张威龙1,郑卫刚2     

（1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.武汉理工大学 工程训练中心， 湖北 武汉 430063）

摘  要： 感应表面淬火是轴表面热处理的一种重要热加工工艺，通过对轴类零件感应加热表面淬火，使其具有淬火质量好、表层组织细、硬度高（比常规淬火高2-3HRC）、脆性小等优点，并可以推广到急需提高质量的船用曲轴，其潜力更大。

关键词 ： 轴表面热处理 ； 感应淬火；硬度

The application of the induction hardening of axial heat treatment

ZHANG Weilong 1, ZHENG Weigang 2

(1. Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Engineering Training Center,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Abstract: Induction surface hardening is shaft surface heat treatment is an important thermal processing, through to the induction heating surface quenching shaft parts, make its have quenching are of good quality and fine surface organization, high hardness (HRC) is higher than conventional quenching 2-3, less brittle. And can be extended to urgently needs to improve the quality of Marine crankshaft, its potential is greater.

Key words: shaft surface treatment; Induction hardening. hardness

轴在机械零件中尤其在柴油机中的重要性是毋庸置疑的，它的设定也是内燃机整体设计的重中之重，同时轴的强度还直接影响着柴油机的可靠性和寿命。然而对轴的表面热处理是使轴表面获得较高硬度和耐磨性的关键，感应加热技术在表面淬火中应用尤为广泛，是应用理论趋于普遍化，系统化地一种高效，省时，节能的表面热处理方法，满足不同零件要求的淬火硬度。

图1 感应淬火原理

                          Figure 1 Principle of induction hardening Figure 1

      1 感应加热淬火原理

感应加热表面淬火示意于图1，它是利用电磁感应的原理，使工件表层产生涡流而被迅速加热，进行淬火的方法。

感应加热的原理是把钢制工件放在用紫铜管制成的感应器内通入交变电流，产生交变磁场。由于电磁感应，在工件内将产生和感应器内的电流频率相同，方向相反的感应电流——涡流。由于肌肤效应，涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面的电流密度越大，中心的电流密度越小。交变电流的频率越高，趋肤效应越显著，感应加热的深度越浅，由于工件本身有电阻，根据焦耳——楞次定律，集中于工件表层的涡流产生的电阻热，使工件表层迅速被加热到淬火温度，而心部温度基本不变。在随即进行喷水（合金钢浸油）冷却后，工件表层被淬硬，实现了感应加热表面淬火。[1]根据电流频率不同，感应加热可分为：高频感应加热（100~1000kHZ）,淬硬层为0.2~2mm，适用于中小型齿轮，轴零件；中频感应加热（0.5~10kHZ），淬硬层为2~8mm，适用于大中型齿轮，轴零件；工频感应加热（50HZ），淬硬层深度>10~15mm，适用于直径大于300mm的轧辊，轴等大型零件。

2感应加热电参数的调整经验

调整电参数的目的是使高、中频电源的工作处于谐振状态，使设备发挥较高的效率，满足使用要求。

2.1   高频感应加热电参数的调整，在7~8kV的低电压负载条件下，调整耦合，反馈手轮位置，使栅极电流与阳极电流之比为1:5~1:10（一般采用1:5~7），然后再将阳极电压升到使用电压，并进一步调整电参数，使槽路电压调整到所需值，匹配最佳。

2.2   中频加热电参数的调整，根据零件大小，形状，硬化区长短及感应器结构选择合适的淬火变压器匝比和适当的电容量，使其处于谐振状态下工作。中频加热电参数调整的目的是，当感应器直径越大或多匝感应器和矩形感应器有效圈越长，高度越小，变压器初级匝数越少（匝比小）匝比越小，接入电容量要适当多些。调试时首先根据感应器形状，尺寸凭经验选择一种变压器匝比，加入一定量电容量，在低电压时开始调试，使功率因数为容性0.8~0.9时，再逐渐升高电压。要注意观察各中频表的数值，判断中频电路的容性，感性。调试中如果中频电流先接近额定值，而中频电压低于额定值，一般是由于变压器初级匝数少；如果负载中频电压先接近额定值，而中频电流低于额定值，一般是由于变压器初级匝数多。当中频电压，电流，功率都接近额定值，或者功率因数在0.9左右，中频电压与电流相应降低时，认为选择的变压器匝比和电容量合适，匹配合理。

