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1、感应热处理的历史、现状与发展 感应热处理技术路线图沈庆通教授级高级工程师朱会文高级工程师一、历史回顾1. 感应加热的发展历史1831年，法拉第 (Michael Faraday) 发现了电磁感应加热现象。1868年，福考特提出了涡流理论。 1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉：开槽式有芯炉。1916年，美国人发明了闭槽有芯炉，用于熔炼金属。1930年，前苏联研制成高频感应炉。1935年前苏联对曲轴的轴颈进行感应加热淬火；与此同时，美国俄亥俄州曲轴工厂为提高曲轴轴颈的耐磨性，亦研制了曲轴淬火机床。国际上以前苏联和美国为代表的工业化国家将感应加热技术成功地应用于机械工业的热处理领域。其后，
2、感应加热淬火被广泛地应用于汽车、铁路、机床、轴承制造等各个行业。1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命；1964年，用于逆变器的晶闸管问世；1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展；1969年，第一台 540Hz全固态电源建成；1972年，第一台 50kHz全固态电源建成；1973年， LED 诊断控制屏用于故障显示；1974年，电源设备的冷却系统改进，可见的排出水被流量计及压力表所取代，第一台压力闭路循环冷却系统使用于整个感应加热系统的冷却；1978年，第一台效率为97% 全固态
3、电源问世；1980年，工业发达国家基本淘汰了机式发电机及倍频器；20世纪 80年代后，电力电子器件再次快速发展， MOSFET 、IGBT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET ，IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。感应热处理具有节能、快速和清洁等优点，符合可靠(Sure) 、安全 (Safe) 、节约 (Saving)的三S标准，也符合低温(Cool) 、干净 (Clean) 、安静 (Calm) 的三 C标准，对同一种规格大批量零件进行感应淬火，便于实行机械化、自动化操作和在线生产，生产效率高，因此感应
4、热处理在机械制造业中得到了广泛应用。随着感应热处理应用范围的扩大，火焰表面淬火基本被感应淬火取代，一些零件的气体渗碳与碳氮共渗工艺被感应热处理取代，近年来感应热处理应又被应用于零件的调质处理。对感应淬火零件性能的要求，从单纯提高耐磨性发展为提高淬火零件的抗弯、抗扭及疲劳强度。以美国为例，20世纪 70年代感应热处理零件量占整个热处理零件量的15，到 20世纪末，感应热处理零件量占整个热处理零件量上升到35。 2. 我国感应热处理技术的发展的四个阶段改革开放前：全面引进前苏联技术阶段；自力更生阶段；改革开放后：快速发展阶段；当前自主创新阶段。（1）全面引进前苏联技术阶段建国初期，前苏联援建我国的
5、156个重大项目，涉及当时中国整个工业体系的各个方面，参加援建的工程技术人员达18000人。帮助了我国开始走上工业化的道路。援华项目的企业设计资料中包括了工艺、设备等系统的相关技术。我国感应热处理技术就是从 20世纪的 50年代在洛阳拖拉机厂、长春第一汽车制造厂、沈阳第二机床厂（中捷友谊厂）为代表的企业打下基础开始起步的。学术著作方面：全面研究及参考了 . . 、. . 、. . 、 . . 等著作的关于电磁感应、高能密度下相变、显微组织变化、残余应力等学术理论。此外前苏联高频电流科学研究所等科研人员编制了钢铁感应加热、感应热透在工业中的应用、感应加热钎焊、高频淬火、淬火感应器、淬火机床与感应
