感应热处理的精妙之处
译者：彭智泓
最近，应达公司应邀就汽车工业现代感应热处理技术举办了三场视频研讨会：
首场研讨会于年4月28日举行。以“感应淬火的失效诊断及预防：常用的补救措施、形状不规则零件和设计不当的影响”为议题。研讨会的形式为90分钟的口头报告，接着是15-20分钟的问答环节。
第二场研讨会于年5月11日举行。以“感应热处理技术：基础与超越”。会议形式为70分钟的口头报告，然后是30分钟的问答环节。
第三场研讨会于年5月20日举行。标题：“电动汽车(EV)感应热处理的最新进展及展望”。首先是90分钟的口头报告，然后是15-20分钟的问答。
参会人员包括与汽车行业相关的感应加热和热处理技术从业者、工程师、冶金专家、经理、失效分析师和科学家。
介绍
利用电磁感应进行热处理的技术正在加速发展，以应对瞬息万变的商业环境所面临的新挑战（图1）。热处理商传统上用来评估感应设备的因素包括技术能力、性能一致性、交货期、机器寿命和价格。根据新近的行业趋势，在决定购买热处理设备时还得考虑其他因素，包括卓越的设备灵活性、零件的可追溯性、可持续性和数字通信系统，同时仍然满足对更高质量的产品、能源效率以及环保的要求。在这几次研讨会上，推出几个新开发的创新感应热处理工艺和系统，以及新的理论发现，并具有实际应用；也讨论了与质量保证、过程监控和系统稳健性以及降低总体成本和实现工业4.0运营战略方面相关的主题。
图1
钢、铸铁和粉末冶金（PM）材料的淬火是感应热处理最普遍的应用之一。表面淬火的主要目的之一是在工件的特定区域形成马氏体层，以增加其硬度、强度和耐磨性，同时又让零件的其余部分不受工艺影响；而形成所需的压缩残余应力则是表面淬火的另一个重要方面。
常见的错误假设
认识了所有电磁现象的重要性，趋肤效应则代表了感应加热(IH)的基本特性。不巧的是，在许多专门论述感应加热的出版物中，电流和功率密度（热源）沿工件厚度/半径方向的分布往往被简化并认为从表面到工件呈指数递减。然而，这种常见的假设仅适用于具有恒定电阻率的均质非磁性固体。因此，实事求是地讲，这种假设仅适用于一些独特的情况，因为对于包括表面淬火在内的绝大多数感应加热应用，加热工件内总是存在明显的热梯度。这些热梯度导致电阻率和相对磁导率的非恒定分布。因此，由于被加热工件的物理特性存在非线性，指数热源分布的主要假设与其基本假设不符。
实际上，在感应加热的不同阶段，沿工件半径/厚度的热源分布可能具有独特的波形，这与通常假设的指数分布有很大不同。作为示例，图2显示了表面奥氏体化过程中不同阶段表面淬火直径为24毫米碳钢轴时功率密度的径向分布。
图2
热源的非指数（波形）分布对工艺参数、加热方案、最终温度分布和硬度模式的选择具有显著影响。这是因为，如果表面淬火的频率选择正确，奥氏体化层（非磁性层）的厚度小于当前在奥氏体化钢中的电流透入深度，并且在感应表面淬火的大部分加热循环时间会发生波浪形热源分布。
感应淬火的冶金特性
大家应该认识到，从冶金学角度讲，有许多因素将感应淬火与替代热处理工艺区分开来。两个最明显的因素是：
由于感应淬火不会改变钢的化学成分，钢种必须具有足够的碳和合金含量，才能达到一定的表面硬度、淬硬层深度以及心部硬度。
与替代的化学热处理工艺相比，快速加热具有一定的冶金意义，它极大地影响了奥氏体形成的动力学。
感应加热最吸引人的特点之一是其高生产率和在工件所需区域快速产生热量的能力。感应淬火应用中的加热强度通常超过°C/s（表1），在某些情况下，可达到1,°C/s甚至更高（例如，双频齿轮淬火）。
表1：选定感应加热应用中的典型加热强度
根据连续加热相变(CHT)图，快速加热显著影响奥氏体形成的动力学，使其向更高温度移动。不巧的是，一些热处理从业者不知道这些重要的图表。研讨会揭示了在为感应淬火应用选择合适温度的同时考虑钢的先前显微组织的热强度和细节（例如，退火、正火、淬火和回火）的重要性。
超硬化现象
在对钢进行表面淬火时，结合实用的先前显微组织，快速加热速率和强烈淬火可能会导致所谓的超硬化现象。这种现象是指在表面淬火的情况下获得比通过硬化或通常所预期的硬度更高的硬度水平。由于这种现象，对于相同的钢成分，感应表面淬火零件的表面硬度可能比透热淬火钢给定碳含量的正常预期高2至4HRC（更典型的是1至3HRC）。
目前对超硬现象的认识尚不明确，其起源尚未被冶金学家确认或在世界范围内广泛接受。然而，它已经在许多场合通过实验获得，并已提供了几种解释。在这些视频研讨会中，已经审查了显示超硬现象的必要条件并对其原因和好处进行了解释。
混合淬火结构的微妙之处
人们普遍认为，钢经淬火后的硬度水平随着淬火强度的增加而增加。随着冷却速度的强度增加而增加（从空冷到油淬再到水淬），预计硬度将跟随冷却强度。因此，完全马氏体组织的硬度和强度高于替代相，但韧性和延展性较低。虽然这通常是一个正确的假设，但一些研究人员的工作表明，在某些条件下，马氏体和下贝氏体的回火混合物的强度(UTS)可以超过单马氏体的强度（图3），然而，可以比相应的均相更坚韧[3]。
图3
混合物的规则，其中强度表示为组分相的加权平均值，并不能解释这种现象。几位科学家（包括Edwards、Mutiu、Zhou、Bhadeshia等）对这种现象的原因提供了解释。这些解释已在所提供的材料中进行了讨论。
感应回火与炉子回火
应用以下标准对快速回火与炉子回火的比较给予了特别
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