1．感應(yīng)淬火的金屬學(xué)問題
（1）快速加熱臨界點(diǎn)升高
感應(yīng)加熱的升溫速度從每秒幾十度到幾百度，脈沖淬火更達(dá)到每秒數(shù)千度（2000～3000℃/s），由于加熱速度快，持續(xù)時(shí)間短，因此淬火溫度比一般鹽浴淬火溫度要高，才能使組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體并均勻化，表1為T10鋼與GCr15鋼快速加熱時(shí)Ac1點(diǎn)隨加熱速度的加快而升高的有關(guān)數(shù)據(jù)。
表1 感應(yīng)加熱速度與臨界點(diǎn)Ac1的關(guān)系
加熱速度/（℃/s） | |||||||
原始狀態(tài) | 10 | 50 | 100 | 150 | 200 | 300 | |
T10 | 退火 | 745 | 760 | 765 | 760 | 765 | 765 |
淬火 | 735 | 745 | 755 | 755 | 760 | 765 | |
GCr15 | 退火 | 770 | 810 | 825 | 830 | 835 | 830 |
淬火 | 740 | 750 | 785 | 800 | 815 | 810 | |
從實(shí)踐中我們了解到，感應(yīng)加熱的淬火溫度比常規(guī)淬火提高80～150℃，表2為常用鋼高頻淬火推薦的加熱溫度。
表2 常用鋼高頻淬火加熱溫度
鋼號(hào) | 加熱溫度/℃ | 鋼號(hào) | 加熱溫度/℃ | |
45 | 860～920 | T10、T10A | 850～960 | |
50 | 860～900 | GCr15 | 920～1020 | |
40Cr | 940～980 | GCr9 | 900～1000 | |
T7、T7A | 880～960 | CrWMn | 850～960 | |
T8、T8A | 860～960 | 9SiCr | 880～1000 |
感應(yīng)加熱的比功率遠(yuǎn)比爐內(nèi)加熱大，因此加熱速度快，從而促使珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變開始和完成的溫度升高所需的時(shí)間短。
鋼的原始組織對(duì)快速加熱時(shí)奧氏體的形核、長(zhǎng)大及均勻化過程都有很大影響，因而也顯著影響感應(yīng)淬火的溫度及淬火的組織與性能。圖1為各種原始組織的T8鋼臨界點(diǎn)與加熱速度的關(guān)系[1]。片狀珠光體較球狀珠光體易于完成加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變過程，因此同一鋼號(hào)不同原始組織感應(yīng)淬火溫度t淬必然是：t淬（退火態(tài)）＞t淬（正火態(tài)）＞t淬[調(diào)質(zhì)（退火+高溫回火）]。圖中αo的物理意義：對(duì)珠光體，它表示相鄰兩個(gè)滲碳體間距離的一半；對(duì)自由鐵素體，它表示位錯(cuò)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)距離的一半。
圖 1
快速加熱時(shí)，Ac3點(diǎn)也隨著加熱溫度的升高而升高，圖2示出了亞共析鋼在不同的加熱速度下得到完全淬火所需的溫度。
圖 2
（2）快速加熱能使鋼獲得細(xì)的晶?；虺?xì)晶粒
