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平面类及套类零件感应淬火变形分析

平面类及套类零件感应淬火变形分析

作者：贾士武 （保定10分PK10电气设备有限公司）

摘要：本文对平面类零件、套类零件在感应淬火过程中产生的热应力进行了分析，从而定性地分析出这些零件感应淬火后的变形规律。

关键词：热应力、热膨胀、感应淬火变形方式。

零件经常规热处理（通过电阻炉或其他设备进行的热处理）后或多或少都存在变形，在感应热处理过程中也依然如此，尤其是对平面类及套类零件进行的感应淬火，淬火后变形更为突出，因而这些零件感应淬火后的变形方式及变形量大小，即成为热处理技术人员为关心的问题。

众所周知，零件在热处理过程中存在两种内应力，其一为组织应力，另一为热应力。组织应力是因组织转变前后两种组织密度不同或整个截面组织转变先后次序不同所产生的应力，而热应力是因热处理加热或冷却过程中内部存在温差，各截面热胀冷缩不同步所产生的应力。通常情况下，这两种内应力是引起零件热处理变形的主要因素。

在零件的感应淬火过程中，同样也存在热应力及组织应力，但因感应淬火大多要求零件的硬化层深度较浅，在淬火过程中组织转变的总量相对较少，故因组织转变而产生的内应力及变形总量也相对较小，所以在感应淬火过程中，组织应力一般可不作为引起淬火变形的主要因素进行考虑。然而由于零件在感应淬火时加热速度及冷却速度较快，零件心部与表面的温差变化较大，所以在感应淬火过程中，产生的热应力也较大，因此对大多数零件而言，热应力是引起感应淬火变形的主要因素。

1、金属热胀冷缩的实质

实际上，金属及合金的热膨胀是由于原子间距增大的结果。按照“弗兰克尔”假设，点阵上的正离子与自由电子所造成的吸引力即为原子间的吸力f，同性正离子间的斥力及自由电子之间所造成的斥力构成了原子间的斥力F。图一说明了原子间作用力与原子间距的关系［1］。曲线1表示吸力，曲线2表示斥力，曲线3表示两个力的合力。假定两原子间距离为r， r0为某温度下斥力与引力相平衡时两原子间的距离，则当r＜r0时，F＞f；当r＞r0时，F＜f。通常在不受外力作用下，任一温度下，原子间的斥力与吸力是相互平衡的，即F=f，所以每个原子均位于平衡位置附近震动。当温度升高时，电子的“能量”增加，其运动半径将会加大，原子核对电子的吸引力减小。为保持力的平衡，两原子核的距离就会加大，即原子核的震动幅度将会增加，其平衡位置也会向右移动，见图二所示。由于原子间距增大，宏观上即表现为金属物体长度的增加。

通常情况下，钢材在加热时会发生热膨胀现象，如果升温速度足够缓慢，则可认为加热过程中，原子间不存在“附加的”应力作用，单一方向线膨胀量应符合公式：δL=KLδT，式中K为某一温度范围内线膨胀系数的平均值，L为瞬时加热区长度，δT为实际温度与初始温度的差值。

但由于感应加热速度较快，整个过程中产生了附加的热应力，所以其热胀冷缩数值与理论上的数值有较大差异。

2、平面类零件单面连续感应淬火所引起的变形

（1）平面类零件在感应加热过程中所产生的内应力

假定平面类零件的外形尺寸长、宽、高分别为：L、A、B，对此零件进行单侧连续（扫描式）感应淬火。感应加热时，瞬时加热长度（可近似看做为感应器宽度）为L0，加热层深度为H。

① 感应加热过程中水平方向的受力状况

如果把瞬时加热长度L0长度的金属看作为两个原子，以双原子模型分析其水平方向受力状况。

首先，两原子间存在斥力F，吸引力f，另外，由于在连续感应加热淬火过程中，感应器两端基本处于“冷态”（前面为未加热区，后面为已冷却区），“两原子之间”的膨胀即会受到两端冷态组织的阻碍，假定此阻力为P，则可认为加热时“两原子”在水平方向受到压力P的作用，此时P=F-f。

