金屬熱處理工藝：高頻淬火的原理以及應(yīng)用
高頻淬火多數(shù)用于工業(yè)金屬零件表面淬火，將線圈通以高頻電流，產(chǎn)生高頻磁場，在鐵磁性材料中產(chǎn)生感生電流，由于趨膚效應(yīng)，感生電流聚積于材料的表面產(chǎn)生熱，達(dá)到相變溫度。激冷達(dá)到淬火目的。
感應(yīng)加熱與其它加熱爐傳導(dǎo)、對(duì)流或輻射使工件到達(dá)加熱溫度相比，它具有完全不同的加熱原理。感應(yīng)加熱是一項(xiàng)先進(jìn)的金屬加熱技術(shù)，是國家倡導(dǎo)的節(jié)能減排技術(shù)之一。它是利用金屬導(dǎo)體在交變磁場作用下產(chǎn)生的感應(yīng)電流引起自身發(fā)熱，而到達(dá)加熱金屬的目的。廣泛應(yīng)用于金屬熱處理、淬火、透熱、熔煉、焊接、熱套等眾多領(lǐng)域。感應(yīng)加熱具有非接觸、速度快、效率高、工序簡單、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等顯著優(yōu)點(diǎn)，并具有零排放、無污染和節(jié)能等優(yōu)勢，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。
高頻淬火基本原理是：
將工件放在通有交流電流的用空心銅管繞成的感應(yīng)加熱設(shè)備線圈內(nèi)，通入中頻或高頻交流電后，由于交變磁場的作用工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，在感生電勢的作用下工件內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流，依靠這些渦流的能量達(dá)到加熱目的。將零件表面或局部迅速加熱（幾秒鐘內(nèi)即可升溫800～1000℃，心部仍接近室溫）若干秒鐘后迅速立即噴(浸)水冷卻（或噴浸油冷卻)完成浸火工作，使工件表面或局部達(dá)到相應(yīng)的硬度要求。
感應(yīng)加熱設(shè)備，即對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)加熱，以進(jìn)行表面淬火的設(shè)備。
感應(yīng)加熱的原理：工件放到感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器一般是輸入中頻或高頻交流電(1000-300000Hz或更高)的空心銅管。產(chǎn)生交變磁場在工件中產(chǎn)生出同頻率的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流在工件的分布是不均勻的，在表面強(qiáng)，而在內(nèi)部很弱，到心部接近于0，利用這個(gè)趨膚效應(yīng)，可使工件表面迅速加熱，在幾秒鐘內(nèi)表面溫度上升到800-1000oC，而心部溫度變化很小。
高頻淬火的原理圖
高頻淬火詞語解釋
感應(yīng)加熱頻率的選擇：根據(jù)熱處理及加熱深度的要求選擇頻率，頻率越高加熱的深度越淺。
一、高頻(10KHZ以上)加熱的深度為0.5-2.5mm,一般用于中小型零件的加熱，如小模數(shù)齒輪及中小軸類零件等。
二、中頻(1~10KHZ)加熱深度為2-10mm，一般用于直徑大的軸類和大中模數(shù)的齒輪加熱。
三、工頻(50HZ)加熱淬硬層深度為10-20mm，一般用于較大尺寸零件的透熱，大直徑零件(直徑300mm以上，如軋輥等)的表面淬火。
感應(yīng)加熱淬火表層淬硬層的深度，取決于交流電的頻率，一般是頻率高加熱深度淺，淬硬層深度也就淺。頻率f與加熱深度δ的關(guān)系，有如下經(jīng)驗(yàn)公式：
δ=20/√f(20°C);δ=500/√f(800°C)。
式中：f為頻率，單位為Hz;δ為加熱深度，單位為毫米(mm)。
感應(yīng)加熱表面淬火具有表面質(zhì)量好，脆性小，淬火表面不易氧化脫碳，變形小等優(yōu)點(diǎn)，所以感應(yīng)加熱設(shè)備在金屬表面熱處理中得到了廣泛應(yīng)用。
感應(yīng)加熱設(shè)備是產(chǎn)生特定頻率感應(yīng)電流，進(jìn)行感應(yīng)加熱及表面淬火處理的設(shè)備。
