感应热处理-mm

感应热处理一、感应加热原理1.1、感应加热物理基础：将金属导体放在通有交变电流的线圈中，根据电磁感应原理，在交变磁场的作用下，会在导体中产生与线圈中电流的方向相反、大小相等、频率相同的感应电流(涡流），利用在该导体中产生的感应电流使其加热的方法称之为“感应加热”。1.2、感应加热的物理现象：以下4种1.2.1、集肤效应：也称趋肤效应或表面效应，当直流电通过一导体时，导体截面上各点的电流密度是均匀的。当交流电通过导体时，导体表面处的电流密度较大，导体内部的电流密度较小。当高频率电流通过导体时，导体截面上的电流密度差更加增大，电流主要集中在导体表面，这种现象称为集肤效应1.2.2、邻近现象：两邻近导体，如两汇流排或感应器的有效加热导线与被感应加热的零件，在有交变电流通过的情况下，由于电流磁场的相互作用，导体上的电流将重新分布，这种现象称之为邻近效应。同向电流主要集中在两相邻导体的外侧；反向电流主要集中在两相邻导体的内侧。两导体离的越近，效果越明显。1.2.3、圆环效应：圆环形的导体通入交变电流时，最大电流密度分布在环状导体的内侧，这种现象叫做圆环效应。圆环效应使感应器的电流密集到圆环感应的内侧，对于加热零件的外表面有利。但对加热零件内孔时，该效应使感应器中的电流远离加热零件的内表面，对内孔加热十分不利。1.2.4、导磁体的槽口效应：一根矩形截面的导体，装上由硅钢片叠成的导磁体体的槽口中，当导体通有交变电流时，电流集中在导磁体开口的导体表面，这一现象称之为导磁体的槽口效应。导磁体的槽口越深，电流的频率越高，则导磁体的槽口效应越强烈。利用该效应可以克服导体的圆环效应将电流驱逐到圆环导体的外表面，在加热内孔和平面类零件时，强化了邻近效应，以提高感应器的加热效率。1.3、电流透入深度：由于集肤效应的作用，导体或零件中的电流分布是不均匀的。工程上规定，从表面电流最大值处（I0）测到1/eI0处的深度为电流的透入深度。钢在居里点（770℃）以下的电流透入深度称为冷透入深度，在居里点以上的电流透入深度称为热透入深度。1.4、加热方式：以下2种1.4.1、透入式加热：零件在加热时，电流的热透入深度大于淬硬层深度，淬硬层得到的热能全部由涡流产生，整个层中的温度基本上是均匀的。该方式适用于设备的频率和功率较高，而淬硬层深度要求较浅的零件。1.4.2、传导式加热：零件加热在时，电流的热透入深度小于淬硬层深度，淬硬层得到的热能只能在热透入深度内由涡流产生，超出这一层的金属，其温度的提高完全依靠表层的热量通过热传导的方式实现。该方式适用于设备的功率较低，而淬硬层深度要求较深的零件；二、感应加热应用利用感应加热方式实现的热处理过程称为感应热处理。根据不同的用途可以进行工件的局部或整体的感应淬火、退火、正火、回火及调质处理。用途：在现代汽车制造技术中，感应加热还用于熔炼、钎焊、毛坯加热（透热）、热装配、金属件粘结后的固化、涂料的干燥等多种领域。2.1、锻造毛坯透热主要用于各种汽车零件（如曲轴、连杆、钢板弹簧、冲焊桥壳、各种齿轮等零件）的锻造毛坯的透热。优点是加热效率高、温度控制精度高、毛坯的温度均匀性好、设备占地面积小、节能、可改善工作环境。2.2、铝镁合金半固态铸造有色金属的半固态成型技术是将金属加热到固液混合状态，利用高压将熔融金属射入型腔内，通过铸造或压力加工的方式成型的技术。在该工艺中广泛采用感应加热技术，其优点是加热速度快、节能高效、零件成型后的成分和组织均匀性好、机械性能好，且工艺设备符合环保要求。在汽车制造技术先进的公司用于铝合金及铝镁合金的零件成型。2.3、热处理为了提高汽车零件的疲劳性能及耐磨性感应淬火技术得到了广泛的应用，典型零件有曲轴、半轴、凸轮轴、贯通轴、变速叉、变速叉轴、导块、摇臂、摇臂轴、转向齿条、花键轴叉、输出突缘、轴头、球头销、转向节等零件；汽车零件的局部感应退火可以改善渗碳零件的机械性能，主要是降低零件的脆性、提高韧性，在主动齿轮——减速器的螺纹退火中应用较多，取代了传统的铅炉加热，改善工作环境，符合环保要求。