源，先让齿轮在中频感应器中加热，然后迅速移到高频感应器中加热，最后落入油中淬火。进入21世纪，此工艺又有新进展，如GH公司采用电力电子开关转换频率，使齿轮的齿顶和齿根的加热更加均匀，更好地保证了齿轮的淬火质量。

我国采用感应淬火的零件的种类和品种不断增加。目前我国汽车零件感应淬火用材料包括：45钢、40Cr钢、55MnVS钢、40MnB钢、42CrMo钢、35钢、ZG45铸钢、球墨铸铁、合金铸铁等。所采用的加热方式及应用主要包括：横向磁场静止一次加热淬火（销轴类零件、凸轮轴）；横向磁场连续加热淬火（减振器杆、变速叉轴、扭杆等）；横向磁场多段连续加热淬火（起动机轴、空压机轴等）；纵向磁场整体一次加热淬火（半轴等）；仿形感应器零件旋转加热淬火（球头销）；感应接触加热淬火（转向齿条）；内孔的一次及连续加热淬火（输出法兰、钟形壳内腔）；阶梯轴类零件的旋转加热淬火（小红旗后轮毂轴、转向器）；平面类零件的一次及连续加热淬火（钢板弹簧横向限位板）；薄壁类复杂零件一次及连续加热淬火（前轮毂、滑动轴叉）；复杂形状零件的一次加热淬火（钟形壳变截面轴）；槽口一次淬火（变速叉）；复杂回线旋转工件一次加热淬火（曲轴）等。

总体来说，和工业发达国家相比，我国的数控及全自动淬火机床开发属起步阶段。在自动化水平上，国内设备大部分是人工上下料，自动化程度较低；能量监控虽有应用，但技术还不够成熟；FUNAC、SIMENS伺服系统有所应用，但多为点位直线运动，属简易型，多轴连动类型的数控系统尚未得到应用。另外，计算机控制技术在感应加热淬火中应用远不如国外那样成熟，例如自动识别进机零件、不合格零件自动剔除，工艺参数跟踪及偏离给定值修正等。在感应器制造技术、感应器快换、导磁体材料与利用、冷却水循环系统、淬火介质研究与应用等方面也有相当大的差距。鉴于这些差距，我国应积极行动，建立严格的引进消化政策，避免重复引进，限期淘汰耗能严重的电源，集中力量开发短缺部件，提高淬火机床配套质量等，使感应加热技术迅速赶上世界先进水平。