感应回火工艺

2018-10-08 00:00:00    来源：感应回火工艺    点击：1794    喜欢：0

中碳钢和中碳低合金钢的机械零件感应淬火后，可以得到56～65HRC的硬度，一般需进行回火处理。将感应淬火后的零件，通过150～250℃的温度，处以1.5～3h的保温回火处理，空冷，使碳从淬火马氏体的固溶体上析出细小的碳化物，形成回火马氏体。用不同的温度回火，将淬火马氏体的硬度控制在50～62HRC以取得综合的力学性能，满足机械零件的服役条件。

1.感应回火特点

通常，感应淬火的工序后，配以具有温度、时间自动控制的电加热的箱式炉，井式炉，或是网带炉。这类工艺设备的配置，工艺简单，控制可靠，机械零件的回火质量稳定。我们将此感应淬火零件的回火姑称为传统的回火工艺。

现代机械零部件的生产采用了一物流的组织方式。传统的回火工艺方式因零件在回火工艺设备中流转周期过长及回火过程中装夹定位不便而不太适应一物流的生产组织。于是，零件感应回火的生产节拍能和感应淬火生产节拍一致，装夹定位一致，所以感应回火工艺及装备被推广应用于一物流生产线中。

淬火马氏体通过回火，其α固溶体仍有一定的碳的过饱和度，仍保持了淬火钢的高硬度和高耐磨性，同时降低了零件淬火层的脆性和内应力，以免零件在服役过程中的冲击力下的崩裂过早失效。那么，如何知道淬火零件回火充分性？用什么方法来评判回火的充分性和检测回火的程度？传统的回火工艺方式的零件回火充分性和回火的检测是众所周知，通过回火零件的表面硬度的检测，和第二次该零件相同温度、时间回火后，检测表面硬度差不大于1HRC，即为零件回火充分。电加热回火炉的的加热是空气传导和热辐射，测温器件是热电偶，零件的温度可以用炉内的温度场的温度来准确表征。而感应回火，感应回火的装备，采取的是电磁场感应加热，即钢在频率较低的磁场中产生感应涡流，从而发热，使零件被回火。零件是发热体，应用了红外测温仪测零件的表面温度为准（红外测温仪在测温过程中受环境条件的诸多影响因素不在本文的讨论范围）。零件回火后的硬度检测，目前是沿用了传统的回火工艺的回火检测，即测零件表面硬度。

2.感应回火的试验及检验

我们在上海恒精公司制造的通用设备上对图1所示零件，感应淬火后进行感应回火试验。试验条件和检验结果见表1、表2。

图1  感应淬火回火后零件硬化层分布

表1  淬火回火试验条件

表2  淬火回火检测结果

从表2上测试的数据上分析，回火的目的似乎已经达到。

感应加热的方式和传统回火加热的方式有些本质的不同，即感应加热是感应涡流使钢的表面自体发热加热，时间短；传统回火加热是外部发热体通过热传导和辐射进行加热，时间长，有足够的时间使热量在钢内部传导并使温度均匀。为了检查整个硬化层的回火程度，对感应回火后的零件进行硬度梯度的测定，以反映感应回火时感应涡流透入加热深度效果。硬化层梯度测定，如图2所示。

图2  淬火及回火硬度曲线

感应淬火后的淬火硬化层的硬度梯度曲线1，感应回火后的淬火硬化层的硬度梯度曲线2表明，仅零件淬火层的表面得到充分回火，而表层下的硬化层，未能得到充分的回火。文献表明，感应加热回火的加热深度，要大于淬火时的加热深度，以减少或消除硬化层与过渡层之间的拉应力。感应加热时零件的涡流分布特性与电流透入深度见图3。

