【文章內(nèi)容簡介】 淬硬的部分作為感應器導體回路的一部分 ,用高頻電流對工件表面同時感應加熱和電阻加熱 ,實現(xiàn)表面淬火。通高頻電流時 ,工件表層的一部分直接通電 ,由自身的電阻加熱。與此同時 ,感應器附近的工件表面產(chǎn)生感應電流 ,見圖 ,兩種作用加熱工件的表層和表面 ,達到淬火溫度后 ,切斷電源。更換不同的感應器 ,可 以加熱不同形狀的工件表面。由于加熱速度極快 ,加熱部分僅限于某一范圍 ,周圍及深處冷的部分迅速導熱 ,使加熱區(qū)激冷 ,實現(xiàn)自冷淬火。與傳統(tǒng)的高頻加熱相比 ,工件表面加熱電流更集中、密度更大、加熱速度更快。因此可以對工件表面實施高能量熱處理。 高頻感應電阻加熱表面淬火的特點 ： ①適用于齒條軸的齒條淬火和各種凸輪軸汽缸內(nèi)表面的強化。 ②功率密度高、加熱速度快、畸變小、淬硬層淺。 ③不需淬火介質 ,真空室等 ,無需發(fā)黑化處理。 （ 6）高頻脈沖感應加熱表面淬火 用高頻脈沖感應加熱進行淬火 ,使用 20～ 30MHz的高頻脈沖 ,通過感應 圈在毫秒級極短時間內(nèi)使工件表面急速加熱到淬火溫度 ,然后自冷。高頻脈沖感應加熱綜合感應加熱與高頻脈沖加熱的某些特點 ,與其他熱處理工藝比較 ,淬火后具有高硬度、高耐磨性、良好的韌性和疲勞強度、以及微變形等特點。而且相應的設備投資少 ,維修簡單。感應脈沖加熱淬火后的超常硬化 ,是有效的晶粒細化 ,高密度亞結構及高的殘余應力綜合作用的結果 [9]。 感應加熱淬火技術常見質量問題及產(chǎn)生原因 感應熱處理常見的質量問題有開裂、硬度過硬或過低、硬度不均勻、淬硬層過深或過淺、淬硬層深度不均、表面局部燒熔等 [10]。其原因歸納如 下： （ 1）開裂原因 加熱溫度高、不均勻，冷卻過快且不均勻；淬火液選擇不當，冷卻速度過大；材料淬透性偏高，成分偏析，含有毒元素，存在缺陷；零件結構設計不合理，技術規(guī)范不當。 （ 2）淬硬層深度過深或過淺的原因 加熱功率過高（低）且加熱時間過長（短）；電源頻率選擇不當，并且在此情況下又沒有選擇合理的比功率與加熱時間；材料的淬透性過高或者過低；淬火液的溫度、壓力、成分選擇不當。 （ 3）硬度過高或過低原因 材料含碳量偏高或偏低；回火溫度偏低或過高且回火時間不當；淬火液成分、壓力、北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 6 溫度選擇不當；材料表面脫碳；淬火加熱 溫度低組織尚未轉變等。 （ 4）表面硬度不均勻的原因 感應器結構不合理；引起加熱、冷卻不均勻；材料原始組織不良（帶狀組織、偏析、局部脫碳）。 （ 5）表面局部燒熔的原因 感應器結構不合理；加熱時間過長；工件帶有尖、角、孔、槽；表面有缺陷；連續(xù)加熱或半圈旋轉加熱時，移動或旋轉過程中有突然停止現(xiàn)象。 45鋼感應加熱淬火技術的應用與研究 45鋼是優(yōu)質碳素結構鋼，車軸是其中的一個應用方向，對 45鋼進行合理的熱處理能有效提高車軸的使用壽命。 車軸是一個變直徑的圓柱體 ,要實現(xiàn)全長表面淬火在很大程度上取決于感應器 的結構設計與制造。加熱用感應器的設計應主要考慮 ① 使被加熱零件的表面溫度均勻 。 ② 感應器損耗小 ,電效率高 。 ③ 感應器冷卻良好 。 ④ 制造簡單 ,有足夠的機械強度 ,操作使用方便。車軸加熱感應器用矩形紫銅管制造成圓形感應器 ,并通水冷卻 ,零件加熱后由用附帶噴水圈進行噴射冷卻。為了保證在感應加熱中盡可能地減少漏磁 ,提高加熱效率 ,感應器與零件之間的間距盡可能小 ,但要有足夠的間隙 ,保證使感應器能與車軸的相對運動順利進行 [10]。 首先，我國的機車、車輛均采用優(yōu)質碳素鋼車軸 ,縱觀總體情況 ,應該說碳 素鋼車軸是成熟的、可靠的。對于高速列車車軸材料是選碳素鋼還是合金鋼 ,我國還沒有成熟的技術。由于各國的國情不同 ,技術觀點不同 ,選用的車軸材料不盡相同 ,但都屬于低碳鋼范疇 [11]。 在調質或正火的基礎上再施加表面感應淬火強化處理 ,可使服役壽命成倍地延長。因此 ,這是提高車軸使用壽命的一種重要工藝方法。表面感應強化對提高車軸的彎曲或扭轉疲勞強度、減少對缺口的敏感性和應力集中十分有效。表面感應淬火后 ,由于心部高的有效韌性和塑性 ,允許其硬化層有較高的硬度 ,以保持高的耐磨性、 強度和殘余壓應力 ,充分發(fā)揮 材料抗疲勞的潛力。國外對車軸 高 頻感應淬火從過去的局部淬火、 分段淬火 ,發(fā)展到現(xiàn)在的表面全長淬火。 其次，加熱溫度和加熱時間當材料和原始組織一定時 ,相變溫度隨著加熱速度增大而 提高 ,為得到合格的淬火組織 ,相應的淬火溫度也隨之提高。車軸感應加熱升溫速度一般在 30～ 100 ℃/ s ,4 5鋼車軸的表面淬火加熱溫度選擇 890～ 960 ℃ 為佳 ,為了獲得較深的淬硬層深度 ,選擇上限加熱溫度。