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感应热处理mm资料

感应热处理-mm

感应热处理

一、感应加热原理

1.1、感应加热物理基础：

将金属导体放在通有交变电流的线圈中，根据电磁感应原理，在交变磁场的作用下，会在导体中产生与线圈中电流的方向相反、大小相等、频率相同的感应电流（涡流），利用在该导体中产生的感应电流使其加热的方法称之为“感应加热”。

1.2、感应加热的物理现象：

以下4种

1.2.1、集肤效应：

也称趋肤效应或表面效应，当直流电通过一导体时，导体截面上各点的电流密度是均匀的。

当交流电通过导体时，导体表面处的电流密度较大，导体内部的电流密度较小。

当高频率电流通过导体时，导体截面上的电流密度差更加增大，电流主要集中在导体表面，这种现象称为集肤效应

1.2.2、邻近现象：

两邻近导体，如两汇流排或感应器的有效加热导线与被感应加热的零件，在有交变电流通过的情况下，由于电流磁场的相互作用，导体上的电流将重新分布，这种现象称之为邻近效应。

同向电流主要集中在两相邻导体的外侧；反向电流主要集中在两相邻导体的内侧。

两导体离的越近，效果越明显。

1.2.3、圆环效应：

圆环形的导体通入交变电流时，最大电流密度分布在环状导体的内侧，这种现象叫做圆环效应。

圆环效应使感应器的电流密集到圆环感应的内侧，对于加热零件的外表面有利。

但对加热零件内孔时，该效应使感应器中的电流远离加热零件的内表面，对内孔加热十分不利。

1.2.4、导磁体的槽口效应：

一根矩形截面的导体，装上由硅钢片叠成的导磁体体的槽口中，当导体通有交变电流时，电流集中在导磁体开口的导体表面，这一现象称之为导磁体的槽口效应。

导磁体的槽口越深，电流的频率越高，则导磁体的槽口效应越强烈。

利用该效应可以克服导体的圆环效应将电流驱逐到圆环导体的外表面，在加热内孔和平面类零件时，强化了邻近效应，以提高感应器的加热效率。

1.3、电流透入深度：

由于集肤效应的作用，导体或零件中的电流分布是不均匀的。

工程上规定，从表面电流最大值处（I0）测到1/eI0处的深度为电流的透入深度。

钢在居里点（770℃）以下的电流透入深度称为冷透入深度，在居里点以上的电流透入深度称为热透入深度。

1.4、加热方式：

以下2种

1.4.1、透入式加热：

零件在加热时，电流的热透入深度大于淬硬层深度，淬硬层得到的热能全部由涡流产生，整个层中的温度基本上是均匀的。

该方式适用于设备的频率和功率较高，而淬硬层深度要求较浅的零件。

1.4.2、传导式加热：

零件加热在时，电流的热透入深度小于淬硬层深度，淬硬层得到的热能只能在热透入深度内由涡流产生，超出这一层的金属，其温度的提高完全依靠表层的热量通过热传导的方式实现。

该方式适用于设备的功率较低，而淬硬层深度要求较深的零件；

二、感应加热应用

利用感应加热方式实现的热处理过程称为感应热处理。

根据不同的用途可以进行工件的局部或整体的感应淬火、退火、正火、回火及调质处理。

用途：

在现代汽车制造技术中，感应加热还用于熔炼、钎焊、毛坯加热（透热）、热装配、金属件粘结后的固化、涂料的干燥等多种领域。

2.1、锻造毛坯透热

主要用于各种汽车零件（如曲轴、连杆、钢板弹簧、冲焊桥壳、各种齿轮等零件）的锻造毛坯的透热。

优点是加热效率高、温度控制精度高、毛坯的温度均匀性好、设备占地面积小、节能、可改善工作环境。

2.2、铝镁合金半固态铸造

有色金属的半固态成型技术是将金属加热到固液混合状态，利用高压将熔融金属射入型腔内，通过铸造或压力加工的方式成型的技术。

在该工艺中广泛采用感应加热技术，其优点是加热速度快、节能高效、零件成型后的成分和组织均匀性好、机械性能好，且工艺设备符合环保要求。

在汽车制造技术先进的公司用于铝合金及铝镁合金的零件成型。

2.3、热处理

为了提高汽车零件的疲劳性能及耐磨性感应淬火技术得到了广泛的应用，典型零件有曲轴、半轴、凸轮轴、贯通轴、变速叉、变速叉轴、导块、摇臂、摇臂轴、转向齿条、花键轴叉、输出突缘、轴头、球头销、转向节等零件；汽车零件的局部感应退火可以改善渗碳零件的机械性能，主要是降低零件的脆性、提高韧性，在主动齿轮——减速器的螺纹退火中应用较多，取代了传统的铅炉加热，改善工作环境，符合环保要求。