在加熱速度較低的范圍內(nèi)，隨著加熱速度的增大，剛完成奧氏體化所形成的奧氏體起始晶粒顯著減小，但在加熱速度很高時(shí)，奧氏體起始晶粒幾乎不再隨加熱速度的增加而減小。實(shí)踐證明，在感應(yīng)加熱的實(shí)際條件下，加熱速度極高，所得的起始晶粒極為細(xì)小，并且與加熱速度無關(guān)。但是，已形成的奧氏體晶粒的長(zhǎng)大卻與加熱速度有關(guān)。當(dāng)繼續(xù)加熱到某一溫度時(shí)，加熱速度越小，所形成的實(shí)際奧氏體晶粒越大，如圖3所示[2]，所以只要加熱溫度與加熱時(shí)間控制得當(dāng)，感應(yīng)加熱是不會(huì)產(chǎn)生過熱的。
圖 3
2．高速鋼快速加熱各種現(xiàn)象
（1）高速鋼刀片快速加熱
早在1923～1924年間，前蘇聯(lián)沃洛格金就開始研究高速鋼刀具高頻淬火，可惜沒有成功[3]。沒有成功的原因認(rèn)為高速鋼制工具必須完全被淬透，或者所得的高熱硬性和高強(qiáng)度的淬硬層比較厚才行，同時(shí)也擔(dān)心高頻淬火碳化物溶解不良影響其他性能。但這是比較浮淺的感知，并沒有將感應(yīng)淬火深入研究下去。直至1952年才有所突破，格德別爾格等終于在尺寸為3～10mm的W18Cr4V（P18）刀片淬火成功，遺憾地是沒有走向工業(yè)化生產(chǎn)，但足以說明，高速鋼刀具是可以感應(yīng)加熱淬火的。
（2）高速鋼焊件的快速加熱
高速鋼錐柄鉆、立銑刀等桿狀刀具，不論是閃光焊還是摩擦焊，都是快速加熱的典范，在幾秒鐘內(nèi)就能將鋼件加熱到1000℃以上。
（3）高速鋼鍛件的快速加熱
筆者提倡φ60mm高速鋼坯料直接入高溫區(qū)加熱[4]，即冷料不經(jīng)預(yù)熱，直接入1150～1200℃區(qū)。投入生產(chǎn)多年，鍛造質(zhì)量穩(wěn)定。
（4）高速鋼刀具淬火參量公式的運(yùn)用
在高速鋼工具熱處理時(shí)存在一個(gè)淬火參量公式
即P＝t（37+lgτ）[5]
式中 P——淬火參量；
t——淬火加熱溫度；
τ——淬火加熱時(shí)間。
公式中的P代表了淬火加熱溫度和加熱時(shí)間的綜合作用。在淬火過程，無論淬火加熱溫度和加熱時(shí)間怎樣變化，只要兩者作用的結(jié)果即淬火參量相同，那么奧氏體化的程度就應(yīng)該是相當(dāng)?shù)?。意思是說高溫短時(shí)間（快速加熱）和低溫長(zhǎng)時(shí)間，只要P相同，刀具淬火的質(zhì)量就是一樣的。
（5）高速鋼刀具爐內(nèi)快速加熱和半快速加熱
20世紀(jì)50年代末，在蘇聯(lián)熱處理專家的幫助下，北京、天津、上海等地，曾推廣熱處理快速加熱節(jié)能新技術(shù)，取得了不少成功經(jīng)驗(yàn)，可惜留下的資料不多，筆者手上只有上海工具廠W18Cr4V鋼制φ14mm錐柄鉆、槽銑刀快速加熱的資料[6]。報(bào)道說將W18Cr4V鋼的淬火加熱溫度由常規(guī)的1270～1280℃提高到1300～1310℃，加熱系數(shù)由原10～12s/mm縮短到5～6s/mm，刀具壽命不降反而略有提高。
（6）激光、電子束等高能量密度對(duì)高速鋼刀具表面改性
近幾年不斷有報(bào)道激光等對(duì)高速鋼表面改性的文章[7]，指出高速鋼完全可以實(shí)施快速加熱。該技術(shù)方法是將高能量密度的等離子體高速作用在M42鋼表面，使材料表面出現(xiàn)局部的快速升溫和快速冷卻，升溫和冷卻的速度可達(dá)到104～108K°/s，因此可在工件表面形成晶結(jié)構(gòu)改性層，達(dá)到提高材料性能的目的。
（7）高速鋼快速加熱由來已久
高速鋼問世100多年來，人們對(duì)其熱處理工藝創(chuàng)新改革從來未停止過。前蘇聯(lián)曾有人狂言，對(duì)鋼來說能夠以任何速度加熱。限于當(dāng)時(shí)的條件，只局限在鹽浴爐和高頻加熱，并且淬火件都是不能再簡(jiǎn)單的棒或片，不具備普遍性。高速鋼鍛造坯料的快速加熱應(yīng)用比較成功，大部分人認(rèn)為：經(jīng)過壓力加工和退火后的高速鋼材料，在改鍛前的加熱，其加熱的速度是可以不受限制的[8]。當(dāng)激光、電子束等新技術(shù)新工藝的出現(xiàn)，屢見有高速鋼快速加熱表面改性成果的報(bào)道，表明高速鋼快速加熱已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用階段。