較長的加熱時間和較高的加熱溫度 ,可獲得較深的加熱深度 ,反之 ,加熱深度較淺。 據(jù)文獻介紹 [12] [13]， 45鋼易淬裂的尺寸范圍為 5～ 11mm，截面尺寸過小或過大均不易淬裂。由于由于車軸直徑較大 ,需要加熱深度較深 ,因此 ,選擇加熱功率 150～ 220kW ,北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 7 加熱時間 6～ 15s ,加熱溫度 920～ 960 ℃ 。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 8 第 2 章 工藝方案制定與實驗過程 總體實驗 方案 本章根據(jù)對感應加熱淬火技術的了解，利用現(xiàn)有的實驗手段和已掌握的實驗技術，選取相應的實驗設備，制定實驗參數(shù)，對 45 鋼正火預處理，然后進行高頻感應加熱淬火處理與調質處理。 并測量試件經(jīng)感應加熱淬火與調質后的硬度，最后觀察試件感應加熱淬火后的進行組織。 先 對 原始正火組織的 45 鋼 試件 采用不同的加熱時間參數(shù)和不同的感應電流參數(shù)，對具有等同的原始正火組織的 45 鋼進行高頻感應加熱表面淬火處理，并進行水淬，然后進行顯微硬度的測量，比較幾組實驗數(shù)據(jù) 。選出性能最優(yōu)的試件進行 金相組織的測試和觀察。 之后進行回火。 然后 對具有等同的原始正火組織的 45 鋼進調質熱處理 ， 之后進行顯微硬度 的測量。并和感應加熱淬火并回火的試件進行比較。 實驗材料與設備的選取 本實驗 選用 的是實驗室中的 φ 20mm 的 45 鋼棒材， 使用切割機將其截成 11個 高度為10mm 的試件備用。 實驗設備的選取 本課題研究的是 車軸 （ 45鋼）高頻感應加熱淬火熱處理，擬采用不同的加熱功率、溫度、時間、冷卻、回火等工藝參數(shù)的組合，通過檢測試件截面硬度、金相組織等進行對比，以期獲得 45鋼 車軸 優(yōu)異的機械性能，從而探究出高頻感熱處理的優(yōu)化工藝，為工具生產(chǎn)制造提供新的工藝途徑。所以選取合適的實驗設備可以讓預設的各種參數(shù)和測量出的數(shù)據(jù)精確而全面。 （ 1） SP15系列 中、 高頻感應加熱焊接設備 （圖 21） 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 9 圖 21 主要用途：金剛石工具焊接 、 車刀焊接 、 貴金屬熔煉 、 錘子淬火 、 鉆頭熱軋 。 技術參數(shù)： 最大振蕩功率： 15KVA 振蕩頻率： 30～ 100KHZ 輸入電壓：單相 220V,50或 60HZ 冷卻水要求： ,2～ 5L/min 負載持續(xù)率： 80% 自動控制型的計時功能：加熱時間 、 保溫時間 、 冷卻時間 (1～ 99s) 分體式主 — 分機連線長度： 2m（最長可定制 6m） 主要特點： ① 采用 MOSFET功率器件和我公司第一代變流控制技術 。 ② 特別 輕巧 ， 只有 18～ 30KG左右 。 ③ 操作簡單，幾分鐘即可學會 。 ④ 安裝簡單，只需接電源和水即可，無需專人安裝 。 ⑤ 自動控制型可調節(jié)加熱、保溫過程的功率和時間，有利于提高加熱質量的重復性簡化工人操作 。 ⑥ 分體式機型主要用于工作環(huán)境臟、高溫、有腐蝕性等惡劣條件 。 （ 2） Leica DMI5000MMDS倒置金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)（圖 22） 用于觀察分析材料的金相顯微組織，具有高性能無限遠光學系統(tǒng)、完善的觀察功能、先進的圖像采集分析系統(tǒng)，可進行自動智能管理、控制操作、圖像分析并生成報告。主要技術指標： 光學系 統(tǒng) ： 校正多重色差，消除雜散光干擾 目鏡 ： 25mm寬視場雙目鏡 物鏡 ： 50、 100倍平場復消色差 物鏡轉盤 ： 5位電動控制 觀察方式：明場、暗場、偏光 載物臺： 127x83mm移動范圍 操作規(guī)程： ①根據(jù)要求選擇目鏡、物鏡、樣品托盤，從干燥器取出放于鏡座上。 ②接通電源，啟動主機和控制系統(tǒng)。調節(jié)載物臺的機械中心與顯微鏡光軸重合。 ③將充分清潔、干燥的金相試樣放于載物臺上。 ④粗調旋鈕，視場逐漸變亮，微調至圖像清晰。調節(jié)物臺旋鈕找到試樣的觀測區(qū)域。 ⑤調節(jié)光強、孔徑光闌和視場光闌至視場亮度適中，圖 象反差依需要而定。 ⑥進行金相組織觀察、攝取、保存及分析。 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 10 ⑦工作結束，關閉電源，取下物鏡、目鏡放于干燥器中，蓋上鏡筒防塵蓋，載物臺調至低位。