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金属热处理工艺：高频淬火的原理以及应用

　　高频淬火多数用于工业金属零件表面淬火，将线圈通以高频电流，产生高频磁场，在铁磁性材料中产生感生电流，由于趋肤效应，感生电流聚积于材料的表面产生热，达到相变温度。激冷达到淬火目的。

　　感应加热与其它加热炉传导、对流或辐射使工件到达加热温度相比，它具有完全不同的加热原理。感应加热是一项先进的金属加热技术，是国家倡导的节能减排技术之一。它是利用金属导体在交变磁场作用下产生的感应电流引起自身发热，而到达加热金属的目的。广泛应用于金属热处理、淬火、透热、熔炼、焊接、热套等众多领域。感应加热具有非接触、速度快、效率高、工序简单、容易实现自动化等显著优点，并具有零排放、无污染和节能等优势，对国民经济发展具有重要意义。

　　高频淬火基本原理是：

　　将工件放在通有交流电流的用空心铜管绕成的感应加热设备线圈内，通入中频或高频交流电后，由于交变磁场的作用工件内部会产生感应电势，在感生电势的作用下工件内会产生涡流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。将零件表面或局部迅速加热（几秒钟内即可升温800～1000℃，心部仍接近室温）若干秒钟后迅速立即喷(浸)水冷却（或喷浸油冷却)完成浸火工作，使工件表面或局部达到相应的硬度要求。

　　感应加热设备，即对工件进行感应加热，以进行表面淬火的设备。

　　感应加热的原理：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电(1000-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个趋肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000ºC，而心部温度变化很小。

高频淬火的原理图

　　高频淬火词语解释

　　感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。

　　一、高频(10KHZ以上)加热的深度为0.5-2.5mm,一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。

　　二、中频(1~10KHZ)加热深度为2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。

　　三、工频(50HZ)加热淬硬层深度为10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热，大直径零件(直径300mm以上，如轧辊等)的表面淬火。

　　感应加热淬火表层淬硬层的深度，取决于交流电的频率，一般是频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系，有如下经验公式：

　　δ=20/√f(20°C);δ=500/√f(800°C)。

　　式中：f为频率，单位为Hz;δ为加热深度，单位为毫米(mm)。

　　感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

　　感应加热设备是产生特定频率感应电流，进行感应加热及表面淬火处理的设备。

　　感应加热表面淬火的应用

　　一、应用

　　在汽车、机床等机械设备的制造和生产中，有许多传动机构的工件需要承受较大的载荷及频繁的启停，因此就需要其表面具有高的硬度、强度以及耐磨性，而心部又需要较好的韧性。比如：齿轮，凸轮轴，气门杆，前进杆，汽车半轴，花键轴，链轮、光轴、导轨、仿形件等。所以需要对这些工件进行表面热处理，传统的表面热处理有：表面渗碳、渗氮；碳氮共渗；表面淬火等，表面淬火相比于其他热处理工艺成本更低，效率更高，而且变形量小，操作更简单，优势十分明显，在工业生产中应用十分广泛。

　　承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量We=0.40～0.50%钢材。

　　二、工艺方法

　　快速加热与立即淬火冷却相结合。

　　通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度，不等热量传到中心即迅速冷却，仅使表层淬硬为马氏体，中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火(或正火及调质)组织。

　　三、主要方法

　　感应加热表面淬火(高频、中频、工频),火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，电解液加热表面淬火，激光加热表面淬火，电子束加热表面淬火。

　　表面淬火原理

　　(一）基本原理：

　　将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热(几秒钟内即可升温800～1000度，心部仍接近室温)后立即喷水冷却(或浸油淬火)，使工件表面层淬硬。

　　(二）加热频率的选用

　　室温时感应电流流入工件表层的深度δ(mm)与电流频率f(HZ)的关系为：频率升高，电流透入深度降低，淬透层降低。常用的电流频率有：

　　1、高频加热：100～500KHZ，常用200～300KHZ，为电子管式高频加热，淬硬层深为0.5～2.5mm，适于中小型零件。

　　2、中频加热：电流频率为500～10000HZ，常用2500～8000HZ，电源设备为机械式中频加热装置或可控硅中频发生器。淬硬层深度2～10 mm。适于较大直径的轴类、中大齿轮等。3、工频加热：电流频率为50HZ。采用机械式工频加热电源设备，淬硬层深可达10～20mm，适于大直径工件的表面淬火。

　　(三）、感应加热表面淬火的应用：

　　与普通加热淬火比较具有：

　　1、加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。

　　2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高(2～3HRC)。脆性较低及较高疲劳强度。

　　3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配使用。

　　4、淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。

　　四、火焰表面加热淬火

　　适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却。淬硬层深度为2～6mm，否则会引起工件表面严重过热及变形开裂。