大型零件表面淬火预热方式的研究

李静轩

   表面淬火是强化金属材料表面的重要手段之一。经表面淬火的零件不仅提高了表面硬度、耐磨性，而且与经过适当预先热处理（正火或调质）的心部组织相配合，可以获得很好的强韧性及高的疲劳强度。根据淬火零件的材料、形状、尺寸和所要求的机械性能的不同，采用不同的淬火方法及加热方式。

关键词：大型零件；表面淬火；预热

1 预热目的

工件在淬火时，如加热过快或直接升温加热会引起较大的温度梯度，易产生热裂，因此，工件淬火前进行预热是必要的。对于大型零件的表面淬火处理，对加热的温度控制要求更高。如果加热时间较短，零件表面难以达到淬火温度；如果加热时间过长，由于热传导的作用，热量传递到内部，会增加加热层和硬化层的深度。一旦时间控制不准确，可能加热不足，淬火后硬度不足或硬化层太浅，也可能造成过热，而导致淬火开裂。因此，为克服这一缺点，大型零件表面淬火之前需将零件加热至预热温度，保温后将表面快速升温至淬火温度后对零件表面进行表面淬火。由于大型零件尺寸较大，相应的淬火时间较长，在其预热后以及淬火过程中，需保证零件的预热温度，避免由于淬火温度过高引起开裂现象。

工件表面淬火出现裂纹

2 预热方式分类

2.1 炉内加热

将零件整体放入加热炉内。装炉前在零件表面适当位置布置热电偶，设定炉内温度，零件随炉升温至预热温度后进行保温。预热结束后，将零件表面快速升温至淬火温度后对零件表面进行淬火。

该预热方式时效较短，预热均匀，且预热温度准确，但缺点在于出炉后表淬过程无加热设备，无法满足较长时间的表淬过程。同时，考虑到加热炉设备与表淬设备不在同一场地的可能性，该预热方式还会出现在预热及表淬过程转运过程中发生零件冷却现象，不利于后序表面淬火工作的进行，同时对零件表面淬火质量产生影响。故此种炉内加热预热方式在实际生产中应用较少。

2.2 火焰加热

火焰加热属于外热源传导加热，是利用氧-乙炔气体或者其他可燃气体以一定比例混合进行燃烧，通过燃烧热以达到加热零件的目的。通过改变火焰喷嘴的形式以适应不同形状及尺寸的零件加热。

火焰加热预热方式设备简单，体积小，可以灵活搬动，不局限于地点与时间，可满足零件的整个表面淬火过程，保证其不会因零件温度下降出现淬火开裂现象。火焰加热方式温度高、加热快、所需加热时间较短，但由于火焰温度极高，零件容易过热，在操作时需加以注意。同时，火焰加热时，表面温度不易测量，需操作人员密切关注零件温度，不易达到零件的专业化生产。

整体来说，由于火焰加热预热方式设备简单，使用方便，设备投资低，操作工艺容易掌握且生产效率高，该种预热方式在实际生产中很有实用价值。

火焰加热

2.3 感应加热

感应加热方式利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在零件表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热的方法，属于内热源直接加热。

感应加热的使用频率不同，可以分为超高频（27MHz）、高频（200-250kHz）、中频（2500-8000Hz）和工频（50Hz），电流频率不同，加热时感应电流的渗入深度不同，频率越高，渗入深度越小，故使用工频感应加热方式渗入深度最大，可达到10mm以上。由于感应加热方式渗入深度较小，加热成本较高，故不适用于大型零件的预热。

2.4 空气加热

火焰加热预热方式虽操作简便，但对于一些特殊形状的零件火焰加热方式操作无法实施，可采用空气加热方式，见图1。空气加热方式采用空气加热器对压缩空气进行加热，将压缩空气加热到设定温度后吹入到工件腔内，以达到加热的目的。

 

               图1  空气加热原理图

空气加热的加热方式温度控制准确，操作简易，但应用工件范围有指定性，只能应用于筒状结构或者其他腔体的零件，无法在工件外部进行加热。

3 结语

通过对大型零件表面淬火预热方式的研究，可以得出结论，炉内加热与感应加热方式并不适用于大型零件的实际生产，火焰加热预热方式在实际生产中应用比较普遍，对于特定结构的工件，例如筒状结构或者带有腔体的大型零件可采用空气加热方式。在实际生产中，需根据实际环境情况以及工件结构尺寸大小，判断工件表面淬火前是否需要预热操作，并选择适合恰当的预热加热方式，以达到最终表面淬火的质量要求。

参考文献：

[1] 姜江，彭其凤，表面淬火技术 .北京，化学工业出版社，2005：228-229.