2.4、铸造熔炼主要用于钢铁材料及有色金属（铝合金、黄铜等合金压铸件）的熔炼、保温。优点是加热速度快生产率高、温度均匀性好、设备投资少、液态金属的成分均匀性好,可以提高铸件的质量。2.5、汽车零件粘接后感应加热固化在使用热硬性粘接剂将汽车零件（金属与金属、金属与橡胶、金属与玻璃等）粘接后需要通过加热使粘接剂固化。优点：没有焊点，不破坏防锈层，粘接剂在起到密封的同时还可以减小振动。采用感应加热技术可实现局部加热，具有节能、高效、零件的变形小、质量稳定的特点。用于：在汽车制造技术先进的公司得到广泛的应用，一汽——大众现生产的车型中捷达、保来、凯迪已有20套该设备在用，主要用于车门、行李箱盖及发动机盖的粘接后的固化处理，并与自动生产线相连。以上设备全部是引进技术，目前国内尚未开展该项技术的研究。2.6、焊管2.7、感应加热钎焊主要用于各种汽车零件的钎焊（如钢铁材料与钢铁较少材料、钢铁材料与铜材、铜材与铜材）的钎焊。优点是加热速度快、温度均匀性好、可实现局部加热零件的热影响区小、易于实现自动化与生产线相连。2.8、铝缸体铸铁缸套感应预热利用感应加热方法对铸铁缸套进行预热，能够保证预热温度的均匀性和稳定性，可以提高发动机铝缸体铸铁缸套与铝缸体之间镶铸造质量，并达到了节能高效的目的。2.9、双频感应淬火技术2.10、齿条接触式感应淬火技术三、感应淬火工艺在汽车制造中的应用感应热处理优越性：节能——内部感应电流直接加热，能量转换过程损耗少环保——降低水资源污染，降低空气污染，生产环境清洁提高性能——细化晶粒，提高强度高效——加热速度快，易实现自动化3.1、感应热处理是节能的热处理方法工序名称每吨零件耗能/（KW·h/t)最高最低平均调质1147516844正火535329442退火901420580气体渗碳19587551324箱式炉低于900C淬火693242448盐浴炉低于900C淬火17607121250井式炉低于900C淬火1227426748环保气氛炉低于900C淬火996544726盐炉生产线753255016459真空淬火17328381401高温回火334216290中低温回火198115166中频感应淬火379124268高频感应淬火3392673273.4、感应热处理能够提高零件的强度与寿命感应热处理加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒。许多研究资料表明，在铁素体向奥氏体转变时，提高加热速度使成核率提高，从而使奥氏体的起始晶粒尺寸明显减小，因此其奥氏体晶粒更为细小。淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火后得到高度弥散的回火组织，由于晶界的强化作用，使零件的强度和韧性得到得到明显提高。感应加热表面淬火零件，由于淬硬层中马氏体比容增大，能形成相当大的残余压应力，其最大值可达539～784MPa。实践证明零件的疲劳强度与其表面压应力值有明显的对应关系，一般情况下，压应力大，疲劳强度和疲劳寿命提高。以汽车半轴为例，调质处理的半轴表面残余压应力为245～343MPa，中频感应淬火处理的半轴表面残余压应力为343～539MPa，在扭矩7811KN.m作用下，前者的疲劳扭转寿命为19～42.万次，后者的疲劳寿命为112～300万次，提高6～7倍。前者疲劳强度为162.68MPa后者疲劳强度为311.64MPa3.5、感应淬火零件应力分布状态对性能的影响原理1、感应淬火工艺可以使零件表面获得较高的残余压应力；2、表面强化不仅直接提高了表层的强度与表层的疲劳极限，其表层压应力的存在，也降低了交变载荷下表层的拉应力，使疲劳裂纹不易产生和扩展；3、扭转疲劳强度要求较高的零件，其硬化层深度设计与零件的直径尺寸有关，一般情况下，硬化层深度为零件直径的15～18%比较合适；4、当预测零件疲劳寿命时，扭转强度、有效硬化层深度、硬化区总深度（有效硬化层深度+过渡区）和心部硬度几方面应同时考虑。