2.4、铸造熔炼

主要用于钢铁材料及有色金属（铝合金、黄铜等合金压铸件）的熔炼、保温。

优点是加热速度快生产率高、温度均匀性好、设备投资少、液态金属的成分均匀性好,可以提高铸件的质量。

2.5、汽车零件粘接后感应加热固化

在使用热硬性粘接剂将汽车零件（金属与金属、金属与橡胶、金属与玻璃等）粘接后需要通过加热使粘接剂固化。

优点：

没有焊点，不破坏防锈层，粘接剂在起到密封的同时还可以减小振动。

采用感应加热技术可实现局部加热，具有节能、高效、零件的变形小、质量稳定的特点。

用于：

在汽车制造技术先进的公司得到广泛的应用，一汽——大众现生产的车型中捷达、保来、凯迪已有20套该设备在用，主要用于车门、行李箱盖及发动机盖的粘接后的固化处理，并与自动生产线相连。

以上设备全部是引进技术，目前国内尚未开展该项技术的研究。

2.6、焊管

2.7、感应加热钎焊

主要用于各种汽车零件的钎焊（如钢铁材料与钢铁较少材料、钢铁材料与铜材、铜材与铜材）的钎焊。

优点是加热速度快、温度均匀性好、可实现局部加热零件的热影响区小、易于实现自动化与生产线相连。

2.8、铝缸体铸铁缸套感应预热

利用感应加热方法对铸铁缸套进行预热，能够保证预热温度的均匀性和稳定性，可以提高发动机铝缸体铸铁缸套与铝缸体之间镶铸造质量，并达到了节能高效的目的。

2.9、双频感应淬火技术

2.10、齿条接触式感应淬火技术

三、感应淬火工艺在汽车制造中的应用

感应热处理优越性：

●节能——内部感应电流直接加热，能量转换过程损耗少

●环保——降低水资源污染，降低空气污染，生产环境清洁

●提高性能——细化晶粒，提高强度

●高效——加热速度快，易实现自动化

3.1、感应热处理是节能的热处理方法

工序名称

每吨零件耗能/（KW·h/t）

最高

最低

平均

调质

1147

516

844

正火

535

329

442

退火

901

420

580

气体渗碳

1958

755

1324

箱式炉低于900C淬火

693

242

448

盐浴炉低于900C淬火

1760

712

1250

井式炉低于900C淬火

1227

426

748

环保气氛炉低于900C淬火

996

544

726

盐炉生产线

7532

5501

6459

真空淬火

1732

838

1401

高温回火

334

216

290

中低温回火

198

115

166

中频感应淬火

379

124

268

高频感应淬火

339

267

327

3.4、感应热处理能够提高零件的强度与寿命

感应热处理加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒。

许多研究资料表明，在铁素体向奥氏体转变时，提高加热速度使成核率提高，从而使奥氏体的起始晶粒尺寸明显减小，因此其奥氏体晶粒更为细小。

淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火后得到高度弥散的回火组织，由于晶界的强化作用，使零件的强度和韧性得到得到明显提高。

感应加热表面淬火零件，由于淬硬层中马氏体比容增大，能形成相当大的残余压应力，其最大值可达539～784MPa。

实践证明零件的疲劳强度与其表面压应力值有明显的对应关系，一般情况下，压应力大，疲劳强度和疲劳寿命提高。

以汽车半轴为例，调质处理的半轴表面残余压应力为245～343MPa，中频感应淬火处理的半轴表面残余压应力为343～539MPa，在扭矩7811KN.m作用下，前者的疲劳扭转寿命为19～42.万次，后者的疲劳寿命为112～300万次，提高6～7倍。

