第四章表面淬火设备

第四章表面淬火设备•表面淬火方法：感应淬火，火焰淬火，接触电阻加热淬火等。§4.1感应淬火感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点：1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高2.工件因不是整体加热，变形小3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料的潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好6.便于机械化和自动化7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。•感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。•高频：(10kHz以上)加热的深度为0.5-2.5mm,一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。••中频：(1~10kHz)加热深度为2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。•工频：(50Hz)加热淬硬层深度为10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热，大直径零件（直径300mm以上，如轧辊等）的表面淬火。§4.2高频感应淬火设备•f10kHz，一般200~300kHz•实质上是一个通过电子管振荡器的大功率变频器。高频感应加热装置的规格型号及其选择GP例子：GP10-C2GP：高频数字：表示额定振荡功率，10kWC:淬火，R熔炼，H焊管数字：型号顺序数字CRH数字§4.3中频感应淬火设备加热装置的电流频率一般在1000～8000Hz适用于加热深度大于3mm,直径为20～500mm工件的感应加热多用于钢铁零件的表面淬火，也可用于回火、正火及熔炼金属等。在汽车、拖拉机等制造业中，曲轴和凸轮轴等零件的表面淬火多采用中频感应加热装置。中频感应加热装置的频率有1000Hz、2500Hz、4000Hz、8000Hz等，其中2500Hz和8000Hz两种应用最多，功率从数十千瓦至数百千瓦。一、晶闸管中频感应加热装置应用于感应加热的晶闸管中频电源装置是一种将三相工频电源转变为单相中频电源的晶闸管静止式变频器。晶闸管中频电源装置优点：1)产品设计简单，制造方便，不需大量的加工设备，生产周期较短。2)体积小、重量轻，节省硅钢片、铜材和钢材。3)电效率高，感应加热用的晶闸管中频电源装置效率一般在90%以上。4)由于晶闸管中频电源没有旋转部分，故运行可靠，维护简单，运行中噪声和振动较小。5)晶闸管中频电源装置在运行中，能根据负载变化自动调整频率，系统的输出功率一直保持在额定值无需频繁切换补偿电容器(机械式中频装置需根据工件大小、感应器高低，先确定变压器匝比，再调节补偿电容器以提高设备的电效率)，使设备在工作过程中功率因数基本上保持不变。系统的输出功率一直保持在额定值上，从而能在较短时间内完成对工件的感应加热。易于实现自动控制，适用于加热过程自动化。6)安装简单，不需特殊的基础，运输移动方便。晶闸管中频电源缺点：主要是由于受晶闸管元件过电流和过电压能力的限制，晶闸管中频电源的过载能力较差，因此整个设备的保护系统较复杂。二、晶闸管中频加热装置的规格及选用四感应热处理辅助设备感应热处理的优点：机械化、自动化程度较高，产品热处理质量的均匀性和一致性好，同时减轻体力劳动并改善劳动条件。感应加热用热处理设备主要指淬火机床、感应器以及各种专用的感应加热调质、退火、淬火生产流水线等。1淬火机床淬火机床由机架、升降部件、零件装卡及转动部件、传动机构组成，由于移动和转动需要变速，一般采用直流无级变速，易实现自动控制。2感应器的结构设计与制造感应器是通过感应作用将高、中频电能输送到工件表面上的一种器具,能直接影响到感应加热的质量和效率感应器的正确设计、制造和选用是获得良好淬火质量的关键因素。