6、加热器、淬火机床、表面淬火质量检验、高频电场中的加热、高频加热淬火制件的组织与性能、 高频加热的物理基础、高频加热用变压器、高频加热用发电机、高频加热用仪表和测量方法、钢的感应加热热处理特点等高频丛书，有高频丛书对企业工程技术人员提高专业知识起到重要作用。请前苏联专家举办高频训练班，1956年4月，第一机械工业部( 简称一机部 ) 在上海综合工业研究所举办了高频训练班，请前苏联高频专家达许凯维奇( 八A山K H B H H H.日.) 作了两个月的培训讲课，完整地讲授了感应加热原理、工艺与设备知识。“ 高频训练班 ” 共培训了 40多名工厂专业高频技术人员。应热处理工艺方面：载重汽车、履带拖拉
7、机、车钻床上大量感应淬火件的感应热处理工艺是从那时开始采用前苏联对口工厂工艺的，先进的自回火工艺也是从那时开始应用于曲轴、凸轮轴等零件上的。感应加热电源与部件方面：1958年我国开始生产高、中频电源（天津广播器材厂、北京广播器材厂生产高频电源，湘潭电机厂、锦州新生电炉厂生产中频发电机）；与电热电容器（西安电容器厂），其后又生产中频变压器，供应国内新工厂使用，其技术来自前苏联。（2）自力更生阶段 1960 年后，我国工业建设进入自力更生阶段。阶段的发展：可以二汽建厂为例子。工厂设计、装备设计、制造（30多套感应热处理成套设备）全部由国内设计院、一汽高频室、湘潭电机厂与鄂城通用机械厂完成。感应淬火
8、工艺：机床制造业、汽车、拖拉机制造业等均自行设计感应淬火件的工艺，并且在低淬透性钢齿轮淬火等研究与应用上取得进展。当时上海机械厂（后称上海热处理厂）在感应淬火工艺应用上如齿轮、丝杠调质、感应器涂搪瓷等均有许多新创造，在推广用中碳钢感应淬火代替调质与与渗碳工艺方面，以汽车热处理件为例，感应热处理件的数量与千克重不断增加，一汽开始生产时（1957年）解放车只 31种， 148.5kg 感应淬火件，到80年代， CA141 汽车的感应淬火件已扩大到 52种，重 245kg，数量为原来的167% ，重量为原来的l65%。东风牌汽车上感应热处理零件则已占全部热处理零件重量的62% 以上。 铁道部金化所开
9、展了钢轨端头感应淬火工艺，戚墅堰机车工艺研究所则开展机车齿轮感应淬火工艺等研究。装备设计与制造：国内各厂与设计院自行设计了数十种通用及专用淬火机床供本单位及援外使用， 经一机部第六设计院汇编列入图册的有38种。在高频电源技术改造上将整体机改为分体机，闸流管改为可控硅调压硅堆整流，采用新型高效振荡管（如 FD911s代Fu-23s) 、新型平板陶瓷电容器等，提高了整机效率；设计和生产了阳压自动跟踪装置，使空载阳压稳定度提高。70年代开发了电子管式超音频电源，使中模数齿及许多感应淬火件得到更合理的淬硬层。全国感应加热技术委员会成立：1964年11月由吉林省机械工程学会筹备在长春市吉林省宾馆召开了全
10、国第一届感应加热学术交流会。参会的有48个单位、 61位代表，另有 60人列席。交流会印发了论文及精印优秀论文集。会议交流了国内感应加热设备调试、淬火工艺、感应器、淬火机床设计等经验。会上并确定成立全国感应加热技术委员会，其宗旨是促进国内科技研究单位、大专院技与工厂间的技术交流和合作，翻译国外感应加热资料、定期出版高频专题资料等，感应加热委员会秘书处挂靠在一汽工艺所高频室。此后，感应加热委员会组织出版了“感应热处理”( 译文集 , 上海市科学技术编译馆出版1965年) ；高频电热通讯；高频热处理论文集等。会议还要求各委员分工撰写感应热处理专业书、编印感应器图册等。第二届全国感应加热学术交流会直
11、到19年后再次在长春举办。（3）改革开放后的快速发展阶段改革开放后， 随着我国经济的快速发展，带动了感应热处理技术交流活动的开展。表1为各地历年来不完全统计的感应热处理技术交流会情况。感应热处理技术交流会的举办有力地推动了我国的感应热处理的技术进步，取得了很好的效果，我国的感应热处理工艺与装备的发展也呈现出飞速发展的态势。轴类零件采用矩形管纵向加热淬火：使台阶轴过渡的淬硬层不中断得到连续。既大大提高了轴的扭转疲劳强度，又获得节能与提高生产率双丰收。一汽、 东汽等均已将此工艺用半轴生产。曲轴颈旋转淬火与圆角淬硬：旋转淬火解决了轴颈油孔易淬裂及淬硬区不匀等问题，圆角淬硬则使曲轴颈疲劳强度提高达一倍
