感应淬火表面裂纹原因及解决方法

一、感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生高密度的感应电流，使工件表面通过电热效应迅速加热，然后立即淬火冷却的一种热处理方法。这种方法不仅淬火质量高，而且易于控制，能够实现机械化和自动化，生产效率高。所以感应加热表面淬火在热处理生产中占有重要的地位。

(一)感应加热的基本原理

感应加热原理如图6-31所示。当感应圈(由空心铜管绕制而成)中通过一定频率的交流电时，其内外将产生与电流同频率的交变磁场。此时，在交变磁场作用下，放置在感应圈中的工件中将产生与外加电流频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流在工件内自成回路，故通常称为涡流。涡流主要分布于工件表面，即工件表面电流密度最大，心部电流密度最小，当电流频率足够高时，工件心部几乎没有电流通过。这种现象叫做集肤效应或表面效应。感应加热就是利用电流的集肤效应，并依靠电流的热效应将工件表层迅速加热至淬火温度。这种加热升温极快，几秒钟内即可使温度上升至800～1000℃，所以当工件表层达到淬火温度时，其心部温度仍接近室温。几乎在工件表层快速升温至淬火温度的同时，喷水套立即喷水冷却，实现快速表面淬火。

图6-31　感应加热表面淬火示意图

表面加热时，感应电流的频率越高，电流透入深度越小，工件表面加热层也越薄。因此，感应加热工件表面淬火层的厚度主要取决于电流的频率。

(二)感应加热表面淬火的应用

生产中根据工件对表面淬硬层深度的要求，选择不同感应加热设备和电流频率。目前常用的感应加热表面淬火工艺主要有以下四种。

1．高频感应加热表面淬火

高频感应加热表面淬火是目前应用最广泛的表面淬火方法。我国生产的高频设备，其工作频率为70～1000kHz，常用频率为200～300kHz，可获得0．5～2mm的表面淬硬层深度。高频感应加热表面淬火主要用于中、小模数齿轮和中、小尺寸的轴类等零件。

2．中频感应加热表面淬火

中频感应加热表面淬火设备为机械式中频发电机或可控硅中频变频器，其工作频率为500～10000Hz，常用频率为2500～8000Hz，可获得2～8mm的表面淬硬层深度。中频感应加热表面淬火主要用于发动机曲轴、凸轮轴、大模数齿轮、较大尺寸的轴和钢轨等工件。

3．工频感应加热表面淬火

工频感应加热是使用工业频率电流(50Hz)，直接通入感应器加热工件。由于电流频率较低，其表面淬硬层深度可达10～15mm以上。主要用于大直径钢材的穿透加热和要求淬硬层深的大直径工件，如轧辊、火车车轮等。

4．超音频感应加热表面淬火

超音频感应加热装置是60年代发展起来的一种先进的表面淬火加热设备，其所用的工作频率一般为20～40kHz，由于工作频率比音频(＜20kHz)略高，故称超音频。这种表面淬火主要用于模数为3～6的齿轮，也可用于链轮、花键轴、凸轮等零件的表面淬火。

工件感应加热表面淬火后需进行低温回火，以降低内应力。

(三)感应加热表面淬火的特点

与普通淬火相比，感应加热表面淬火主要有以下特点。

(1)感应加热表面淬火钢件表面的加热速度极快，保温时间极短，由于晶粒来不及长大而可获得细小而均匀的奥氏体，淬火后得到极细小的隐晶马氏体，可使工件淬火后表面硬度比普通淬火高2～3HRC，同时脆性也比较低。

(2)感应加热表面淬火后，工件表层强度提高，并且产生较大的残余压应力，因此可以显著提高零件的疲劳强度并降低其缺口敏感性。

(3)感应加热表面淬火后，工件的耐磨性比普通淬火件高。这主要与奥氏体晶粒细化、表面硬度提高以及表面处于压应力状态等因素有关。

(4)感应加热表面淬火时工件不易氧化和脱碳，淬火变形小。如精度要求不高的齿轮可以在感应加热表面淬火、低温回火后直接装配使用。

(5)表面淬火淬硬层深度易于控制、可实现机械化和自动化，生产效率高，适合于大批量生产，尤其是对于大批量的流水生产极为有利。

感应加热表面淬火的缺点主要有加热设备较贵，维修、调整比较困难，形状复杂零件的感应器不易制作等。

(四)感应加热表面淬火用钢

感应加热表面淬火通常采用的是中碳钢和中碳合金钢，如40、45、50、40Cr、40MnB等。这类钢基本都用于制造机床、汽车，及拖拉机齿轮、轴等重要零件。这类零件在表面淬火前一般都经过正火或调质处理，但因其工作时承受交变应力、载荷较重、有的表面遭受磨损，故要求通过表面淬火进一步提高其表面硬度、强度、耐磨性及整体疲劳抗力。

铸铁制造的机床导轨、曲轴、凸轮轴及齿轮等，采用高频或中频表面淬火可以显著提高其耐磨性及抗疲劳性能。

中、小模数齿轮如选用普通钢种制造，因其齿廓尺寸较小，表面淬火时常发生整齿淬硬而使其韧性变差。为解决这类问题，目前国内还广泛采用低淬透性钢进行高频感应加热淬火。这类钢是在普通碳钢的基础上，尽量降低Mn、Si的含量，同时加入少量的Ti和V进一步降低过冷奥氏体的稳定性。低淬透性钢常用的钢种有55Ti、60Ti等。