一、感应器的基本结构及使用要求1.感应器的基本结构冷却水管1、连接板2、感应圈4汇流板5一、感应器的基本结构及使用要求每一结构的作用：感应圈：是感应器的主要部分，通过感应圈产生的交变磁场使工件加热。汇流板：连接了感应圈和连接板，将电流输入感应圈。连接板：用于连接汇流板和淬火变压器的输出端接头。冷却水管：管内通水用来冷却感应器并提供工件淬火用冷却用水。1)感应圈应与工件表面加热区的形状和尺寸相适应使工件能够迅速获得所需要的加热区和加热层，加热时温度的分布要均匀。感应圈与工件的间隙选择要适当，使感应器既有高的电效率，又不至于引起空气击穿短路而烧坏感应器和工件。2)感应器的电效率应尽可能高尽量减少感应器本身的电能损耗。要注意保持感应器两汇流板的间隙不能太大(一般为1.5~3mm)。3）冷却应该良好。一定要使感应器内冷却水畅通，以免感应器温度过高而损坏。应制造简单，具有一定的强度和使用寿命。使用感应器时必须轻拿轻放，不得随意敲打，以防止感应器变形，影响使用。用毕要清理，揩平，摆放整齐。4）感应器应制造简单，具有一定的强度和寿命。5)注意导磁体的冷却，避免急冷急热，以免使导磁体脆断或因温度过高而失去作用。二、感应器的分类及结构1分类（1）加热方法同时加热感应器和连续加热感应器（2）零件加热部位形状外表面加热感应器内表面加热感应器平面加热感应器特殊形状加热感应器（3）电源频率高频中频2结构（1）.制造感应器用纯铜厚度纯铜厚度应稍大于感应电流冷态透入深度。•高频电流较小，不需要很高的机械强度，可用薄壁纯铜管绕制而成，也可用薄铜片焊接而成。•中频电压较低，电流大，线圈有足够的强度抵抗电磁力的作用，要用厚的铜板和铜管制造。2结构（2）铜管成形步骤如下•先将铜管退火软化(加热至650~700℃，然后水冷)•用锤子敲击成长方形或方形截面；ϕ10mm铜管经过三道模拉制后，可制成6mm×9mm的方管；•选用相应胎具弯制成型（3）.感应器与工件之间的间隙尽量减少感应器与工件之间的间隙，间隙越大、漏磁损耗越大，感应器效率越低。但间隙过小易使感应器和工件接触而造成短路。其间隙数据见表4-8。（4）.感应器的结构感应器结构按通水情况及开孔情况分类见表4-9。，图4-10是高频感应器结构示意图，表4-10为高频感应器结构说明。图4-11、表4-11为中频感应器结构示意图及说明。表4-11高频感应器结构表4-11中频感应器结构三、感应器基本尺寸的确定1.感应器与工件之间的间隙确定表4-13为推荐采用的感应器与零件表面之间间隙的经验数据。2.感应器尺寸的确定(1)感应器直径的确定加热外圆表面时，感应器的内径可由下式计算：加热圆孔表面时，感应器的外径可由下式计算：(2)感应器高度的确定感应器的高度与工件直径、比功率、高频设备的输出功率有如下关系：轴的硬化层应沿截面圆周均匀分布轴端应保留2～8mm的不淬硬区，以免产生轴端裂纹在同一轴上若有两个淬硬区，则相邻淬硬区应保持足够距离，这样可避免产生交接裂纹。相邻淬硬区之间的最小距离，高频为10mm，中频为20～30mm。花键轴淬火时，淬硬区应超出花键全长的10～15mm。齿轮感应器高度主要取决于齿宽高频电流尖角效应明显，易造成尖角过热，应使感应器高度略低于齿轮宽度。中频加热时，因尖角散热速度较快，则感应器高度应略大于齿轮宽度3.感应器匝数的选择大多数情况下均采用单匝当零件淬火区宽度较大或感应器高度超过其直径3倍时，可采用双匝或多匝感应器。如采用多匝时，则匝间距不超过零件与感应器之间的间隙，以提高效率，一般匝间距为3~6mm。4.感应器冷却水路与喷水孔的确定感应器多用纯铜管制造，以便可以通水把由于损耗引起的热量带走。采用同时加热淬火时，感应器上可不设喷水孔。对连续加热淬火的感应器，则需在感应导体的端部钻喷水孔，孔的中心线与感应器的夹角一般为45°。五火焰加热表面淬火一、火焰淬火的基本原理和特点火焰加热表面淬火是将高温火焰喷向工件表面，使工件表面层迅速加热到淬火温度，然后快速冷却的一种表面淬火方法。