3感应加热表面淬火的优点

                         表1 感应淬火与常规轴表面淬火比

Table 1 surface quenching than conventional crankshaft

图2 含碳量与维氏硬度关系

figure 2 Carbon content and vickers hardness in

根据图表及实践比较得出：

3.1   感应加热属于内热源直接加热， 加热速度极快，热效率高，一般需要几秒到几十秒的时间，就可将零件加热到淬火温度，所以零件表面氧化和脱碳少，零件废品率低。

3.2  淬火温度高，由于加热速度极快，使珠光体转变为奥氏体的相变温度升高，相变范围扩大，所以比普通加热淬火温度高，一般要高出数十度。

3.3  淬火后获极细的隐晶马氏体组织，硬度比普通淬火要高出HRC2-3.且脆性较低，韧性较好。

3.4  淬火后工件表层存在残余压应力，疲劳极限高，心部保持较好的塑性和韧性。

3.5  感应加热设备紧凑、操作方便、生产率高、淬硬层深度易于控制、易于实现机械化和自动化、适宜于大批量生产。[2]

感应加热淬火以很大的优势优越于其它淬火表面处理，因此将感应加热淬火表面处理应用到实际中，将大大提高经济效率，改善轴的性能。

4轴感应加热淬火常见缺陷及防止方法

4.1淬硬层分布不均：其主要是轴颈与感应器不同心，感应器内电流分布不均，油孔影响等因素导致的。故保证轴颈与感应器同心度偏差不超过1mm，在感应器上配置导磁体，油孔中打入钢或铜销子能有效的防止淬硬层分布不均的出现。

4.2 油孔处放射裂纹：原因是油孔处加热不均或局部过热，油孔周围冷却不均或过于激烈引起裂纹的发展。防止方法：油孔中打入钢或铜销子，合理配置导磁体，适当提前冷却，改用半圈感应器加热和浸水冷却，改用其它冷却介质。

4.3 “C”型裂纹和淬硬层剥落：其主要是由于锻造折叠，淬硬层过深或浅偏差大，油空内壁的淬火裂纹的发展，自回火温度低，磨削工艺不当，材料淬透性过高等因素影响。故可通过改造锻造工艺，油空中打入钢或铜销子，改进设计油道壁避免过薄，保证回火温度，用半圆感应器加热或浸水冷却，改进磨削工艺，检查材料中合金成分和淬透性等方法改善。

4.4 淬火过度区域的裂纹：其主要是淬火应力集中，磨削工艺不当。故可通过保证感应器和轴颈的合理间隙，改善磨削工艺等方法改善。
 4.5  淬硬表面的网状裂纹：其主要是由于淬硬表面过热和激烈冷却，淬硬层太深或自回火温度低，磨削切削用量过大。可通过适当减少加热时间或比功率，保证感应器轴颈间的合适间距，降低冷却承压，拉高水温，保证自回火温度，，改善磨削工艺等方法避免。

4.6 淬硬表面的网状裂纹：其主要是由于淬硬表面过热和激烈冷却，淬硬层太深或自回火温度低，磨削切削用量过大。可通过适当减少加热时间或比功率，保证感应器轴颈间的合适间距，降低冷却承压，拉高水温，保证自回火温度，，改善磨削工艺等方法改进。

4.7 硬度不够和软点：由于材料含碳量低或有严重带状组织，淬火温度低，冷却水温度或水压低，感应器喷水孔部分堵塞。可通过确保材料化学成分和组织合格，适当增加加热时间，适当提高水温和降低水温，清理感应器喷水孔等措施改进。[3]

5总结

感应加热表面淬火质量，生产效率及节能方面都有不可替代的优势。它的操作方便、运行安全可靠、维修费用少。现在船舶柴油机的大量制造使感应淬火对曲轴的批量处理具有很广阔的发展前景。[4]

参考文献：

[1]李军迎，陈学富，杨钊，刘洋洋，45钢曲轴的感应淬火工艺，[J]2013：（4）：92-94

[2]    薛滔，激光表面淬火与常规表面淬火在模具应用上的研究分析[J]2012（4）：232-234

[3]张显亮，陈荣发，石油钻井绞车刹车轮的中频感应淬火仿真与实验研究.[J]2012：65-67

[4]周海，曾少鹏，袁石根。感应加热淬火技术的发展及应用，[J]2008（3）：78-80