12、，此工艺已用于柴油机曲轴生产中。成套钢轨感应淬火设备国产化，并应用于钢轨轨面全长感应淬火等大批量生产中，成套钢轨感应淬火设备已出口国外。感应淬火介质从水、乳化液、聚乙稀醇水溶液发展到新型的聚合物淬火介质，使感应淬火零件的废品率降低了。淘汰了效率低的机式中频发电机，自主生产晶闸管器件与晶闸管中频电源，并大量在生产中使用。开发了感应加热（透热）软件并用于生产。感应加热设备生产厂（电源、淬火机床、感应器、淬火变压器、导磁体等配套件）与零件感应淬火加工厂大量涌现。天津、无锡、西安、洛阳、十堰、深圳、郑州、成都、上海等许多城市成为感应加热设备制造商的基地，而沿海的一些城市如上海。杭州、玉环等则又成为感应
13、淬火零件的供应商基地。这些厂与感应加热设备、进口感应淬火零件进行竞争, 由于质量符合要求、价格合理、交货周期短、服务方便等优势，赢得了市场。此阶段存在的问题是引进技术上存在重硬件、轻软件；重主机、轻配件；重使用厂、轻制造厂等诸多弊端。据不完全统计， 对外开放以来， 我国已进口各种感应加热电源与淬火机床达100套以上，分别来自德、美、英、法、日、意、西班牙、比利时、俄罗斯，各有所长。如何取长补短、洋为中用，提高我国感应加热技术的水平，这是当前我们面临的一个课题。（4）当前自主创新阶段突出的是感应加热装备制造业呈突飞猛进状态：电源方面， IGBT晶体管超音频电源，便携式电源基本上能自给并有出口，全
14、自动曲轴淬火成套装置、卧式大型船用曲轴淬火机。无软带滚道淬火装置与 CVJ 数控淬火机等这些制造难度大的设备均已能自主设计与生产。感应器： 淬火变压器专业制造厂数量不断增加，有利于提高该类产品的技术与质量。感应淬火新工艺的应用不断扩大：如轴类纵向感应加热淬火在汽车、拖拉机行业扩大了应用范围，迥转支承滚道无软带淬火、三柱滑套件淬火、双频齿轮淬火等这些先进的工艺已在国内企业使用并正在不断改进中。热处理应用范围及部门扩大：感应淬火零件不再限于提高耐磨性为目标而是提高工件的疲劳强度、抗扭强度与抗弯强度，钢管焊缝感应退火则提高了钢管的耐用性. 感应热处理的应用部门从机床制造、汽车、拖拉机、工程机械、机车
15、扩大到石油机械、冶金制造等部门。计算机模拟感应热处理取代感淬火件现场工艺调正：已在部分工厂、研究所开展，它可以称之为“工艺调试革命”，解决了工艺人员现场繁琐费时的调整工作。节能在感应淬火上受到重视与要求：感应淬火本身是节能工艺，由于不良的装备、不良的工艺与没有合理的单位能耗的考核（即以零件整体质量为考核单位而不是以淬硬层厚度作考核），使节能工艺存在不合理的耗能漏洞，现在有了GB T10201-2008 热处理合理用电导则, 即对感应加热淬火制订了新的电耗定额，见表1。它是以加热层深和加热表面积来计算的, 和工件整体质量为基准截然不同, 此导则的贯彻执行，将连带促使节能装备的发展。表 1 感应加
16、热淬火电耗定额透热深度 hmm h1 1 h2 2h4 4h8 8h16 h16 电耗定额（ kWhm2）3 5 10 22 50 60 新标准执行过程中会不断修订与完善。由上海市发展改革委员会、上海市经济和信息化委员会、上海市质量技术监督局、上海市节能监察中心共同提出，由上海市热处理协会和上海市能源标准化技术委员会等组成的起草单位制定上海市地方标准钢铁感应热处理工序单位产品能源消耗限额。制订了感应热处理工艺及装备的国标与机标：已制订的 GB 与JB相关标准，指导并规范了企业的感应加热设备、淬火工艺与质量，统一了相互间的要求。其中特别是淬硬层深度及感应淬火金相标准，全国基本上都己贯彻执行了。展览会与学术交流活跃：国内举办的国际性学术大会、热处理展览会、参加国外感应热处理学术会、出国人员考察报告交流会等，均使国内感应热处理行业的制造技术、工艺水平与国际水平接近