    事实上，在对平面进行连续感应淬火过程中，感应器两端始终为冷态，所以加热区始终处于受压状态，见图三。

② 垂直方向受力状况

零件在加热时，不仅会向水平方向涨大，同样也会向垂直于水平方向的上面涨大，但由于零件除加热层H外的下面部分仍为冷态，其向外的涨大受到未加热层的限制，相当于受到垂直于水平面向下的压力P的作用，见图四。

感应加热时，由于加热面温度始终高于受热层以外的温度，所以在连续感应淬火过程中，加热面的瞬时加热区始终受到一个垂直向下的内压力作用。

（2）平面类零件在感应淬火后的变形方式

假定感应加热的实际加热温度为T，初始加热温度为T0，在T～T0温度区间内，平均线涨系数为K。如果是“透热式”加热，且加热速度足够缓慢，则在水平方向L0尺寸热涨量的理论值为δL0=K L0（T- T0），但由于加热时受到膨胀阻力P的作用，假定实际的膨胀量为δL1，则δL1＜δL0，其差值δL=δL0-δL1。

假定在随后的冷却过程中，按“热胀冷缩”的理论值收缩，则零件在L0尺寸范围内感应淬火结束后的收缩值即为δL=δL0-δL1。如果零件的淬火加热面总长为L，则感应淬火后零件的总收缩量为L长度范围内δL的积分值。

如前所述，零件在感应淬火后，不仅加热面水平方向会微量收缩，同时始终受到一个垂直向下的内应力作用力。通常情况下，平面类零件在长度方向上的刚性大于在高度方向上的刚性，所以零件淬火完毕后其变形方式即为淬火面中凹。

现实生产中，对平面类零件进行单面“连续”或“同时”感应淬火，淬火后的变形方式也是淬火面为凹面，其中凹量与零件的淬火面长度成正比，与零件有效厚度成反比，其与上述分析一致。

3、套类零件外圆连续感应淬火所引起的变形

（1）套类零件在感应加热过程中所产生的内应力

假定套类零件外径为D，内径为d，总长为L，对此零件外圆进行连续式感应淬火。感应加热时，瞬时加热长度（近似于感应器宽度）为L0，加热层深度为H。

① 轴向受力状况

对套类零件外圆感应淬火，在分析轴向力时，可将零件沿轴向抛开并展开成平面，以平面感应淬火的特点分析其轴向受力状况。

与平面感应淬火相似，在对套类零件沿轴向进行连续感应加热淬火时，感应器两端基本处于“冷态”（前面为未加热区，后面为已冷却区），加热区在轴向方向的膨胀会受到两端冷态组织的阻碍，假定此阻力为P，则可认为加热时“加热区”在轴向方向受到压力P的作用，见图五。

事实上，在对套类零件沿轴向连续感应淬火过程中，感应器两端始终为冷态，所以加热区轴向方向始终处于受压状态。

② 径向受力状况

在进行感应加热时，受热层“沿径向”向外膨胀，但由于零件除表层以外均处于冷态，其涨大必会受到内层的限制，所以，对套类零件进行外圆感应加热时，零件外圆加热区相当于受到沿径向向内的压力P的作用，见图六。

（2）套类零件感应加热后的变形方式

如果对套类零件进行透热式加热，且加热速度足够缓慢，假定零件初始温度为T0，终加热温度为T，在T～T0温度区间内，平均线涨系数为 K。则按热胀冷缩原理，加热完毕，外径的热涨量δD0=KD（T-T0）。

