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什么是感应淬火?感应淬火有什么优势?如何无损检测感应淬火质量?

概要

感应淬火包括两个过程步骤:加热,然后用淬火液进行快速冷却(淬火)。那么如何快速评价感应淬火质量呢?由于淬火表面层的硬化厚度对零件的刚度和韧性之间的平衡有重要影响,表面硬化深度SHD的检查(根据DIN ISO 15787:2010)是零件生产的一部分,通常以随机方式破坏性地进行。德国Fraunhofer超声反向散射无损测试技术专用于快速且非破坏地检测表面感应淬火硬化深度。

什么是感应淬火?——感应淬火原理

  感应淬火包括两个过程步骤:加热,然后用淬火液进行快速冷却(淬火)。加热是由流经线圈(有时称为电感器)的交流电流引起的,线圈的大小和形状根据工件而定。交流线圈电流产生相应的交流磁场,该磁场又在工件内部感应出涡流。这些涡流在工件内部产生热量。加热深度与线圈电流频率成反比。较高的频率会在工件中产生较浅的热量。这种非常有用的现象称为“集肤效应”。热量起源于工件内部,而不必通过表面的辐射或对流传递到工件中。因此,加热时间短(例如几秒钟),并且避免了不必要的芯部加热。
感应淬火线圈电路原理 集肤效应-高频淬火导致表面温度快速升高
  在淬火之前,钢制工件表面在室温下包含α-铁(铁素体)和渗碳体(Fe3C)的混合物。感应线圈将表面材料加热到至少723°C(共析温度),使铁素体转变为g-铁(奥氏体)。因此,钢被“奥氏体化”。同时,来自可用渗碳体的碳溶解到奥氏体中,因为碳在奥氏体中的溶解度比在铁素体中的溶解度高得多。这种溶解的碳至关重要,因为钢质工件须包含至少0.02%的碳才能淬火硬化。
  在下一个工艺步骤(淬火)中,奥氏体钢以受控的速度快速冷却。这种快速冷却可防止碳原子扩散以及原始铁素体和渗碳体混合物的重整。溶解的碳原子被困在铁素体中,从而使铁素体的体心立方(BCC)晶体结构变形为称为马氏体的体心四方(BCT)结构。温度差和冷却速率可通过选择正确的淬火介质(例如油或含聚合物添加剂的水)进行控制,从而确定马氏体的形成水平。在转变温度以下更快地冷却会产生更多的马氏体。新鲜的马氏体坚硬易碎。回火(在规定的时间段内控制加热到规定的中等温度)可降低这种脆性,并为钢提供所需的硬度,强度和韧性组合。

为什么选择感应淬火?感应淬火有什么优势?

  传统上,表面渗碳热处理已用于淬火硬化各种各样的机械传动部件,例如传动轴、齿轮、回转支承、齿圈和轴承座圈等。渗碳过程简单明了,数十年来已广为人知。但是,越来越多的制造商正在通过感应淬火来增强或替换其渗碳工艺,在这种工艺中,表面材料的冶金结构通过准确控制的快速表面加热和快速冷却(淬火)顺序进行转变(硬化)。感应淬火的实际优势包括:
  ? 很小的工件变形-感应淬火加热工件表面。避免了过热。快速的加热/淬火顺序将变形降至尽量低,从而降低了对昂贵且费时的二次加工和矫直操作的要求。
  ? 优异的冶金性能-工件加热局限于表面积,并且加热周期保持较短。避免了不必要的晶粒生长。
  ? 更高的产量-周期时间短(数分钟而不是数小时甚至数天),感应淬火可支撑更高的产量和简化的制造过程。
  ? 紧凑的机器占地面积-感应淬火需要更少的工厂占地面积。在垂直或接近垂直的平面上加工环可进一步减少设备的占地面积。
  ? 能够淬火硬化非常大的工件-感应淬火可以处理非常大的工件(例如直径为6米的环锻件/套圈)。
  ? 生产计划的灵活性-就像厨房中的微波炉一样,感应加热可以即时打开/关闭,而无需进行冗长的预热,冷却循环。当计划小批量和一次性零件时,生产计划人员具有更大的自由度。
  ? 在线质量控制-现代感应系统具有能量监测系统和硬度检查器,可在加工过程中对每个工件进行自动在线质量控制。
  ? 降低能耗-感应淬火主要是加热表面而不是整个工件。加热周期必定很短,总能耗也很低。
  ? 低排放-感应淬火基本上不产生CO2排放。

回转支撑滚道和齿轮功能面感应淬火

如何无损检测感应淬火质量——淬火硬化层深度?

  感应淬火是常用的工艺,感应淬火用于产生具有改善的摩擦、磨损和撕裂性能的马氏体表面层。那么如何评价感应淬火质量呢?由于硬化表面层的硬化厚度对零件的刚度和韧性之间的平衡有重要影响,因此该淬火硬化层厚度值代表了零件的明确定义质量参数,硬化深度的检查(根据DIN ISO 15787:2010的SHD)是零件生产的一部分,通常由制造商以随机方式破坏性地进行。为此,首先在要检查的淬火工件处以不同角度锯切,并在进行适当的研磨准备和化学处理后,进行光学和/或硬度深度分布测量。此过程需要相当长的时间,这也意味着可以严重延迟报告过程中的严重偏差,如果过程出现异常,则可能导致大量错误硬化的零件。

实验室显微硬度梯度曲线法检测硬化层深度结果实验室有损式显微硬度法测量结果示例
德国IZFP超声波无损检测淬火硬化层深度结果IZFP超声无损测量结果示例

  为了通过无损检测改善所描述的淬火热处理过程,德国Fraunhofer无损检测技术研究院从上世纪80年代开始使用SHD表面硬化层深度无损检测系统,该系统通过评估超声反向散射信号来非破坏地快速确定感应淬火零件的硬化深度。Fraunhofer IZFP开发的设备是一套多通道淬火硬化层厚度无损测试系统,包括便携式计算机系统,集成的IZFP超声波电子设备和专用的耦合楔块,用于稳定定位。从一开始,就已经对基础硬件和App进行了一些技术开发,从而使这种专用的超声传感器提供准确可靠的测量结果。多年来,在无损测量深度超过一毫米的情况下,德国IZFP超声反向散射技术一直是确定相变硬化组件淬火深度的可靠方法。免校准测量和坚固的测量过程的优点在质量保证和制造方面享誉全球。基于德国Fraunhofer IZFP的超声反向散射技术,从汽车行业到能源行业都有成熟的感应淬火硬化测试解决方案

德国无损检测技术研究院研发的超声波反向散射技术原理

  德国Fraunhofer除了手动操作系统应用之外,到目前为止,还开发了半自动和全自动淬火硬化层无损测试系统,该系统使用户可以更轻松地处理大型零件并支撑超声换能器的可重复定位。与手动测试相比,测试周期更快,检查员可继续进行监视和记录。因此,IZFP专家始终密切监督先前未知组件上的新应用程序,因为这可以充分利用这种NDT无损检测方法的潜力。如果您对感应淬火质量、材料特性、硬化层深度测量等有技术疑问,需要服务或仅需要一般信息,大家将为您提供帮助。上海量博实业有限企业经验丰富的客户服务团队会在工作时间内为您解答有关大家产品,价格,订购和其他信息的问题。

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