3．感應(yīng)加熱淬火在高速鋼機(jī)械刀片中的應(yīng)用
高速鋼的淬透性很好，在空氣中也能淬上火，因此叫“風(fēng)鋼”，其淬硬性也好，在空氣中也能淬到64HRC以上，磨出很鋒利的刃口，故也稱“鋒鋼”。高速鋼感應(yīng)加熱淬火屬自冷式淬火，節(jié)能環(huán)保，生產(chǎn)效率高。
不管什么鋼淬火必備兩個(gè)基本條件：第一是必須奧氏化，第二是立即快冷，冷卻速度應(yīng)大于鋼的臨界冷卻速度（v臨）。感應(yīng)加熱的特點(diǎn)只是工件表面被加熱，如果表層奧氏體化后立即停止加熱，而鄰近未被加熱的金屬能迅速地將加熱層的熱導(dǎo)走，并且其冷卻速度＞v臨，則表面就被淬硬了。其不是靠表面噴淬火液快冷，而是由內(nèi)部的冷金屬來冷卻，這種特殊的淬火工藝只有在高能密度加熱狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)。感應(yīng)加熱是高能密度加熱方法之一。由于功率密度極大，加熱時(shí)間極短，因此也稱脈沖加熱。
感應(yīng)加熱的溫度可用紅外線光電高溫計(jì)或光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量，也可以用目測(cè)（根據(jù)加熱工件的顏色），判斷淬火加熱溫度。
感應(yīng)加熱時(shí)渦流在工件上產(chǎn)生的熱量主要用在加熱所需的表面層，但是在此過程中還有兩種熱量從工件上散發(fā)，第一種是從加熱表面向空氣中散發(fā)稱之為輻射熱；第二種是從工件加熱層向心部傳導(dǎo)的，稱之為傳導(dǎo)熱。這兩種熱損耗，特別是向內(nèi)熱傳導(dǎo)的作用，加深了理論上的加熱層深度，可以用d深＝0.2 
（mm），式中t為加熱時(shí)間（s）。隨著功率密度的降低與加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，損耗增加。如果工件比較薄，熱傳導(dǎo)很快就會(huì)從表面?zhèn)鞯叫牟?，整個(gè)截面都熱透了，高速鋼屬自硬性材料，加熱停止馬上就淬硬了。
嘉龍公司從2014年開始，高頻試淬厚度≤6mm的刀片，投放市場(chǎng)，客戶反映很耐用，比原保護(hù)氣氛整體淬件壽命提高一倍以上，增強(qiáng)了我們擴(kuò)大生產(chǎn)的信心和勇氣。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，對(duì)厚刀片需求量增大，2015年我們又引進(jìn)了超音頻技術(shù)，現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)。淬火機(jī)床也是自制的，現(xiàn)在能淬厚度12mm的機(jī)械刀片。M2鋼淬火晶粒度及回火后金相組織如圖4、圖5所示。
圖4 M2鋼淬火金相（500×）
圖6 M2鋼回火金相（500×）
作者簡(jiǎn)介：趙步青，高級(jí)工程師，現(xiàn)任安徽嘉龍鋒鋼刀具公司技術(shù)顧問，中國特鋼學(xué)會(huì)高速鋼學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，主要從事工模具鋼熱處理技術(shù)工作
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