表面工程學作
業經過乙個學期對表面工程的學習，我對表面淬火和電鍍和化學鍍產生了濃厚的興趣。下面我對所學內容做一些簡單的介紹：
一表面淬火工藝
1 表面淬火技術的原理：採用特定熱源將鋼鐵材料表面快速加熱到ac3（對亞共析鋼）或者ac1（對共析鋼）之上，然後使其快速冷卻並發生馬氏體轉變，形成表面強化層的工藝過程。
2 表面淬火技術的分類
感應加熱淬火技術
火焰加熱表面淬火技術
雷射淬火與電子束淬火技術
電阻加熱表面淬火技術
3 集中表面淬火技術特點比較
二感應淬火技術國內外發展狀況
國際先進的感應淬火技術
1、電源
國外igbt、mosfet和sit全固態電晶體電源技術逐步成熟，並已商品化、系列化，目前有1200kw、50khz；50~100khz、30~600kw；300kw、80khz；低頻段有取代閘流體電源趨勢；mosfet多採用併聯振盪電路，sit多採用串聯諧振電路，功率高達1000 kw、頻率200khz和400kw、400khz。它們都是電子管式高頻電源的理想替代產品。當輸出功率與電子管電源相同時，節電35%～40%，節省安裝面積50%，節約冷卻水40%～50%。
隨著科技的進步，在高頻感應淬火領域，mosfet有望取代sit。
圖1 gh公司的數控淬火工具機
2、淬火工具機
感應淬火工具機更加趨向自動化，cnc控制逐漸增多，自動分檢零件與自動識別進機零件功能的工具機增多。
（1）通用淬火工具機
通用淬火工具機朝柔性化方向發展，一台淬火工具機可以對不同效能要求的不同零件感應加熱淬火。德國研製的一種曲軸淬火工具機，法蘭件感應淬火柔性加工系統略加調整能處理不同尺寸的相似工件；對於軸類零件在一定直徑範圍內（如30mm）與長度300～800 mm範圍內，對於相似淬火要求的軸類零件，淬火機能自動編制14種程式，自動識別進機零件；最近推出了雙主軸立式淬火機，在乙個緊湊的工藝單元內進行工件的淬火與回火，能處理輪軸、三槽套及其他萬向節件，轉換工件只需2～5min，用計算機程式設計，根據工件號在2 min內就可調出有關工藝資料；一汽引進的gh公司數控淬火裝置通用性強、自動化程度，在複雜零件上可實現多段變功變速，程式設計容易、操作方便。圖1是gh公司的數控淬火工具機。
（2）專用淬火工具機
專用淬火工具機更加專用化，採用機械手上下零件，加熱、淬火、回火、校直、檢查完全自動進行。先進的計算機控制技術可以監控並螢幕顯示淬火過程和工藝引數，跟蹤全部操作過程，如發現故障或工藝引數偏離給定值，便自動修正或自動列出不合格零件，使控制系統暫停工作並報警，同時螢幕上顯示故障性質和所要修正的動作。更先進的控制系統還適應材料化學成分的波動，並自動調整比功率或加熱時間，以保證感應淬火零件的質量。
例如日本高週波熱煉株式會社川崎工廠的臥式半軸淬火工具機，上尾廠可同時淬三根半軸，群馬廠可同時淬兩根半軸，工具機實際上是感應熱處理生產線，全過程除校直、螢光探傷檢查需一名工人外，其餘全部自動進行。
（3）機械人的應用
日本高週波熱煉株式會社製造的一台立式通用淬火工具機上配置一台機械人，機械人將乙個二匝的感應器進行依次平面掃瞄，使一塊塑料板變色，雖然使用電源功率只3 kw，但也可以看出機械人在感應熱處理中的應用趨勢。
（4）機電一體化
將電源、淬火工具機、冷卻系統組成成套裝置，具有占地面積小、生產效率高、一次安裝除錯容易等優點。國外最近問世的曲軸固定加熱淬火裝置占地面積僅為組合式成套裝置的1/4。
3、淬火工藝
（1）靜止式曲軸感應淬火
採用靜止式曲軸感應淬火新技術的最初的兩台裝置在福特公司v6和v8曲軸淬火和回火工藝中得以應用，表現出了良好的市場前景。其特點是：加熱時間短，一般僅為1.