前者疲劳强度为162.68MPa后者疲劳强度为311.64MPa

3.5、感应淬火零件应力分布状态对性能的影响原理

1、感应淬火工艺可以使零件表面获得较高的残余压应力；

2、表面强化不仅直接提高了表层的强度与表层的疲劳极限，其表层压应力的存在，也降低了交变载荷下表层的拉应力，使疲劳裂纹不易产生和扩展；

3、扭转疲劳强度要求较高的零件，其硬化层深度设计与零件的直径尺寸有关，一般情况下，硬化层深度为零件直径的15～18%比较合适；

4、当预测零件疲劳寿命时，扭转强度、有效硬化层深度、硬化区总深度（有效硬化层深度+过渡区）和心部硬度几方面应同时考虑。

其中，有效硬化层深度对静态扭转性能有影响较大，总硬化层深度对疲劳性能影响较大。

一般情况下、当有效硬化层深度为轴径的15%左右，总硬化深度为轴径的25%左右时，能够获得比较高的疲劳寿命。

四、汽车感应淬火零件热处理工艺

4.1、感应淬火工艺

4.1.1、感应淬火工艺方法：

具体分类见下表

1.同时加热法：

是将工件所要求进行加热的部分放在感应器（线圈）中或其临近的位置，保持感应器和工件的相对位置不变，在感应器中接通交变电流，使工件加热，待加热到所需要的温度切断电源，根据不同的热处理种类，选择相应的冷却方式及介质，对加热部分进行冷却，使该部位达到热处理的目的。

优点：

在加热和冷却过程中，可以根据零件和感应器的形状及工艺要求，确定工件是否旋转。

同时加热法操作简单，控制容易，具有高效、节能

2.连续加热法：

是先将工件所需进行热处理部分的局部放在感应器中或其临近位置，在感应器中通有交变电流，使工件加热。

待该局部加热到所需温度时，让感应器和工件以合适的速度相对运动，同时通过喷水器将冷却介质喷射到已加热到所需温度的部分，直到工件的热处理区域全部完成加热和冷却过程后，断开电源和停止喷射介质，加热和冷却过程是逐步完成的，使工件达到局部热处理的目的。

同样在加热和冷却过程中，可以根据零件和感应器的形状及工艺要求，确定工件是否旋转。

连续加热的优点是可以使用较小容量的设备处理较大的工件。

表4-1感应加热淬火方法分类

按机床动作分类

整体加热淬火

连续加热淬火

分段式加热淬火

按淬火部位的形态分类

平面加热淬火

圆柱面加热淬火

内孔加热淬火

其他复杂形态加热淬火

按冷却方式分类

喷射淬火

浸液淬火

高压气冷

自然冷却

4.1.2、感应淬火工艺条件构成

序号

工艺条件

备注

零件定位方式

零件旋转速度

零件移动速度

感应器结构尺寸

电源频率

输出电压

输出电流

电源功率（比功率）

加热时间

间隙时间

冷却时间

淬火介质温度

淬火介质浓度

淬火冷却压力（喷淋密度）

4.1.3、感应电流频率的选择

表4-3各种频率电流热透入深度

频段

频率（KHz）

电流透入深度（mm）

中频

15.6

2.5

9.8

7.9

5.6

超音频

30～40

2.5～2.9

高频

100～200

1.1～1.6

200～300

0.9～1.1

300～500

0.7～0.9

500～800

0.55～0.7

表4-4频率与有效硬化层之间的关系

4.1.4、汽车零件感应器结构设计

感应器是为实现金属导体（零件）的感应加热，通有交变电流的金属线圈（施感导体）。

组成：

感应器一般由有效圈、汇流部分和供水装置三部分组成。

有效圈是使工件在被加热部位产生感应电流的部分；汇流部分是为使有效圈与淬火变压器有机结合在一起的过度部分；供水装置是用于冷却有效圈和工件的供水水路，分为冷却水和淬火水两部分。

