趙俊平

　　摘　要：感應淬火Z早得到應用是為了提高零件表面硬度，以滿足耐磨性的要求。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，感應淬火已經(jīng)發(fā)展成為應用范圍Z為廣泛的熱處理技術，在汽車、鐵路、船舶、工程機械、機床以及軍工等行業(yè)形成了完善的技術和質(zhì)量體系。

　　關鍵詞：感應淬火；應用；滲碳淬火；熱處理技術；表面硬度；工程機械；質(zhì)量體系；耐磨性
　　感應淬火替代滲碳淬火是其推廣應用的一個重要領域，基于其突出的經(jīng)濟性和較高的技術指標，受到業(yè)界的重視。對于兩者的比較，筆者想在以下幾個方面進行分析。
　　一、經(jīng)濟性
　　先進的技術是用Z低的成本獲得滿足需求的性能，經(jīng)濟性是技術應用首先考慮的因素。

　　1.設備投資

　　感應淬火設備的投資是比較小的。如中等規(guī)格齒輪的淬火設備，一條齒輪連續(xù)爐滲碳線投資約800萬元，加上淬火壓床、吊具等輔助設備合計約1500萬元。按照相同的產(chǎn)能對比，需要2臺感應淬火機床，每套自動淬火機床的價格約100萬元，僅僅是滲碳設備的10%～20%。與多用爐相比，1套感應淬火機床的產(chǎn)能至少與3臺多用爐相當，其投資相當于多用爐（包括輔助系統(tǒng)）的50%。

　　設備的占地面積和安裝方面也是費用支出的重要部分。滲碳設備占地面積大，對廠房的水、電、氣要求較高，造成生產(chǎn)廠房需要較大的投資，安裝費用也較高。感應淬火設備占地面積小，安裝簡便，費用要少很多。

　　2.生產(chǎn)運行費用和生產(chǎn)節(jié)拍

　　感應淬火生產(chǎn)運行費用低，也是其具有推廣價值的重要指標。統(tǒng)計顯示，感應淬火的能耗為滲碳淬火的20%左右，淬火介質(zhì)的消耗為30%左右，設備維護和消耗備件的費用為20%左右，生產(chǎn)三廢的排放也非常低。

　　感應淬火為快速加熱，加熱時間為幾秒到幾十秒，生產(chǎn)節(jié)拍非常快。對于降低人工成本、降低在制品率有優(yōu)勢。

　　3.熱處理零件用材料

　　發(fā)達國家的感應淬火用材料有一個專門的系列，但專用材料不表示高成本，只是為達到更好的效果而做的調(diào)整。感應淬火選材范圍是Z廣泛的，并且由于其特有的優(yōu)異性能可以選用低成本的材料替代價格較高的滲碳材料。滲碳處理的溫度高、時間長，需要特別注意控制其晶粒長大，所以滲碳用鋼中必須含有一定含量的細化晶粒合金元素。

　　4.熱處理后的加工

　　在滲碳淬火的實踐中，往往在后續(xù)的磨削工序出現(xiàn)滲碳層被磨掉的問題，其原因就是滲碳層相對較淺，熱處理變形后偏磨。與滲碳等化學熱處理相比，感應淬火的硬化層更深，給后續(xù)加工帶來更大的靈活性，也降低了熱處理前工序的要求，所以加工成本低，廢品率低。

　　二、技術指標
　　滲碳淬火在零件表面形成高含碳量的馬氏體層，硬度高、碳化物含量高，具有高的耐磨性，而心部為低碳馬氏體組織，所以表面壓應力大，零件整體韌性高。這些特點使?jié)B碳淬火在齒輪等需要高耐磨性、高疲勞強度、高接觸疲勞強度的零件上廣泛采用。感應淬火具有快速加熱快速冷卻的特點，使材料晶粒度顯著提高，在得到超高硬度的同時，獲得了較高的韌度指標，從而提升零件性能。

　　1.耐磨性

　　滲碳淬火零件具有很高的耐磨性，是由于其表層高硬度和碳化物。感應淬火可以在較低的含碳量下獲得高硬度，耐磨性還與其微觀組織結(jié)構有關。

　　20CrMnTiH3滲碳淬火和45鋼感應淬火制成標準的磨損試樣，硬度均為62～62.5HRC，在M-200磨損試驗機上試驗，對磨件為T10淬火。經(jīng)過160萬次磨損，滲碳試樣失重4.0mg，感應淬火試樣失重2.1mg。是什么機理使感應淬火試樣具有更高的耐磨性，非常值得研究。

　　2.強度

　　通常認為強度與硬度相關，相同的硬度就可以得到相同的強度。對于具體零件而言，還與哪些參數(shù)有聯(lián)系呢？我們對20CrMnTiH3滲碳淬火和45鋼、40CrH、40MnBH感應淬火制成的標準啞鈴狀拉伸試樣進行試驗，試樣有效部位直徑為20mm，測得的抗拉強度分別為819MPa、1184MPa、1364MPa、1369MPa，幾種中碳鋼試樣感應淬火后的強度明顯高于滲碳件。

