感应热处理的精妙之处

译者：彭智泓

最近，应达公司应邀就汽车工业现代感应热处理技术举办了三场视频研讨会：

•首场研讨会于 2021 年 4 月 28 日举行。以“感应淬火的失效诊断及预防：常用的补救措施、形状不规则零件和设计不当的影响”为议题。研讨会的形式为90 分钟的口头报告，接着是 15-20 分钟的问答环节。

•第二场研讨会于 2021 年 5 月 11 日举行。以“感应热处理技术：基础与超越”。会议形式为70 分钟的口头报告，然后是 30 分钟的问答环节。

•第三场研讨会于 2021 年 5 月 20 日举行。标题：“电动汽车 (EV) 感应热处理的最新进展及展望”。首先是90 分钟的口头报告，然后是 15-20 分钟的问答。

参会人员包括与汽车行业相关的感应加热和热处理技术从业者、工程师、冶金专家、经理、失效分析师和科学家。

介绍

利用电磁感应进行热处理的技术正在加速发展，以应对瞬息万变的商业环境所面临的新挑战（图 1）。热处理商传统上用来评估感应设备的因素包括技术能力、性能一致性、交货期、机器寿命和价格。根据新近的行业趋势，在决定购买热处理设备时还得考虑其他因素，包括卓越的设备灵活性、零件的可追溯性、可持续性和数字通信系统，同时仍然满足对更高质量的产品、能源效率以及环保的要求。在这几次研讨会上，推出几个新开发的创新感应热处理工艺和系统，以及新的理论发现，并具有实际应用；也讨论了与质量保证、过程监控和系统稳健性以及降低总体成本和实现工业 4.0 运营战略方面相关的主题。

图1

钢、铸铁和粉末冶金（PM）材料的淬火是感应热处理最普遍的应用之一。表面淬火的主要目的之一是在工件的特定区域形成马氏体层，以增加其硬度、强度和耐磨性，同时又让零件的其余部分不受工艺影响；而形成所需的压缩残余应力则是表面淬火的另一个重要方面。

常见的错误假设

认识了所有电磁现象的重要性，趋肤效应则代表了感应加热 (IH) 的基本特性。不巧的是，在许多专门论述感应加热的出版物中，电流和功率密度（热源）沿工件厚度/半径方向的分布往往被简化并认为从表面到工件呈指数递减。然而，这种常见的假设仅适用于具有恒定电阻率的均质非磁性固体。因此，实事求是地讲，这种假设仅适用于一些独特的情况，因为对于包括表面淬火在内的绝大多数感应加热应用，加热工件内总是存在明显的热梯度。这些热梯度导致电阻率和相对磁导率的非恒定分布。因此，由于被加热工件的物理特性存在非线性，指数热源分布的主要假设与其基本假设不符。

实际上，在感应加热的不同阶段，沿工件半径/厚度的热源分布可能具有独特的波形，这与通常假设的指数分布有很大不同。作为示例，图 2 显示了表面奥氏体化过程中不同阶段表面淬火直径为24 毫米碳钢轴时功率密度的径向分布。

图2

热源的非指数（波形）分布对工艺参数、加热方案、最终温度分布和硬度模式的选择具有显著影响。这是因为，如果表面淬火的频率选择正确，奥氏体化层（非磁性层）的厚度小于当前在奥氏体化钢中的电流透入深度，并且在感应表面淬火的大部分加热循环时间会发生波浪形热源分布。

感应淬火的冶金特性

大家应该认识到，从冶金学角度讲，有许多因素将感应淬火与替代热处理工艺区分开来。两个最明显的因素是：

由于感应淬火不会改变钢的化学成分，钢种必须具有足够的碳和合金含量，才能达到一定的表面硬度、淬硬层深度以及心部硬度。

与替代的化学热处理工艺相比，快速加热具有一定的冶金意义，它极大地影响了奥氏体形成的动力学。

感应加热最吸引人的特点之一是其高生产率和在工件所需区域快速产生热量的能力。感应淬火应用中的加热强度通常超过 200°C/s（表 1），在某些情况下，可达到 1,800°C/s 甚至更高（例如，双频齿轮淬火）。

表 1：选定感应加热应用中的典型加热强度

根据连续加热相变 (CHT) 图，快速加热显著影响奥氏体形成的动力学，使其向更高温度移动。不巧的是，一些热处理从业者不知道这些重要的图表。研讨会揭示了在为感应淬火应用选择合适温度的同时考虑钢的先前显微组织的热强度和细节（例如，退火、正火、淬火和回火）的重要性。

超硬化现象

在对钢进行表面淬火时，结合实用的先前显微组织，快速加热速率和强烈淬火可能会导致所谓的超硬化现象。这种现象是指在表面淬火的情况下获得比通过硬化或通常所预期的硬度更高的硬度水平。由于这种现象，对于相同的钢成分，感应表面淬火零件的表面硬度可能比透热淬火钢给定碳含量的正常预期高 2 至 4 HRC（更典型的是 1 至 3 HRC）。

目前对超硬现象的认识尚不明确，其起源尚未被冶金学家确认或在世界范围内广泛接受。然而，它已经在许多场合通过实验获得，并已提供了几种解释。在这些视频研讨会中，已经审查了显示超硬现象的必要条件并对其原因和好处进行了解释。

混合淬火结构的微妙之处

人们普遍认为，钢经淬火后的硬度水平随着淬火强度的增加而增加。随着冷却速度的强度增加而增加（从空冷到油淬再到水淬），预计硬度将跟随冷却强度。因此，完全马氏体组织的硬度和强度高于替代相，但韧性和延展性较低。虽然这通常是一个正确的假设，但一些研究人员的工作表明，在某些条件下，马氏体和下贝氏体的回火混合物的强度 (UTS) 可以超过单马氏体的强度（图 3），然而，可以比相应的均相更坚韧 [3]。