感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用
一、應(yīng)用
在汽車、機(jī)床等機(jī)械設(shè)備的制造和生產(chǎn)中，有許多傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的工件需要承受較大的載荷及頻繁的啟停，因此就需要其表面具有高的硬度、強(qiáng)度以及耐磨性，而心部又需要較好的韌性。比如：齒輪，凸輪軸，氣門桿，前進(jìn)桿，汽車半軸，花鍵軸，鏈輪、光軸、導(dǎo)軌、仿形件等。所以需要對(duì)這些工件進(jìn)行表面熱處理，傳統(tǒng)的表面熱處理有：表面滲碳、滲氮；碳氮共滲；表面淬火等，表面淬火相比于其他熱處理工藝成本更低，效率更高，而且變形量小，操作更簡單，優(yōu)勢十分明顯，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。
承受扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變負(fù)荷作用的工件，要求表面層承受比心部更高的應(yīng)力或耐磨性，需對(duì)工件表面提出強(qiáng)化要求，適于含碳量We=0.40～0.50%鋼材。
二、工藝方法
快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合。
通過快速加熱使待加工鋼件表面達(dá)到淬火溫度，不等熱量傳到中心即迅速冷卻，僅使表層淬硬為馬氏體，中心仍為未淬火的原來塑性、韌性較好的退火(或正火及調(diào)質(zhì))組織。
三、主要方法
感應(yīng)加熱表面淬火(高頻、中頻、工頻),火焰加熱表面淬火，電接觸加熱表面淬火，電解液加熱表面淬火，激光加熱表面淬火，電子束加熱表面淬火。
表面淬火原理
(一）基本原理：
將工件放在用空心銅管繞成的感應(yīng)器內(nèi)，通入中頻或高頻交流電后，在工件表面形成同頻率的的感應(yīng)電流，將零件表面迅速加熱(幾秒鐘內(nèi)即可升溫800～1000度，心部仍接近室溫)后立即噴水冷卻(或浸油淬火)，使工件表面層淬硬。
(二）加熱頻率的選用
室溫時(shí)感應(yīng)電流流入工件表層的深度δ(mm)與電流頻率f(HZ)的關(guān)系為：頻率升高，電流透入深度降低，淬透層降低。常用的電流頻率有：
1、高頻加熱：100～500KHZ，常用200～300KHZ，為電子管式高頻加熱，淬硬層深為0.5～2.5mm，適于中小型零件。
2、中頻加熱：電流頻率為500～10000HZ，常用2500～8000HZ，電源設(shè)備為機(jī)械式中頻加熱裝置或可控硅中頻發(fā)生器。淬硬層深度2～10 mm。適于較大直徑的軸類、中大齒輪等。3、工頻加熱：電流頻率為50HZ。采用機(jī)械式工頻加熱電源設(shè)備，淬硬層深可達(dá)10～20mm，適于大直徑工件的表面淬火。
(三）、感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用：
與普通加熱淬火比較具有：
1、加熱速度極快，可擴(kuò)大A體轉(zhuǎn)變溫度范圍，縮短轉(zhuǎn)變時(shí)間。
2、淬火后工件表層可得到極細(xì)的隱晶馬氏體，硬度稍高(2～3HRC)。脆性較低及較高疲勞強(qiáng)度。
3、經(jīng)該工藝處理的工件不易氧化脫碳，甚至有些工件處理后可直接裝配使用。
4、淬硬層深，易于控制操作，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化。
四、火焰表面加熱淬火
適于中碳鋼35、45鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr及65Mn、灰口鑄鐵、合金鑄鐵的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤氣-氧混合氣燃燒的火焰噴射快速加熱工件。工件表面達(dá)到淬火溫度后，立即噴水冷卻。淬硬層深度為2～6mm，否則會(huì)引起工件表面嚴(yán)重過熱及變形開裂。
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