轴承热处理工艺学(第十三章)

第十三章轴承零件感应加热热处理第一节感应加热的特点及其应用感应加热热处理是表面热处理的一种方法，它应用于要求表面具有高硬度和耐磨性、心部仍保持较高韧性的零件。感应加热热处理主要用于齿轮、轴、凸轮、轨道、活塞等零件。感应加热热处理能显著提高零件的抗疲劳和耐磨性能，延长使用寿命。近年来，中频、工频感应穿透的加热方法又有新的发展，巳用于退火、淬火、回火及化学热处理等工艺中。目前感应加热可应用于铬轴承钢制轴承零件，在国内外巳得到较广泛的应用。一、感应加热的特点

1.加热迅速，热效率高，可提高产量、降低零件的制造成本。

2.节约能源，设备自动化程度高，劳动条件好。3.能够通过精确控制感应加热的电参数，方便地控制淬硬层的深度，也可进行局部加热淬火处理。4.淬火加热时间短，能减小晶粒粗大趋势，基本避免零件表面的氧化、脱碳现象，也能减小零件淬火时的变形。感应加热的应用，可根据电流频率的不同分为三类：11.高频感应加热：电流频率为10~500千赫，常用的电流频率为200~250千赫；主要用于表面淬火、刀具焊接等。2.中频感应加热：电流频率为1~10千赫，常用的电流频率为1~8千赫；主要用于表面淬火及有效厚度小于10毫米轴承零件的穿透淬火。中频感应加热亦可用于锻压加热和熔炼

3.工频感应加热：电流频率为50赫，主要用于淬硬层为15~30毫米的表面淬火及零件回火等。

二、感应加热原理感应加热时，把零件放在通有交流电的感应圈里，通电时，感应圈周围产生交变磁场，根据电磁感应定律，零件

中产生感应电势，由于零件本身是一个导体，因此零件中产生感应电流，这种感应电流叫做“涡流”。电流通过钢制零件时，必然遇到阻力（电阻）产生热量，从而使零件加热。交变电流通过导体时，在导体截面上的分布是很不均匀的，在表面层中，电流密度最大，而心部电流密度最小，这种现象称为“集肤效应”.电流的频率愈高，电流就集中在表面很薄的一层上。当两个邻近导体通过电流时，若电流方向相同，电流被驱向于导体外侧通过；若电流方向相反时，电流被驱向于导体相邻内侧通过，这种现象称做邻近效应。若电流通过圆环状导体时，圆环内侧表面的电流密度最大,此现象称为“环流效应”。电流频率与淬硬层深度成反比。频率愈高，淬硬层愈浅，频率愈低，淬硬层愈深。为了保证零件表面淬火层的质量,必须使电流的热透入深度大于所要求的淬硬层深度，这样才可以使淬火层内同时发热而达到比较均匀程度,这种加热方式称为透入式加热,一般多采用较低的频率.

第二节感应加热工艺参数的选择影响感应加热的工艺参数很多，有热参数和电参数。热参数包括感应加热温度、加热时间、加热速度，电参数为设备频率、零件单位表面功率以及决定单位表面功率的电气操纵部分备参数等。故热参数和电参数是密切相关的，生产中都是通过调整电参数来控制热参数从而保证感应加热表面淬火质量的。

1.淬火温度和加热速度的选择感应加热温度的选择，与们的化学成分、原始组织以及热速度有关。由于加热速度快，因此淬火温度比一般淬火温度要高50~90℃。由于加热时烟雾的影响，感应加热控温较困难，测最误差较大，生产中多用经验和测温仪表相结合来判断零件加热温度。

2.淬硬层深度的确定淬硬层深度和硬度值是评价表面淬火质量的重要指标，淬硬层深度决定了零件的机械性能。零件淬硬层深度一般为其厚度的10~20％时，可获得良好的综合机械性能。轴类零件，如光轴，淬硬区沿截面圆周均匀分布，在轴端应保留2~8毫米的不淬硬区，以免产生尖角裂纹。3.感应加热淬火方法的选择感应加热淬火方法有同时加热淬火法和连续加热淬火法两种。在设备功率足够时，大批量生产应选用同时加热法，反之或因零件形状限制则选用连续加热法。(1)同时加热淬火法:是将零件需要淬硬的表面整个都位置于感应圈内，同时一次充成加热后迅速冷却的方法。(2)连续加热淬火法:是零件在加热时边转动边沿其轴向移动，使需要淬火的部位逐步进行加热淬火的方法.