图 3

混合物的规则，其中强度表示为组分相的加权平均值，并不能解释这种现象。几位科学家（包括 Edwards、Mutiu、Zhou、Bhadeshia 等）对这种现象的原因提供了解释。这些解释已在所提供的材料中进行了讨论。

感应回火与炉子回火

应用以下标准对快速回火与炉子回火的比较给予了特别关注：

·时间-温度相关性。

·所需的车间面积。

·加热的均匀性。

·冶金和性能特点。

·能源效率和可控性。

·符合人体工程学和环保。

·在线和单件加工能力、质量保证和监控。

·成本因素、维护和节省人力等。

通常，客户要求设备制造商引用相同的系统对零件进行感应淬火和回火。可以使用相同的线圈和相同的电源对零件进行淬火和回火。在某些情况下，它是最佳的设想，并且具有明显的低成本优势和更少的存储工具；但是，在其他情况下，它可能并不最适合客户的要求。由于多种原因，在绝大多数应用中，设计用于淬火的感应器不用于回火。其中一些原因包括：

•在感应淬火中，为了获得复杂形状工件所需的硬度模式，需要重新分配电磁场，以便在特定区域引入更多能量。然而，淬火的最佳场分布可能不适合回火。经常建议回火感应器不应只加热选定的硬化区域，而应加热更大的区域，甚至在某些情况下，甚至可以加热整个工件。因此，与淬火相比，回火可能需要明显不同的线圈设计和频率。

•根据电源类型，当尝试使用专为淬火应用而设计的逆变器以适合回火的低功率水平（例如 2% 至 5%）运行逆变器时，可能会出现负载匹配限制。

       •为了优化热处理产品的冶金质量，与淬火相比，使用明显更低的频率进行感应回火是有利的，因为回火温度始终低于居里点。由于工件保持其磁性，趋肤效应很明显。表 2 说明了不同温度下中碳钢的典型电流透入深度（感应加热过程中产生最多热源的深度）与频率的关系：室温（20°C）、高温（620°C）以及超过 Ac3 点 (900°C) 的温度。对表 2 的分析表明，使用明显较低的频率进行感应回火是有利的。除此之外，设计用于高频淬火的典型感应器可能在低频回火中表现不佳，反之亦然。一个例外是 IFP™技术的应用，其中逆变器可以立即将频率改变 10 倍以上。

表 2

•回火是一个扩散驱动的过程；因此，完成它所需的时间可能明显长于淬火。感应淬火可能需要几秒钟，但感应回火可能需要几十秒甚至几分钟。因此，如果使用相同的系统进行淬火和回火，则生产和电源利用率可能会受到影响。

快速加热会偏离回火动力学，甚至可能会产生不连续的回火阶段 [1]，这可能对热处理人员有利。

感应回火被广泛接受的一个障碍是一些冶金学家对更短时间/更高温度的快速回火并不满意。他们认为加热整个零件并在一定温度下在炉中保持数小时的更合适。最近的研究可能会改变这一观点。

然而，最近由世界各地的各种研究人员进行的研究表明，在高温（500 至 700°C 范围内）下快速回火可以显著提高冲击韧性，这要归功于位错恢复和渗碳体粗化两者的延迟。这允许显著增加成核点的数量并促进细分散的渗碳体颗粒的形成，减少晶界碳化物的数量并提高“韧性与硬度”比。快速回火还有助于显著减少甚至消除回火脆化 (TE) 现象。

除此之外，科罗拉多矿业学院的科学家最近进行的研究表明，在 200 到 400°C 范围内可能出现的不良现象，例如回火马氏体脆化 (TME) 可以最小化，在某些情况下，甚至可以通过应用来消除快速回火。据报道，SAE 4340 钢快速回火可以在 1.7 GPa 的强度水平下以超过 43% 的惊人幅度改善断裂行为并提高冲击韧性。与传统的慢回火钢相比，在 30 J 的冲击韧性下，强度 (UTS) 也显著提高 0.5 GPa 以上 [2]。

内燃机汽车与电动汽车 

虽然预计内燃机汽车将在未来几十年依然为汽车领域的一部分，但应达公司正在为电动汽车市场调整感应热技术 [4]。电动汽车在加速或变速时会产生比内燃机汽车更高的瞬时扭矩。此外，电动汽车驾驶者可以真正享受平稳安静的性能。由于这些因素，必须加强动力总成部件以承受额外的负载和应力，提高冶金性能，同时最大限度地减少变形和噪音特性。

在前面提到的视频研讨会中讨论了将现代感应热处理应用于传统 ICE 汽车和电动汽车市场的不同方面，这些研讨会是由 应达公司为现代汽车行业的需求专门创建的，揭示了最近的理论发现和实践突破。

结论

目前，有成千上万的非常成功的感应热处理设备每天生产数百万个零件，供应给各行各业。然而，新聘用的热处理从业人员、设计师、失效分析员和工程师可能需要相当长的时间来获得所需的专门知识和经验，以了解感应处理的精妙之处。新手低估零件的特定几何特征和硬度模式，以及疏于了解不同工艺因素对热处理结果的影响，这可能会产生错误的结果。发现您的成品零件在热处理后开裂是令人沮丧的，不仅浪费资源且价格昂贵。这些视频研讨会的目的是通过帮助从事感应淬火和回火的专业人员更好地了解关键因素并了解感应热处理的最新发展，以最大限度地减少现场人员青黄不接的影响。

来源：应达公司  2021 年 7 月 15 日，常州精密钢管博客网