火焰淬火最常用的是氧-乙炔、天然气、煤气或其他可燃气体的混合气体其中氧-乙炔燃烧温度最高(可达3150℃)。一、火焰淬火的基本原理和特点氧-乙炔火焰分为焰心、还原区和全燃区三部分还原区的温度最高(一般距焰心顶端2~4mm处温度最高)，在操作时应尽量利用这个高温区加热工件。(1)还原焰乙炔比氧气多，火焰长(有微量冒烟，核心高长，整个火焰显得没有力)，略有渗碳作用，如图4-12a所示。(2)氧化焰氧气比乙炔多，核心较淡和短，呈尖形，火焰形状缩短，光度显得白亮耀眼，整个火焰由淡红色变紫色，如图4-12c所示，氧化焰最高温度可达2300℃。二、火焰淬火的方法1.固定法根据喷嘴与零件相对运动情况，火焰淬火的方法可以分为四种：固定法是淬火零件和喷嘴都不动，用火焰喷嘴直接加热淬火部分。当零件加热到淬火温度后立即喷水冷却，这种方法适用于淬硬面积不大的零件.2.旋转法:用一个或几个固定火焰喷嘴对旋转(100~200r/min)工件表面进行加热，使其表面加热到淬火温度，然后再进行冷却，这种方法适用于小直径的轴和模数小于5的齿轮。3.前进法:火焰喷嘴和冷却装置沿淬火零件表面作平行移动，一边加热，一边冷却，淬火零件可缓慢移动和不动。这种方法可以使很长的工件进行表面淬火(如长轴、机床床身、导轨等)，也适用于大模数齿轮进行逐齿的淬火。4.联合法：是指淬火零件绕其轴线作迅速旋转，而喷嘴及喷水装置同时沿零件轴线平行移动。该法加热比较均匀，可作冷轧辊的表面淬火用。三、火焰淬火的设备主要设备：喷枪、喷嘴(或称烧嘴，喷头)、淬火机床、乙炔发生器和氧气瓶。喷嘴的形状直接影响着火焰淬火的质量喷嘴的形状和尺寸取决于淬火加热部位的形状和尺寸(1)平形适用于不同尺寸零件的平面表面淬火加热用。(2)翘形适用于凹槽表面的淬火加热。常用喷嘴的形状有以下几种：(3)环形适用于滚轮、轴类及其他外圆表面淬火加热时用，另一种是内圆表面淬火加热之用。常用喷嘴的形状有以下几种：(4)角形适用于机床、导轨等角形工件的表面淬火加热之用。(5)钳形专门用于加热齿轮及类似形状的零件。常用喷嘴的形状有以下几种：四、火焰淬火的操作及注意事项1.火焰淬火的操作步骤1)对被淬火表面预先进行认真的清理和检查，淬火部位不允许有脱碳层、氧化皮、砂眼、气孔、裂纹等缺陷。2)根据工件淬火部位及技术要求选择合适的喷嘴。3)淬火前应仔细检查氧气瓶、乙炔发生器、导管等是否正常。4)确定氧气和乙炔的流量和工作压力(一般氧气压力为0.12～0.4MPa；乙炔压力为0.03～0.12MPa，氧气与乙炔的混合比为1~1.2)。5)确定喷嘴与工件的距离是控制淬火温度的方法之一。喷嘴和工件表面的距离一般为6～15mm，工件直径大，则距离应适当减小；钢的含碳量较高时，喷嘴与表面间的距离应遠。6)使用前进法或联合法时，喷嘴移动速度由淬硬层深度、钢的成分及工件与喷嘴之间距离大小所决定。一般在50～150mm/min之间，具体可参见表4-14。7)选择冷却剂的种类。含碳量在0.6％以下的碳钢可用水淬，含碳量大于0.6％的碳钢或含铬及锰的低合金钢，可用30～40℃水或者0.1%~0.5%聚乙烯醇水溶液作为冷却介质。8)工作时先开少量的乙炔气，点燃后再开大乙炔并调整氧气，当氧气与乙炔的混合比为1.2时得到火焰为中性焰。9)工作完后，先关氧气，再关乙炔，待熄灭后再开少量氧气吹出烧嘴中的剩余气体，最后再关掉氧气。2.火焰淬火的注意事项1)在火焰淬火前工件一般要进行预先热处理，通常是正火或调质处理，以保证心部的强度和韧性。2)火焰淬火温度比普通淬火温度要高，在Ac3以上80～100℃，一般取880～950℃。淬火时的加热温度通常凭经验掌握，并通过调整喷嘴移动速度来控制。3)合金钢零件、铸钢件和铸铁件进行火焰表面淬火时，由于材料的导热性差，形成裂纹的可能性较大，必须在淬火前进行预热。4)淬火后工件必须立即进行回火，以消除应力，防止开裂。回火温度根据硬度的要求而定，一般为180～200℃，回火保温时间为1～2h。3.火焰淬火适用范围火焰加热表面淬火适用范围广，淬火表面部位几乎不受限制，因此在冶金、矿山、机车制造等重型机械中应用广泛，如滚轮、齿轮、偏心轮、凸轮轴等均可采