由于感应加热过程中，零件外圆加热区始终受到一个沿径向向内的压力作用，所以加热时的热膨胀必然受到限制，假定实际的外径膨胀量为δD1，则δD1＜δD0。假定在随后的冷却过程中，按“热胀冷缩”的理论值收缩，则淬火完毕后此部位外圆及内孔均会出现收缩现象。由于在对套类零件外圆连续感应加热过程中，径向始终受到压力作用，所以淬火完毕后零件内孔各部位均会出现收缩现象。

在实际生产中，大多套类零件（齿轮、套等）在进行外圆感应淬火时，都出现内孔收缩现象，收缩量大小与零件的加热层深度成正比，与有效壁厚成反比。

4、套类零件内孔连续感应淬火所引起的变形

（1）套类零件在感应加热过程中所产生的内应力

假定套类零件外径为D，内径为d，总长为L，对零件内孔进行连续式感应淬火。感应加热时，瞬时加热长度（近似于感应器宽度）为L0，加热层深度为H。

① 轴向受力状况

对套类零件内孔进行感应淬火，在分析轴向力时，也可将零件沿轴向抛开并展开成平面，以平面感应淬火的特点分析其轴向受力状况。

与平面感应淬火相似，在对套类零件进行内孔连续感应加热淬火时，感应器两端基本处于“冷态”（前面为未加热区，后面为已冷却区），加热区的膨胀会受到两端冷态组织的阻碍，假定此阻力为P，则可认为加热时“加热区”在轴向方向受到压力P的作用，见图七。

与套类零件外圆感应淬火相似，在对套类零件内孔进行连续感应淬火过程中，感应器两端始终为冷态，所以加热区轴向方向始终处于受压状态。

② 径向受力状况

加热时，受热层“沿径向”向外膨胀，但由于零件除内表层以外均处于冷态，其涨大必会受到外层冷态区域的限制，所以，对套类零件进行内孔加热时，零件加热层相当于受到沿径向向内的压力P的作用，见图八。

（2）套类零件感应加热后的变形方式

如果对套类零件进行透热式加热，且加热速度足够缓慢，假定零件初始温度为T0，终加热温度为T，在T～T0温度区间内，平均线涨系数为 K。则按热胀冷缩原理，加热完毕，内孔的热涨量δd0=Kd（T-T0）。

由于感应加热过程中，零件内孔加热层始终受到一个沿径向向内的压力作用，所以加热时的热膨胀必然受到限制，假定实际的内孔膨胀量为δd1，则δd1＜δd0。假定在随后的冷却过程中，按“热胀冷缩”的理论值收缩，则淬火完毕后即出现内孔收缩现象。由于在对零件进行内孔感应加热过程中，加热层径向始终受到压力作用，所以淬火完毕后内孔各部位均会出现缩孔现象。

在实际生产中，套类零件在进行内孔淬火时，大都出现内孔收缩现象，收缩量大小与零件的有效壁厚成反比。

5、结语

（1）与其他设处理方式类似，感应热处理同样会产生淬火变形。

（2）平面类零件在进行单面感应淬火时，变形方式是淬火面“中凹”，中凹量与加热层深度、零件有效厚度等因素有关；

（3）套类零件在进行外圆感应淬火时，变形方式是“缩孔”，缩孔量与加热层深度、有效壁厚等因素有关。

（4）套类零件在进行内孔感应淬火时，变形方式是“缩孔”，缩孔量与加热层深度、有效壁厚等因素有关。

（5）可根据零件感应淬火的变形规律设定相应的预先热处理，从而减小终的热处理变形。

（6）可以利用感应加热产生的变形规律对特殊零件进行调平、校直处理等。

参考文献：

（1）金属物理性能分析 哈尔滨工业大学宋学孟主编 机械工业出版社

作者简介：贾士武（1963.10），男，1984年7月毕业于中国矿业大学金属材料及热处理专业，高级工程师，曾发表论文多篇并获奖。现任保定10分PK10电气设备有限公司总经理，专门从事感应加热设备的制造与工艺研究。

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