淬火加熱
關注創建者：劉玉 創建時間：2019-03-17
淬火加熱的實例教程
加熱爐與淬火裂紋
淬火裂紋與加熱爐的種類有很大關系，最不易引起淬火裂紋的是真空爐。以下按產生淬火裂紋難易程度次序排列為：真空爐、電爐、鹽浴爐和燃燒爐。重油爐及液化石油氣爐等最容易引起淬火裂紋。眾所周知，真空爐是輻射加熱，所以沒有氧化、脫碳，過熱發生幾率非常低，處理后的表面也不粗糙，因此是不易發生淬火裂紋的加熱爐。電爐的溫度分布比較均勻，且不易出現氧化、脫碳等表面粗糙缺陷，所以淬火裂紋發生得少。以重油和液化石油氣為燃料的燃燒爐，是用火焰直接加熱的，所以直接接觸火焰的地方往往容易發生過熱，特別是為節約能源使用空氣過剩火焰(氧化焰) , 更易因氧化、脫碳引起桔皮狀缺陷，因此是淬火裂紋發生率高的爐子。
展開 （2）支承輥的生產能力 5套爐體規格為GT-φ1000、GT-φ1150、GT-φ1320、GT-φ1500、GT-φ1700，可以適應輥身直徑為φ800~1680 mm，輥身長度為2050 mm、質量為60 t以內的支承輥進行加熱工作。
以質量為20 t支承輥為例。加熱方式比較：常規差溫爐是靠爐溫從工件表面內部導熱，感應加熱直接作用在一個加熱層，再向內部導熱。立式感應加熱淬火機床每天每班平均生產2支，1年按225天計算，年生產能力為2×225×20=9000（t）。常規差溫爐每天每班生產1.5支，年生產能力為1.5×225×20=6750（t）。所以感應加熱要比常規差溫爐加熱用時少，生產能力高。
（3）淬硬層深度及硬度曲線對比
圖3所示的是支承輥淬火完成后，在輥身的端面向下切削10mm，采用HG-141軋輥專用硬度計打點測量硬度，采用500-144數顯卡尺測量淬硬層深度，以測得數據鏈而形成的坐標圖。
測得支承輥的表面硬度和有效淬硬層深度如表1所示。結合JB/T 4120—2006《大型鍛造合金鋼支承輥》可以看出，支承輥感應加熱淬火機床生產支承輥淬硬層深度和硬度均達到并超過了國家標準和企標標準，并且過渡層很深，完全符合支承輥的使用性能。
展開 本次介紹一個感應加熱同時進行淬火的一個例子。加熱線圈以指定的功率啟動加熱過程，并開始以指定的速度沿工件移動。工件的表層會在短時間內升溫并發生相轉變。緊接著通過設置一個在淬火窗口（熱交換窗口）對已升溫部分進行淬火。加熱過程使得表面層轉變成奧氏體相，而淬火過程立即將這些表面層冷卻成馬氏體相。
先看結果
溫度變化
奧氏體含量
馬氏體含量
從以上結果可以看到，感應線圈所在區域的溫度最高可達1000度以上，珠光體轉變成奧氏體，隨著感應線圈的移動，坯料不同部位發生珠光體向奧氏體的相轉變。由于淬火窗口緊隨著感應線圈移動，淬火窗口經過之處，坯料表層原本的奧氏體區發生馬氏體相變。由于淬火窗口冷卻速度快了點，故馬氏體轉變不夠徹底。
此示例需要一個額外的 DAT 文件 (DEF_INDH.DAT)，文件中中第一行“0”表示需要使用邊界元素技術（BEM），第二行“5”表示需要計算電壓的步長。親測沒有這個文件計算結果差別有點大。
要點：
感應加熱
淬火
溫度窗口的使用
1 模擬控制設置
跟往常一樣，新建一個項目，進入前處理，點擊2D模式，然后進入模擬控制窗口，勾選相轉變和感應加熱模式。總步數設置200步，5步一存，步長0.1s/step也就是說整個模擬過程持續20s。
2 建立對象
添加3個對象，分別為坯料和上下模。
2.1 坯料設置
坯料由于考慮熱應力，故設置成彈塑性體，材料選擇AISI-1045-trans。需要注意的是計算感應加熱時，坯料和線圈均需要設置電/磁參數。
展開 淬火加熱溫度過高產生過熱或過燒。淬火后回火不及時或回火保溫時間不足。返修淬火加熱時，未經中間退火而再次加熱淬火。熱處理的，磨削工藝不當。熱處理后電火花加工時，硬化層中存在有高的拉伸應力和顯微裂紋。
（2）預防措施
嚴格控制模具原材料的內在質量，改進鍛造和球化退火工藝，消除網狀、帶狀、鏈狀碳化物，改善球化組織的均勻性。在機械加工后或冷塑變形后的模具應進行去應力退火（>600℃）后再進行加熱淬火。對形狀復雜的模具應采用石棉堵塞螺紋孔，包扎危險截面和薄壁處，并采用分級淬火或等溫淬火。
返修或翻新模具時需進行退火或高溫回火。在淬火加熱時應采取預熱，冷卻時采取預冷措施，并選擇合適淬火介質。應嚴格控制淬火加熱溫度和時間，防止模具過熱和過燒。
模具淬火后應及時回火，保溫時間要充分，高合金復雜模具應回火2-3次。選擇正確的磨削工藝和合適的砂輪。改進模具電火花加工工藝，并進行去應力回火。
4.模具淬火后組織粗大
模具淬火后組織粗大，將嚴重影響模具的力學性能，使用時將會使模具產生斷裂，嚴重影響模具的使用壽命。
（1）產生的原因