其中，有效硬化层深度对静态扭转性能有影响较大，总硬化层深度对疲劳性能影响较大。一般情况下、当有效硬化层深度为轴径的15%左右，总硬化深度为轴径的25%左右时，能够获得比较高的疲劳寿命。四、汽车感应淬火零件热处理工艺4.1、感应淬火工艺4.1.1、感应淬火工艺方法：具体分类见下表1.同时加热法：是将工件所要求进行加热的部分放在感应器（线圈）中或其临近的位置，保持感应器和工件的相对位置不变，在感应器中接通交变电流，使工件加热，待加热到所需要的温度切断电源，根据不同的热处理种类，选择相应的冷却方式及介质，对加热部分进行冷却，使该部位达到热处理的目的。优点：在加热和冷却过程中，可以根据零件和感应器的形状及工艺要求，确定工件是否旋转。同时加热法操作简单，控制容易，具有高效、节能2.连续加热法：是先将工件所需进行热处理部分的局部放在感应器中或其临近位置，在感应器中通有交变电流，使工件加热。待该局部加热到所需温度时，让感应器和工件以合适的速度相对运动，同时通过喷水器将冷却介质喷射到已加热到所需温度的部分，直到工件的热处理区域全部完成加热和冷却过程后，断开电源和停止喷射介质，加热和冷却过程是逐步完成的，使工件达到局部热处理的目的。同样在加热和冷却过程中，可以根据零件和感应器的形状及工艺要求，确定工件是否旋转。连续加热的优点是可以使用较小容量的设备处理较大的工件。表4-1感应加热淬火方法分类按机床动作分类整体加热淬火连续加热淬火分段式加热淬火按淬火部位的形态分类平面加热淬火圆柱面加热淬火内孔加热淬火其他复杂形态加热淬火按冷却方式分类喷射淬火浸液淬火高压气冷自然冷却4.1.2、感应淬火工艺条件构成序号工艺条件备注1零件定位方式2零件旋转速度3零件移动速度4感应器结构尺寸5电源频率6输出电压7输出电流8电源功率（比功率）9加热时间10间隙时间11冷却时间12淬火介质温度13淬火介质浓度14淬火冷却压力（喷淋密度）4.1.3、感应电流频率的选择表4-3各种频率电流热透入深度频段频率（KHz）电流透入深度（mm）中频115.62.59.847.985.6超音频30～402.5～2.9高频100～2001.1～1.6200～3000.9～1.1300～5000.7～0.9500～8000.55～0.7表4-4频率与有效硬化层之间的关系4.1.4、汽车零件感应器结构设计感应器是为实现金属导体（零件）的感应加热，通有交变电流的金属线圈（施感导体）。组成：感应器一般由有效圈、汇流部分和供水装置三部分组成。有效圈是使工件在被加热部位产生感应电流的部分；汇流部分是为使有效圈与淬火变压器有机结合在一起的过度部分；供水装置是用于冷却有效圈和工件的供水水路，分为冷却水和淬火水两部分。按工件被加热部位的形状分类，一般分为圆柱外表面淬火感应器、平板淬火感应器、内孔淬火感应器及特殊形状淬火感应器。4.3、感应淬火零件的预处理工艺由于感应加热的效率高、温升速度快、加热时间短，过于粗大原始组织不利于奥氏体均匀化转变，原始组织越细，所形成的奥氏体晶粒越细小，加热温度相对较低，也可以获得较高的淬火硬度。因此，汽车感应淬火零件一般采用正火或调质两种预处理工艺对原始组织进行细化。与正火工艺相比，调质工艺所获得的组织晶粒较细、原始组织弥散；钢的屈服强度、塑性和韧性明显提高，综合机械性能优良；加热时奥氏体均匀化时间短、淬火温度较低、淬火变形与裂纹倾向性较低。4.4、感应淬火零件的回火工艺很多情况下，感应淬火零件需要进行回火处理，回火可以降低零件的脆性，提高韧性，减少内应力，防止开裂，防止变形，提高尺寸稳定性，是保证零件综合机械性能的重要热处理工序。表4-1回火方式与特点回火方式用途炉中回火150～180°C（一般1.5h）主要用于耐磨类零件180～200°C（一般1.5～3h）主要用于工作负荷较大，强度要求较高的零件。如传动轴、半轴、贯通轴、曲轴等。200～250°C（一般1.5～3h）负荷较大强度要求较高的大马力发动机曲轴。自回火利用零件自身余热达到回火的目的，工艺稳定性差，关键件不采用。感