5～4s，傳統工藝是7～12s；電效率高、成本低；感應器與工件之間允許有較大間隙，調整方便；操作簡單、重複性好、易於維護；占地面積小，僅為原來的20%左右。
（2）低淬透性鋼齒輪淬火
現在俄羅斯許多汽車工廠廣泛採用低淬透性鋼進行整體感應加熱表面淬火，已大量應用於汽車、拖拉機後橋齒輪、挖掘機齒輪、傳動十字軸、火車車廂用滾動軸承、汽車板簧、鐵路螺旋彈簧等，取得了較大的經濟效益。
（3）雙頻感應加熱淬火
國外雙頻淬火主要用於齒輪。20世紀90年代，美國用10khz中頻和150khz高頻電源，先讓齒輪在中頻感應器中加熱，然後迅速降到高頻感應器中加熱，最後落入油中淬火。進入21世紀，此工藝又有新進展，如gh公司採用電力電子開關轉換頻率，使齒輪的齒頂和齒跟的加熱更加均勻，更好地保證了齒輪的淬火質量。
我國****應用感應熱處理技術現狀
1、電源
電源是感應加熱的關鍵裝置之一，隨著感應加熱技術的發展，經歷了機械式中頻發電機組和真空管式高頻電源、閘流體中頻電源及全電晶體電源三個發展階段。在20世紀80年代後期，在工業發達國家，閘流體中頻電源已完全取代了中頻發電機組，我國自90年代中期也已逐步取代。
同機械式中頻發電機組相比，閘流體（scr）中頻電源具有以下優點：體積小、重量輕、材料消耗少；電效率高，逆變停止時幾乎不消耗電能，逆變效率可達90%以上；無機械運動、噪音小、執行可靠、負載匹配容易，可以根據負載情況確定電源的頻率；啟動停止方便，頻率能自動跟蹤以保持最佳執行狀態；產品設計簡單、製造周期短；安裝容易，不需要特殊的基礎；維修方便等。
我國的閘流體中頻電源的共同特點是全整合化控制線路數位化程度高於90%、啟動成功率幾乎達到100% 、除具有常規的水壓不足、快熔熔斷、過流、過壓等保護功能外，還具有限流、限壓等保護功能、功能較齊全的閘流體電源還配置逆變失敗、水溫監視等可選功能，其頻率最高可以作到8khz，額定功率可以作到1000kw左右，如果在裝配工藝上再進一步改進的話，可以接近世界先進水平。
隨著技術的進步，跟蹤80年代國際感應加熱技術水平，我國於90年代中期開發出第一台電效率較高的50kw/50khz igbt電流型超音訊感應加熱電源(圖2)。目前可做到頻率0.4～50khz、最大功率可達到800 kw，頻率達到100khz時功率達到100 kw 。
圖2 igbt電流型超音訊感應加熱電源
igbt應用同期，我國還成功研製出20 kw/300khz mosfet高頻電源，縮小了同國際先進水平的差距，隨著大功率mosfet器件的問世，大功率的電晶體高頻電源有望年內在感應淬火中應用。
2、淬火工藝
隨著****的迅速發展，我國採用感應淬火的零件的種類和品種不斷增加。目前我國汽車零件感應淬火用材料包括：45#、40cr、55mnvs、40mnb、42crmo、35#、zg45、球鐵、合金鑄鐵等。
感應加熱淬火介質包括：水、聚乙烯醇、聚迷水溶性淬火介質、ucon、豪富頓251等。所採用的加熱方式及應用主要包括：
橫向磁場靜止一次加熱淬火（銷軸類零件、凸輪軸）；橫向磁場連續加熱淬火（減振器杆、變速叉軸、扭杆等）；橫向磁場多段連續加熱淬火（起動機軸、空壓機軸等）；縱向磁場整體一次加熱淬火（半軸等）；仿形感應器零件旋轉加熱淬火（球頭銷）；感應接觸加熱淬火**向齒條）；內孔的一次及連續加熱淬火（輸出法蘭、鐘型殼內腔）；階梯軸類零件的旋轉加熱淬火（小紅旗後輪轂軸、轉向節）；平面類零件的一次及連續加熱淬火（鋼板彈簧橫向限位板）；薄壁類複雜零件一次及連續加熱淬火（前輪轂、滑動軸叉）；複雜形狀零件的一次加熱淬火（鐘型殼變截面軸）；槽口一次淬火（變速叉）；複雜迴線工件旋轉一次加熱淬火（曲軸）等。
3、淬火工具機
為了適應多品種的批量生產，在汽車生產應用中，我國引進的感應淬火工具機種類由傳統的專用裝置逐步向柔性化程度較高的通用裝置和專用淬火自動生產線發展。