模具鋼材混淆，實際鋼材淬火溫度遠低于要求模具材料的淬火溫度（如把GCr15鋼當成3Cr2W8V鋼）。鋼淬火前未進行正確的球化處理工藝，球化組織不良。淬火加熱溫度過高或保溫時間過長。在爐中放置位置不當，在靠近電極或加熱元件區易產生過熱。對截面變化較大的模具，淬火加熱工藝參數選擇不當，在薄截面和尖角處產生過熱。
（2）預防措施
鋼材入庫前應嚴格進行檢驗，嚴防鋼材混淆亂放。模具淬火前應進行正確的鍛造和球化退火，以確保良好的球化組織。正確制定模具淬火加熱工藝規范，嚴格控制淬火加熱溫度和保溫時間。定期檢測和校正測溫儀表，保證儀表正常工作。
展開 淬火加熱溫度過高產生過熱或過燒。淬火后回火不及時或回火保溫時間不足。返修淬火加熱時，未經中間退火而再次加熱淬火。熱處理的，磨削工藝不當。熱處理后電火花加工時，硬化層中存在有高的拉伸應力和顯微裂紋。
（2）預防措施
嚴格控制模具原材料的內在質量，改進鍛造和球化退火工藝，消除網狀、帶狀、鏈狀碳化物，改善球化組織的均勻性。在機械加工后或冷塑變形后的模具應進行去應力退火（>600℃）后再進行加熱淬火。對形狀復雜的模具應采用石棉堵塞螺紋孔，包扎危險截面和薄壁處，并采用分級淬火或等溫淬火。
返修或翻新模具時需進行退火或高溫回火。在淬火加熱時應采取預熱，冷卻時采取預冷措施，并選擇合適淬火介質。應嚴格控制淬火加熱溫度和時間，防止模具過熱和過燒。
模具淬火后應及時回火，保溫時間要充分，高合金復雜模具應回火2-3次。選擇正確的磨削工藝和合適的砂輪。改進模具電火花加工工藝，并進行去應力回火。
4.模具淬火后組織粗大
模具淬火后組織粗大，將嚴重影響模具的力學性能，使用時將會使模具產生斷裂，嚴重影響模具的使用壽命。
（1）產生的原因
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鋼材入庫前應嚴格進行檢驗，嚴防鋼材混淆亂放。模具淬火前應進行正確的鍛造和球化退火，以確保良好的球化組織。正確制定模具淬火加熱工藝規范，嚴格控制淬火加熱溫度和保溫時間。定期檢測和校正測溫儀表，保證儀表正常工作。
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在整體齒輪簡化為循環對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續工藝過程仿真，發現齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉換，從而在相變區域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
02 模型建模細節 Model modeling details
齒輪有18個齒，采用循環對稱只建立一個齒牙，再進行厚度方向對稱定義，然后進行有限元網格劃分。
②轉移：將零件在20 ℃的空氣氛圍中，從加熱爐轉移到淬火油中。這個過程持續1 min。③淬火：將工件浸入到50 ℃淬火液中，直至冷卻完畢。④回火：將淬火后的工件加熱至300 ℃,保溫3 h, 然后空冷至室溫。仿真流程與邊界條件與零件實際熱處理工藝參數一致。
在整體齒輪簡化為循環對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續工藝過程仿真，發現齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉換，從而在相變區域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
模型建模細節
齒輪有18個齒，采用循環對稱只建立一個齒牙，再進行厚度方向對稱定義，然后進行有限元網格劃分。
將經過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝
由于滲碳體硬度高，因此它不但不會降低淬火鋼的硬度，而且還可以提高它的耐磨性；
② 淬火加熱保溫時間
淬火加熱保溫時間指的是工件裝爐后，從爐溫回升到淬火溫度算起，直到出爐為止所需要的時間。它包括工件透熱時間和組織轉變所需要的時間。
保溫時間：按照工件的最大厚度或者條件厚度（二者統稱為計算厚度）來確定。
在整體齒輪簡化為循環對稱的模型后，進行感應加熱，淬火連續工藝過程仿真，發現齒輪淬火導致奧氏體向馬氏體的轉換，從而在相變區域獲得更好的材料性能；但也會在齒輪內部引入各種殘余應力，從而改變其機械性能。
表面淬火用鋼：中碳結構鋼（含碳量0.4％-0.5％）
方法：感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。
感應加熱表面淬火(induction surface quenching)
基本原理：感應圈通入交流電→形成渦流（集膚效應）→表層得A→水冷得M。