（a）电流密度分布      （b）涡流透入深度

图3  涡流分布特性与电流透入深度

图3表明涡流强度随表面距离变化的关系。涡流分布是高度集中在零件的表面中，而且涡流强度随距离增大而急剧下降，随距离的e指数比下降的。实际应用中，规定Ir下降到Io的36.79%为电流透入深度，同时可近似认为涡流只存在于零件表面电流透入深度的薄层中，而在薄层以内的心部没有涡流。由于涡流产生的热量与涡流强度的平方成正比，所以从表面向心部，热量的下降要比涡流下降的更快。

经计算证明，85.6%的热量是产生在电流透入深度内。当感应加热时，零件的外表面温度达到了钢回火要求的温度，但因时间极短（相对传统回火时间的千分之一），钢的热传导未能发生，同时感应涡流强度的梯度大，在整个有效淬火硬化层，不能达到均匀一致的回火温度，形成感应回火零件表层回火，而整个淬火硬化层未能充分回火的现象。

表3  回火试验参数及检测结果

提高感应回火功率或回火时间，能不能改善感应回火的透入深度？分别对感应回火的时间和功率参数进行试验，见表3。提高感应回火功率或回火时间，表面温度升高了，感应回火零件表面硬度下降。

吻合相关资料，在要求的硬度范围内，感应回火温度比传统回火工艺温度高50～60℃。对感应淬火层的硬度梯度分析，45、55钢的感应淬火后，表面硬度都一般大于60HRC，有效硬化层的一半，达到58HRC以上，因此，在该部分的回火温度要求是基本相同的。而上述的工艺，因为感应涡流强度随距离的急速下降，在硬化层各点上产生的温度，难以满足此处回火硬度要求。

感应回火过程中，有感应涡流产生的回火所需热量及其热传导，两者要有产生热量的速度及传导热量的速度平衡，当产生热量的速度大于传导热量的速度，零件表面持续升温，超过零件回火要求温度，导致表面硬度降低；反之，会导致回火不充分。所以，仅提高感应回火功率或回火时间，不能达到回火要求。

3.工艺方案

在试验的测温过程中，感应加热结束后温度从280℃在2～3s间降到90～100℃。零件表面层的热量向外表—空气和内部—钢扩散，当然，钢的热传导系数比空气大的多，感应回火加热热量是大部传递给钢的内部。可以设计，在感应回火过程中，感应加热并保持表面的温度在270℃，以传导加感应涡流方式，来加热整个感应淬火硬化层，达到淬火层的回火目的。

试验工艺如表4所示，在第一次感应加热后，空冷2s，再以第一次功率的1/2感应加热2s，空冷2s，喷水冷却。硬度梯度检验见图2中的曲线3，整个感应淬火硬化层被回火后得到了较均匀的平坦回火硬度曲线。

表4  回火试验工艺参数及检测结果

4.感应回火后的检测方法讨论

本文已阐明了感应回火加热和热传导的方式与传统回火方式的差异。用传统回火工艺的控制检测方式，即控制温度和检测表面硬度，不能正确并有效地反映控制零件淬火层的感应回火质量。感应回火加热的特征是感应涡流发热，具有表面趋肤效应和涡流强度随距离e指数减弱，热传导的作用相对弱，不适当的感应回火工艺，会使感应淬火硬化层在感应回火后，表面达到工艺的回火要求，但在感应淬火层的内部，存在回火不充分。因此，必须在感应回火的控制和检测方式上有功率、加热时间、表面温度、表面硬度、淬火硬化层硬度梯度的要素。

感应回火参数的选择：感应回火的频率必须比感应淬火的频率低，因为回火加热层一定要大于淬火加热层；如设备条件不具备淬火—回火双频工况时，感应回火的比功率应是感应淬火的1/5～1/3。

5.结语

（1）感应回火的加热方式、热传导方式和传统回火的差异，使两者的控制和测量有不同的要求。感应回火要求有功率、加热时间、表面温度、表面硬度、淬火硬化层硬度梯度的要素。

（2）感应回火后的淬火层硬度梯度检测，反映了回火硬度的充分性。

（3）根据感应加热原理，制定的感应回火工艺保证了零件的回火充分性。

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