　　兩種工藝結(jié)果相比。滲碳淬火試樣表面為高碳馬氏體，滲層1.25mm，硬度62～63HRC，心部為低碳馬氏體，硬度32HRC。感應淬火試樣表面為中碳馬氏體，硬化層深度3.6mm，硬度62HRC，心部為回火索氏體，硬度26HRC。可以發(fā)現(xiàn)兩種處理方式得到的表面硬化層深度有較大差異，感應淬火得到較深的硬化層，從而得到更大的零件強度。所以，討論哪種強化工藝更好時，不僅要從微觀角度分析，更要從宏觀方面考慮。

　　3.疲勞強度

　　滲碳淬火和感應淬火后零件表面得到有效強化，并形成較大的殘余壓應力，都具有較高的疲勞強度。

　　選用模數(shù)2.5的齒輪零件進行研究，分別采用20CrMnTiH3滲碳淬火，滲碳深度1.2mm；45鋼、42CrMo感應淬火，齒根淬火深度2.0mm。硬度均為61～63HRC，熱處理后經(jīng)過磨齒加工。按照圖1所示的加載方式在疲勞試驗機上試驗。3種不同材料和熱處理的齒輪輪齒彎曲中值疲勞極限壓載荷分別為18.50kN、20.30kN和28.88kN。42CrMo感應淬火齒輪的疲勞強度高于20CrMnTiH3滲碳淬火56%，具有顯著優(yōu)勢。分析其機理，需要從硬化層組織、表面壓應力水平、心部組織和硬度等方面入手。

輪齒脈動彎曲疲勞試驗雙齒加載方式

　　4.接觸疲勞強度

　　對于齒輪類零件，齒面的接觸疲勞失效也是主要的失效形式。輕載齒輪對接觸疲勞要求相對較低，而感應淬火能否在具體的重載齒輪上取代滲碳淬火，該指標是必需考核的內(nèi)容。我們在此方面的研究還不夠深入。

　　5.淬火變形

　　滲碳工藝溫度高，時間長，淬火變形大。后續(xù)的磨削工序會將強度Z高、壓應力Z大的表層磨薄，造成零件強度的降低。齒輪滲碳淬火越來越多的采用壓淬技術，目的就是減小淬火變形。感應淬火的變形比較小，且由于淬火層厚，磨削對硬化深度影響相對較小。

　　三、感應淬火的局限性
　　感應淬火工藝有其特殊的應用局限，這和磁場分布的客觀規(guī)律有關，針對具體零件具體分析。

　　1.復雜截面零件

　　如某變速箱齒輪軸，包含多個齒輪、多個臺階及軸承位，采用感應淬火工序多，難度大，成本角度考慮是不合適的。還有一些硬化區(qū)域包含尖角的零件，感應淬火難度很大，應采用滲碳或其它化學熱處理。

　　2.薄壁件

　　滲碳淬火可以很薄一層硬化層，心部硬度較低保證韌性。感應淬火則可能由于淬透脆裂。

　　3.小零件

　　感應淬火每個零件都需要上下料、加熱、冷卻等步驟，對于很小的零件不具有經(jīng)濟性。滲碳淬火可以批量裝爐，產(chǎn)量高，成本低。

　　4.單件生產(chǎn)

　　感應淬火需要針對不同零件制作不同的感應器，對于批量較小的生產(chǎn)不具備經(jīng)濟性優(yōu)勢。

　　四、感應淬火替代滲碳的一些建議
　　綜合而言，重載齒輪感應淬火替代滲碳淬火的研究還需要做很多工作，其他需要提高耐磨性和強度的零件則可以選用適當?shù)牟牧辖Y(jié)合感應淬火工藝替代。

　　感應熱處理選材。滲碳處理后材料表面為高碳層，碳化物含量高，對耐磨性有利。感應熱處理用材多為中碳鋼和中碳合金鋼，在耐磨件替代滲碳選材時可以選擇含碳量高的材料，如某凸輪軸采用80^#鋼制造，以獲得所需的性能。

　　感應淬火零件的用材要求比滲碳淬火低，往往不被重視。選材過程不僅要考慮是否能夠淬到需要的硬度和淬火深度，還要對材料的化學成分、晶粒度、雜質(zhì)等指標加以重視，這些因素對零件的性能也有很大的影響，用對待滲碳鋼的高度對待感應淬火鋼。

　　重視預備熱處理。感應淬火的加熱時間短，合金成分來不及均勻化，需要做好預備熱處理。感應淬火通常是表面淬火，心部的組織和其它指標要在預備熱處理工序保證。

　　本文作者簡介：

　　趙俊平：研究員級高工，東風商用車有限公司技術中心工藝研究所熱處理室主任，東風汽車公司熱處理學會副理事長。

來源：《金屬加工：熱加工》2015年第1期