按工件被加热部位的形状分类，一般分为圆柱外表面淬火感应器、平板淬火感应器、内孔淬火感应器及特殊形状淬火感应器。

4.3、感应淬火零件的预处理工艺

由于感应加热的效率高、温升速度快、加热时间短，过于粗大原始组织不利于奥氏体均匀化转变，原始组织越细，所形成的奥氏体晶粒越细小，加热温度相对较低，也可以获得较高的淬火硬度。

因此，汽车感应淬火零件一般采用正火或调质两种预处理工艺对原始组织进行细化。

与正火工艺相比，调质工艺所获得的组织晶粒较细、原始组织弥散；钢的屈服强度、塑性和韧性明显提高，综合机械性能优良；加热时奥氏体均匀化时间短、淬火温度较低、淬火变形与裂纹倾向性较低。

4.4、感应淬火零件的回火工艺

很多情况下，感应淬火零件需要进行回火处理，回火可以降低零件的脆性，提高韧性，减少内应力，防止开裂，防止变形，提高尺寸稳定性，是保证零件综合机械性能的重要热处理工序。

表4-1回火方式与特点

回火方式

用途

炉中回火

150～180°C

（一般1.5h）

主要用于耐磨类零件

180～200°C

（一般1.5～3h）

主要用于工作负荷较大，强度要求较高的零件。

如传动轴、半轴、贯通轴、曲轴等。

200～250°C

（一般1.5～3h）

负荷较大强度要求较高的大马力发动机曲轴。

自回火

利用零件自身余热达到回火的目的，工艺稳定性差，关键件不采用。

感应回火

利用感应加热方法进行回火，该方法采用较少，高强度大扭矩件一般不采用。

4.5、淬火冷却介质

淬火冷却介质是用于工件淬火冷却所使用的介质。

选择合适的淬火介质和冷却参数是保证淬火质量，避免淬火缺陷产生的重要环节。

通常感应淬火采用喷射冷却的方式，有时也采用流水冷却和浸沉冷却。

目前常用的淬火介质有水、水溶性高分子合成淬火剂（聚乙烯醇合成淬火剂、聚醚水溶液）、淬火油等。

水是最便宜、最清洁，对环境没有污染的淬火介质。

用于中碳钢制造的形状简单的零件；水溶性高分子合成淬火剂用于中碳合金钢的淬火；淬火油多用于浸沉淬火。

影响冷却能力的因素：

喷射压力、介质浓度、介质温度、

五、感应淬火零件技术条件

零件表面感应淬火技术条件一般包括：

表面硬度、有效硬化层深度、硬化区范围、预先热处理等

5.1、表面硬度

硬度范围

适用范围

HRC56∽62

HRC58∽63

对耐磨性要求较高的零件。

典型零件有变速叉轴、突缘、球头销、凸轮轴、刹车凸轮、曲轴、钢板弹簧销等。

HRC52∽58

对耐磨性要求一般，用于传递扭矩并承受冲击载荷，要求具有较高的强度和韧性的零件。

典型零件有半轴、贯通轴、行星轮架、转向节等。

HRC45∽58

用于球墨铸铁零件。

5.2、有效硬化层深度

从淬硬的工件表面量至规定硬度值处的垂直距离。

对耐磨性要求一般，用于传递扭矩并承受冲击载荷，要求具有较高的强度和韧性的零件。

有效硬化层深度一般按零件直径的10∽15%计算。

可以根据零件的直径及所承受的扭矩和冲击载荷分为以下几个范围：

Ds=0.5-1.0mm、Ds=2.0-4.0mm、Ds=3.0-5.0mm、Ds=5.0-7.0mm、Ds=7.0-9.0mm等（花键和齿轮Ds从齿根算起）。

5.3、硬化区范围

硬化区范围是根据零件的服役条件、几何形状及结构尺寸所规定的需要进行强化的区域。

合理地规定硬化区范围和硬化层分布，使其过渡层不出现在工作应力的集中部位，对提高零件的强度和防止淬火变形及开裂非常重要。

注意：

1）在轴端部，可以保留2∽8mm的不淬硬区，以免在轴端产生淬火裂纹；

2）花键类零件淬硬区花键全长大10∽15mm，将不完全花键部分包含在淬硬区内。

3）同一零件上的两个相邻的淬硬区应保持足够大的距离，以免在交接过渡

4）对于承受扭矩并带有法兰的区域产生裂纹；

5）淬硬区内有孔，孔应倒角；件（如半轴等）轴径与法兰的过度部分应规定有相应的有效硬化层深度。

5.4、淬火质量检验

目的:

进行质量评价确认零件感应淬火质量是否达到产品图纸规定的技术要求、检验感应淬火工艺是否正确和稳定、质量问题分析等。

5.4.1、表面硬度检验:

分为硬度计检验、标准锉刀检验

1）硬度计检验：

硬度计检验多用洛氏硬度计（HRC或HRA）检验。

但对于无法用洛氏硬度计直接进行检测表面硬度的零件，须制成样品用在有关技术文件规定的位置进行检验。

为了方便现场检验有时也使用便携式里氏硬度计。

硬度计检验可以得到较准确的表面硬度值，但检验数量受到限制。

2）锉刀检验：

因操作简单、易于携带、受工件形状的影响较小，多用于现场检验。

尽管测量不能得到准确的表面硬度值，但在大批量生产中对零件质量的总体控制是行之有效的方法。

5.4.2、有效硬化层深度检验：

硬度法、金相法

1）硬度法：

硬度法是将零件在感应淬火区内最具代表性的位置，垂直于硬化层表面取样，经磨平、抛光制备成符合检验标准的样品，使用维氏硬度计（HV），从硬化层表面向心部测量至规定的硬度值处的垂直距离。

在未明确规定极限硬度值的情况下，可以将所规定硬度范围下限值的0.8倍作为极限硬度值进行测量，目前该方法是国际通用的有效硬化层检验方法。

2）金相法：

金相法是将零件在感应淬火区内最具代表性的位置，垂直于硬化层表面取样，经磨平、抛光、腐蚀制备成符合检验标准的样品，用金相显微镜从硬化层表面向心部测量至50%马氏体处的垂直距离。

作为硬度法的一种补充该方法仍在广泛使用。

对于有效硬化层深度要求不深，淬火过渡区较短的中碳钢和中碳低合金钢制零件，两方法的检验结果差别不大。

六、汽车零件感应淬火技术要求在零件图样上的表示方法

6.1、感应淬火技术要求在图样上的表示方法总则

6.1.1零件图样上的感应淬火技术要求（以下简称技术要求）是指零件经感应淬火处理后成品零件最终状态（以下简称最终状态）应达到的技术指标。

6.1.2感应淬火技术要求可以用已标准化的符号、代号标注，也可以用文字说明，文字说明一般写在图面左下角，与其他工艺的技术要求写在一起。

特殊情况允许写在图面上其他部位的空白处。

能在图形上标注的，尽量避免用文字说明。

6.1.3技术要求标注必须简明、准确、完整、合理。

如果技术要求内容较多，且另有技术标准或技术规范时，除标注主要内容外，可写明按相关标准或相关技术规范执行。

6.1.4技术要求的指标值，如表面硬度值、有效硬化层深度值、心部硬度值等要求（参照JB/T8555规定）,一般采用范围表示法标出上、下限，如52～58HRC；DS＝1～3。

也可以用偏差表示法表示。

偏差表示法以技术要求的下限值为名义值、下偏差的偏差值为零，加上偏差来表示，如52＋6HRC，DS＝1＋2。

特殊情况也可只标注下限值或上限值，如不小于45HRC，DS≥3。

在同一产品的所有零件图样上，应采用统一的表达形式。

要求零件表面硬度或有效硬化层深度检测必须在指定点（部位）时，如图

6.2、感应淬火零件硬化区域的表示方法:

（参照GB/T131）

感应淬火硬化区域在图样上的表示局部有硬化要求的部位在图样上用粗点划线框出

轴对称零件可用一条粗点划线硬化与不硬化均可的部位用虚线表示不允许硬化

画在热处理部位外侧表示或不要硬化的部位则不必标注

图6-6形状复杂零件感应淬火技术要求的标注方法

零件感应淬火标注图Y部感应淬火技术要求标注图Z部感应淬火技术要求标注图

6.3、感应淬火硬度要求在图样上的表示

用洛氏硬度（GB／T230）在图样上表示表面硬度。

表面硬度的标注包括两部分，即要求硬度值和相应的试验力，如：

78HRA，55HRC。

试验力的选取与所要求的最小有效硬化层深度有关。

表1-1是用洛氏硬度表示表面硬度时的关系表。

心部硬度在图样上的表示用布氏硬度（GB/T231）表示零件心部硬度。

代表符号HBS，如170～230HBS。

表6-1以洛氏硬度A标尺或洛氏硬度C标尺表示时，最低表

面硬度、最小有效硬化层深度、表面硬度与试验力之间的关系

最小有效硬化层深度mm

最低表面硬度

HRA（60Kg）

HRC（150Kg）

70~75

75~78

78~81

>81

40~49

49~55

55~60

>60

0.4

HRA

0.45

HRA

0.5

HRA

0.6

HRA

0.8

HRA

HRC

0.9

HRA

HRC

1.0

HRA

HRC

≥1.2

HRA

HRC

6.4、有效硬化层深度在图样上的表示

图样上感应淬火、回火零件有效硬化层深度代号按GB5617规定，用‘DS’表示，单位为mm（标注时，单位‘mm’可省略），有效硬化层深度的定义和测量方法按GB4340、A08M—8.1规定执行。

有效硬化层深度的标注包括三部分，即有效硬化层深度代号‘DS’，测量有效硬化层深度的界限硬度值和要求的有效硬化层深度值，如DS＝450HV11.2～2.0。

有效硬化层深度界限硬度值的选取与技术要求的硬度下限值有关，按A08M—8.1规定执行。

在剖面图上，感应淬火有效硬化层区域可用粗点划线标出。

6.5、感应淬火技术条件图样标注示例

标注除硬度以外的其他力学性能要求时（如强度、冲击韧性等），应在零件图样上注明具体技术指标和取样方法。

零件感应淬火的外观质量、金相组织等无法用量值表达的要求，一般均用文字说明。

图6-8局部感应淬火标注方法

偏差表示法局部感应淬火

范围表示法局部感应淬火：

表面硬度56～62HRC，有效硬化层深度DS＝450HV11.2～2.0

七、汽车零件感应淬火材料、结构与技术要求的工艺性

7.1、感应淬火硬化区域设计通则

感应淬火可以实现零件的局部淬火，根据零件的服役条件，原则上淬火硬化区域可以设计在零件需要的任何部位。

但对感应淬火具有的独特特点，如边缘效应（亦称楞角效应）等，在零件硬化区域设计时必须考虑到，否则可能给零件带来伤害。

7.1.1靠近轴端和孔边的淬火硬化区设计

淬硬区表面有槽、孔、淬火硬化区靠近轴的端头时，为防止孔边、或楞边产生淬火裂纹，端头应该有大于1×45°的倒角，以削弱边缘效应，同时允许在槽、孔附近和轴的端头有宽度为A的软带或未淬区，如图6-1、图6-2及表2-2所示。

图7-1允许在槽、孔附近和轴的端头图7-2感应淬火硬化区接近端头

有宽度为A的软带或未淬区或孔边的设计示例

表7-1槽、孔附近和轴的端头允许的软带或未淬区宽度A

有效硬化层深度DSmm

Amm

≤3

2≤A≤8

≥3

3≤A≤12

7.1.2淬火硬化区域内有孔时的设计

孔、楞、沟、槽等结构的存在经常是产生淬火裂纹的根源，所以感应淬火区域内不希望有这些结构。

当由于零件的功能需要，这些结构必须存在时，孔径越小越好，并且在孔的端部应有大于1×45°的倒角；楞越低越好，并加上大于1×45°的倒角；沟槽越浅越好，并能完全包容在硬化层之内。

淬火硬化区域内有孔时的设计如图6-3所示。

销子淬硬区域内的孔曲轴轴颈淬硬区内的油孔

图7-3淬火硬化区域内有孔

7.1.3淬火硬化区域内有沟槽时的设计

淬火硬化区域内的轴颈表面需要有安装卡环的凹槽或有螺纹时，应使凹槽深度h小于或等于有效硬化层深度DS的1/2，以减弱尖角效应，同时凹槽对轴的强度的损害也能得到适当的补偿。

图7-4硬化区域内有沟槽时图7-5当淬火硬化区域内有

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