通用淬火工具機方面，一汽技術中心開發的臥式數控淬火工具機（圖3）主驅動採用交流伺服電機拖動，移動速度穩定均勻、定位準確、重複精度高；零件旋轉採用變頻調速，能適應多方面工藝要求；採用能量和數控技術對不同效能要求的不同零件感應加熱淬火，甚至在同一零件上實現多段變功變速，程式設計容易可操作性強。
圖3 通用數控淬火工具機
專用淬火工具機方面，二汽和天舒機電科技****經過多年努力，攻克乙個個難關，採用功率脈衝分配技術、尾座自由頂尖技術、薄型淬火變壓器技術、獨立懸掛技術、懸掛平衡技術等分別研製成功曲軸全自動淬火工具機（圖4），與電源、水冷系統組成成套淬火裝置可對車用內燃機曲軸進行各軸徑的圓角+軸徑淬火、軸徑淬火自回火，採用計算機控制，通過顯示屏對裝置的加熱、淬火工藝引數諸如電壓、電流、頻率、時間、壓力、流量溫度等進行監控和顯示，目前國內多家採用。
圖4 工作中的全自動曲軸淬火工具機
這些工具機在傳動系統方面主要採用機械傳動，代表現代機械傳動技術的滾珠絲槓和直線導軌等先進技術被廣泛採用；主驅動採用伺服數控、變頻調速，移動速度穩定均勻；拖架定位準確，重複精度高；工件旋轉採用變頻調速取代固定轉速，能適應多方面工藝要求；上下料系統採用較先進的步進鏈傳動、托盤送進料、人工送取料。另外，在一條生產線中，大功率電源用於淬火，然後用較低功率回火，兩個工序在一條生產線上自動完成，減少了重複上下工件的工序，降低了勞動強度，提高了生產效率。
4、其他器件及冷卻系統
在氣動式和接觸器式功率切換器、電熱電容器、淬火變壓器、動作順序控制及顯示、變壓器三維移動快換接頭等方面，我國也取得了很多技術進步，使淬火技術和工藝水平不斷提高。
對於冷卻和淬火水迴圈裝置，在消化理解國際感應加熱成套裝置用水冷系統最新技術基礎上，我國自行研製成功適合我國國情的新型、高效、價廉的軟水冷卻機和水-水冷卻機，換熱效率高，大大提高了加熱裝置的可靠性，延長了裝置的使用壽命。
5、認清差距，開拓進取
雖然近年來我國感應淬火技術得到了迅速發展，但與工業發達國家相比，還有相當大的差距。
mosfet高頻電源是工業發達國家的首選產品，而我國在高頻段仍以閘流體交流調壓、高壓矽堆整流、節能型電子管振盪器式電源為主；igbt超音訊電源有部分取代閘流體中頻電源的趨勢，而我國在這方面的應用還不夠普及；近些年來雖然閘流體中頻電源應用較為普遍，但由於老企業改造步伐的限制，還有部分中頻停留在發電機組。
必須指出，雖然我國能夠生產mosfet、 igbt和sit感應加熱淬火用電源，但品種和規格沒有國外那麼多、那麼細，由於關鍵主要電力電子器件國內還不能生產，必須進口， 所以從效能和技術水平方面和國外相比仍有相當大的差距。
總體來說，和工業發達國家相比，我國的數控及全自動淬火工具機開發屬起步階段。在自動化水平上，國內裝置大部分是人工上下料，自動化程度較低；能量監控雖有應用但技術還不夠成熟；funac、simens伺服系統有所應用，但多為點位直線運動，屬簡易型，多軸連動型別的數控系統尚未得到應用。另外，計算機控制技術在感應加熱淬火中應用遠不如國外那樣成熟，例如自動識別進機零件、不合格零件自動剔除；工藝引數跟蹤及偏離給定值修正等。
在感應器製造技術、感應器快換、導磁體材料與利用、冷卻水迴圈系統、淬火介質研究與應用等方面也有相當大的差距。
鑑於這些差距，我國應積極行動，建立嚴格的引進消化政策，避免重複引進，限期淘汰耗能嚴重的電源，集中力量開發短缺部件，提高淬火工具機配套質量等，作為學生，我們也要努力學習相關知識，為我國感應加熱技術迅速趕上世界先進水平貢獻自己的乙份力量。
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