感应加热后的淬火，应很快供给冷却介质，通常采用的冷却方法有：

(1)浸液冷却：零件加热后浸入淬火槽或在冷却圈中喷射冷却，它适用于同时淬火法。(2)喷射冷却：在感应圈或冷却器上开有许多小孔，冷却介质从围、绕在零件周围的小孔内均匀喷向零件，使其迅速冷却。一般冷却器与感应器分开，也可连在一起。连续加热常用啧射冷却。

(3)埋油淬火：将感应器降到油面以下和零件一块冷却，它主要用于管状合金钢制的零件。

4．感应加热淬火后的回火感应加热淬火后的零件，应及时回火，以减少淬火的内应力，稳定组织提高综合机械性能。常用回火方法有：

(1)炉中回火：适用于浸液淬火和连续加热淬火的零件，回火温度为180~200℃，回火时间为2~4小时；可在空气炉或油炉中进行。(2)自行回火：形状筒单零件、感应加热淬火后利用心部余热，表面自行回火。(3)感应加热回火：零件淬火后，利用较淬火加热时低的电流频率、较小的功率进行加热回火,选用较高回火温度（210℃左右）可缩短回火时间、提高效率。

第三节感应加热表面淬火的组织和性能一、感应加热时钢中的相变感应加热速度极快，每秒钟达几百度，在这种加热条件下，零件相变是在一个较宽的温度区间内进行的，它与平衡条件下的相变相差很大，表现出快速加热的特征。

1.对临界温度的影响加热速度愈快，相变进行最剧烈的温度（Ac1）和完成相变的温度也随之升高。钢的临界点Ac1、Ac3、Accm随加热速度提高而上升。因此感应加热温度要比一般淬火加热温度为高。由于加热速度快零件受热不均匀，淬火后组织也不均匀，一般可分三个区域：即表面层为完全淬火层的马氏体组织，过渡层为马氏体＋未溶解铁素体组织，心部组织则保留了原始组织。2.奥氏体均匀化及晶粒长大由于感应加热速度快，奥氏体内原子扩散来不及充分进行，故奥氏体成分是不均匀的。随着加热速度加大，奥氏体不均匀性也增加，淬火后得到碳浓度和硬度不均匀的组织，因而降低过冷奥氏体的稳定往。提高淬火加热温度，有助于改善奥氏体成分的均匀性和增加过冷奥氏体的稳定性。3.感应加热后的机械性能(1)零件在感应加热淬火后的硬度，比普通加热淬火的要高出2~5HRC这种现象称为超高硬度。这是由于感应加热奥氏体晶粒细小使得马氏体也细小的缘故。(2)感应加热淬火后，零件的强度与疲劳强度提高。小零件的弯曲与扭转强度可提高2~3倍，一般零件提高20~30％。疲劳强度的提高是淬火后表面形成有利的残余压应力和细小马氏体组织所致。(3)感应加热淬火零件的耐磨性要比普通淬火的提高25%，这是因为感应加热时氧化脱碳少及碳化物弥散度大。二、感应加热淬火零件常见缺陷1.硬度不足造成的原因是：

(1)零件含碳量低，原始组织不合格。

(2)感应器制作不合理，位置偏心或感应圈高度不够。

(3)冷却剂供应不充分使淬硬区分布不均匀。

(4)零件的轴向移动和转动不相协调。2.淬火裂纹造成的原因是：(1)淬火零件含碳量与含锰量过高，原始组织不合格。

(2)热参效选择不台理。

(3)零件形状复杂，应力集中。(4)零件未经正火、退火处理，直接二次返修淬火。第四节感应器的结构及应用一、感应器的结构感应器主要由感应圈、汇流条与连接板组成。感应圈是核心部允工作时产生交变磁场，使零件得到加热。汇流条是将电流输入感应圈的元件，连接板用于连接汇流条与变频设备的淬火变压器。

二、设备频率的选择

1.变频设备通过变频设备将工频增变为中频。轴承零件感应加热所用变频设备有:1)机械式变频机：又称为中频发电机，这种设各结构紧凑，冷却条件妩好,操作方便且噪声低，变频机的电效率一般为70~85%；变频范围在10千赫以下.

2)可控硅变须器：它同机械式变频机相比，有变频电效率高（可达80~90%)，占地面积小，无运转噪声等优点。目前常用可控硅变频器的频率有：1000、2500、8000赫，功率有60、100、200、300、500千瓦等。2.频率选择:对于中小型轴承套圈感应热处理，可用下式选择频率:二、中频感应加热淬火工艺规范1.感应加热温度和时间铬轴承钢在很短时间内完成加热是有困难的，这是因为铬碳化物比较难溶于奥氏体中，因此必须把加热温度提高，但这样会导致套圈变形量增加并使淬火开裂、组织过热等倾向增大.对中小型轴承套圈，感应加热时间在270~450秒（其中保温时间约占2/3）、加热温度在860~890℃时最为适宜。壁薄和直径较小的套圈应选下限温度，壁厚和直径较大的套圈应选择上限。2.轴承套圈中频感应加热工艺分析

6308轴承套圈中频感应加热工艺规范如下表所示。其频率为2500赫，轴承套圈材料为GCr15钢，内外套有效壁厚为6毫米。

中频感应加热，因加热时间短，故淬火加温度要较一般加热为高。加热温度低于850℃时，回火后硬度低于要求的下限。就显微组织来说，加热温度为865℃，组织合格；910~920℃加热，出现过热组织。淬火后套圈呈圆形变形，这与感应加热温度有关。加热温度低于880℃时，圆度维持在较低范围内（圆度值在