感應淬火與滲碳淬火的競爭

感應淬火與滲碳淬火的競爭

沈慶通，教授級高工，原洛陽升華感應加熱公司總工程師、技術總監

感應淬火與滲碳淬火同屬表面硬化工藝，早在20世紀50年代，前蘇聯學者即指出：感應淬火的成本為滲碳淬火的1/3。其后又提出：高頻電流淬火工藝具有加熱時間短、零件氧化皮少、變形小、工作環境潔凈、可以在線生產等一系列優點。

然而，時至今日，滲碳淬火工藝在中小模數齒輪等領域，仍廣泛應用于生產。其原由是滲碳零件表面碳濃度高，耐磨性更優，工夾具簡單，以及中、小零件批量裝爐方便等多種因素。感應淬火需要專用的感應器，工裝、管理費用等相對高些，德國通用電氣公司一研究所曾對連桿大頭內孔滲碳與感應淬火的單件總成本作精細的對比，滲碳件材料39道工序的加工費為14.73分，而感應淬火件28道工序相對費用為12.73分。單件成本相差2分。

感應淬火對復雜形狀的工件仿輪廓淬火具有難度，小內孔、不通孔的底面，卡盤爪的階梯面，活塞的溝槽，曲面件等部位，不如滲碳工藝簡便。因此，在選擇表面硬化工藝時，應從工裝、材料、工序數、產品壽命等作具體分析再確定，不能僅從節能一點來選取。

滲碳與感應淬火在工藝與裝備研發方面，近年來均有很大的進展。感應淬火工藝具有優勢的項目可列舉如下。

1. 深層滲碳方面

齒輪的滲碳層深與其模數m有關，常選用的層深為（0.15～0.20）m。對中、小模數齒輪，此值在0.2～1.0mm，一般滲碳工藝即可達到，但對大模數齒輪，如m=80的齒輪（見圖1）和m=63齒條等，其層深要求?！?mm，如采用滲碳，則必須深層滲碳，僅滲碳周期即不低于100h，更不論齒條長度幾十米對設備裝爐的要求了。而感應淬火是單齒掃描淬火，從電源容量與升降機構方面考慮，要簡單得多。國外另一實例是冶金設備的內孔，用感應淬火代深層滲碳，見圖2。

2. 畸變小方面

滲碳齒輪由于是整體加熱，時間長、溫度高，所以淬火后畸變大，有些齒輪則需壓模淬火才能解決問題，因此其周期長、耗電大、成本高，感應淬火相對有利，國內已有企業成功地將滲碳內齒圈改為感應淬火用于生產的實例。但迄今也還有料漿泵、缸套等零件仍采用滲碳淬火（滲層2.75～3.0mm）。

3. 大零件、長零件感應淬火得天獨厚

當今風電發展迅猛，風電機的回轉支承需要在滾道進行淬火，感應淬火無疑是最佳工藝，機床導軌面、石油管、鐵道鋼軌等的熱處理，均已證明感應淬火具有得天獨厚的優勢。

4. 低淬透性鋼感應淬火代替滲碳齒輪淬火

圖1 m=80齒輪單齒掃描淬火（俄感應加熱期刊）

圖2 冶金設備部件感應淬火

前蘇聯發明的低淬透性鋼感應淬火，早在該國載貨車上及軸承等方面應用，是從限制鋼材淬透性方面使齒輪得到仿齒形淬硬層及規定硬度的心部，現在低淬鋼的品種還在增加，除58鋼以外，又擴大到60ПП、80ПП等牌號，具有較好的經濟效益。

俄羅斯的卡瑪斯汽車廠從2005年起，低淬鋼批量生產有：58鋼（ГО C T1050-88）、54ПП、60ПП鋼，其化學成分：wC=0.5%～0.65%，wMn=0.1%～0.3%，wSi=0.l%～0.3%，wCr、wNi、wCu＜0.25%，低淬鋼經整體加熱淬火后，其奧氏體晶粒細小（10～12級），具有良好的綜合力學性能。該廠經驗，當鋼的Mn、Si、Cr、Cu分別超過0.2%，總和達到0.5%時，不同爐號的理想臨界直徑D偏差會達到10～15mm（ГOCT技術條件為10～14mm）。俄羅斯丘索夫冶金廠（ЧУСOВCКOй M E T A JI JIУPГИЧЕСКИЙ ЗАВОД）生產的第二代低淬鋼，其淬透性范圍更窄、更穩定。D臨界為8～10mm、10～12mm、12～14mm。感應加熱條件下，晶粒度可達到11～12級，爐子加熱條件下，晶粒度為10～11級，其淬透性對加熱溫度的敏感性更低。

在煉鋼廠里，低淬鋼的成本比45鋼（ГОСТ1050-88）低5%～10%。該廠對第二代低淬鋼獲得的成果是：中后橋齒輪共有5種齒輪，后橋圓柱齒輪副和錐齒輪副（含主從動齒輪以及中橋的主動齒輪）采用60ПП與80ПП鋼替代批量生產的滲碳合金鋼20ХГHTMA鋼。齒圈及主、從動圓柱齒輪，用2. 4kHz中頻電源進行整體加熱，用高壓泵6HДB進行噴冷，其余三種齒輪出于經濟上的考慮，在箱式爐中加熱而在噴淬裝置上冷卻。附表為60ПП、80ПП鋼制齒輪淬火后的硬度、層深及顯微組織。

此外，該廠還用低淬鋼進行了球頭銷（60ПП、80ПП），活塞銷（80ПП）及主銷（60ПП）進行試驗，其相關硬度、層深、顯微組織數據與附表基本一致。另外，該廠進行研發的簡型車彈簧鋼板，采用新工藝后，零件重可減少30%，壽命將滲碳與感應淬火在表層硬化延長1.5倍，而成本降低20%以上。工程機械零件銷套，內外表面均需淬硬，如采用低淬鋼，應有很好的前景與效益。

5. SDF同步雙頻齒輪淬火

通過對不同模數齒輪中、高兩種頻率的選配，能得到仿齒廓的淬硬層分布，由于功率密度大，加熱時間短（以0.1s計），因此設備投資高，而這種齒輪與滲碳齒輪的性能對比數據，還未見報道，因此在國內正處于待推廣階段。領域中各具自身的優勢，采用何種工藝更優，應作具體分析確定。感應淬火在深層硬化、零件畸變，以及特大、特長零件表層硬化等方面，在裝備、生產周期及加工成本上具有更大優勢。

6. 汽車、工程機械方面

最典型的零件是凸輪軸從滲碳改為感應淬火，CVJ鐘形殼等件在材料中碳含量提高后，現在均已采用感應淬火。

60ПП、80ПП鋼制齒輪淬火后的硬度、層深及顯微組織