不要过分惊讶，高速钢感应加热淬火，可以实现

1．感应淬火的金属学问题

（ 1 ）快速加热临界点升高

感应加热的升温速度从每秒几十度到几百度，脉冲淬火更达到每秒数千度（2000～3000℃/s），由于加热速度快，持续时间短，因此淬火温度比一般盐浴淬火温度要高，才能使组织转变为奥氏体并均匀化，表1为T10钢与GCr15钢快速加热时Ac1点随加热速度的加快而升高的有关数据。

表 1 感应加热速度与临界点 Ac1的关系

从实践中我们了解到，感应加热的淬火温度比常规淬火提高80～150℃，表2为常用钢高频淬火推荐的加热温度。

表 2 常用钢高频淬火加热温度

感应加热的比功率远比炉内加热大，因此加热速度快，从而促使珠光体向奥氏体转变开始和完成的温度升高所需的时间短。

钢的原始组织对快速加热时奥氏体的形核、长大及均匀化过程都有很大影响，因而也显著影响感应淬火的温度及淬火的组织与性能。图1为各种原始组织的T8钢临界点与加热速度的关系[1]。片状珠光体较球状珠光体易于完成加热时的组织转变过程，因此同一钢号不同原始组织感应淬火温度t淬必然是：t淬（退火态）＞t淬（正火态）＞t淬[调质（退火+高温回火）]。图中αo的物理意义：对珠光体，它表示相邻两个渗碳体间距离的一半；对自由铁素体，它表示位错网节点距离的一半。

图 1

快速加热时，Ac3点也随着加热温度的升高而升高，图2示出了亚共析钢在不同的加热速度下得到完全淬火所需的温度。

图 2

（2）快速加热能使钢获得细的晶粒或超细晶粒

在加热速度较低的范围内，随着加热速度的增大，刚完成奥氏体化所形成的奥氏体起始晶粒显著减小，但在加热速度很高时，奥氏体起始晶粒几乎不再随加热速度的增加而减小。实践证明，在感应加热的实际条件下，加热速度极高，所得的起始晶粒极为细小，并且与加热速度无关。但是，已形成的奥氏体晶粒的长大却与加热速度有关。当继续加热到某一温度时，加热速度越小，所形成的实际奥氏体晶粒越大，如图3所示[2]，所以只要加热温度与加热时间控制得当，感应加热是不会产生过热的。

图 3

2．高速钢快速加热各种现象

（1）高速钢刀片快速加热

早在1923～1924年间，前苏联沃洛格金就开始研究高速钢刀具高频淬火，可惜没有成功[3]。没有成功的原因认为高速钢制工具必须完全被淬透，或者所得的高热硬性和高强度的淬硬层比较厚才行，同时也担心高频淬火碳化物溶解不良影响其他性能。但这是比较浮浅的感知，并没有将感应淬火深入研究下去。直至1952年才有所突破，格德别尔格等终于在尺寸为3～10mm的W18Cr4V（P18）刀片淬火成功，遗憾地是没有走向工业化生产，但足以说明，高速钢刀具是可以感应加热淬火的。

（2）高速钢焊件的快速加热

高速钢锥柄钻、立铣刀等杆状刀具，不论是闪光焊还是摩擦焊，都是快速加热的典范，在几秒钟内就能将钢件加热到1000℃以上。

（3）高速钢锻件的快速加热

笔者提倡φ60mm高速钢坯料直接入高温区加热[4]，即冷料不经预热，直接入1150～1200℃区。投入生产多年，锻造质量稳定。

（4）高速钢刀具淬火参量公式的运用

在高速钢工具热处理时存在一个淬火参量公式

即P＝t（37+lgτ）[5]

式中 P——淬火参量；

t——淬火加热温度；

τ——淬火加热时间。

公式中的P代表了淬火加热温度和加热时间的综合作用。在淬火过程，无论淬火加热温度和加热时间怎样变化，只要两者作用的结果即淬火参量相同，那么奥氏体化的程度就应该是相当的。意思是说高温短时间（快速加热）和低温长时间，只要P相同，刀具淬火的质量就是一样的。

（5）高速钢刀具炉内快速加热和半快速加热

20世纪50年代末，在苏联热处理专家的帮助下，北京、天津、上海等地，曾推广热处理快速加热节能新技术，取得了不少成功经验，可惜留下的资料不多，笔者手上只有上海工具厂W18Cr4V钢制φ14mm锥柄钻、槽铣刀快速加热的资料[6]。报道说将W18Cr4V钢的淬火加热温度由常规的1270～1280℃提高到1300～1310℃，加热系数由原10～12s/mm缩短到5～6s/mm，刀具寿命不降反而略有提高。

（ 6 ）激光、电子束等高能量密度对高速钢刀具表面改性

近几年不断有报道激光等对高速钢表面改性的文章[7]，指出高速钢完全可以实施快速加热。该技术方法是将高能量密度的等离子体高速作用在M42钢表面，使材料表面出现局部的快速升温和快速冷却，升温和冷却的速度可达到104～108K°/s，因此可在工件表面形成晶结构改性层，达到提高材料性能的目的。

（ 7 ）高速钢快速加热由来已久

高速钢问世100多年来，人们对其热处理工艺创新改革从来未停止过。前苏联曾有人狂言，对钢来说能够以任何速度加热。限于当时的条件，只局限在盐浴炉和高频加热，并且淬火件都是不能再简单的棒或片，不具备普遍性。高速钢锻造坯料的快速加热应用比较成功，大部分人认为：经过压力加工和退火后的高速钢材料，在改锻前的加热，其加热的速度是可以不受限制的[8]。当激光、电子束等新技术新工艺的出现，屡见有高速钢快速加热表面改性成果的报道，表明高速钢快速加热已进入实质性的应用阶段。

3．感应加热淬火在高速钢机械刀片中的应用

高速钢的淬透性很好，在空气中也能淬上火，因此叫“风钢”，其淬硬性也好，在空气中也能淬到64HRC以上，磨出很锋利的刃口，故也称“锋钢”。高速钢感应加热淬火属自冷式淬火，节能环保，生产效率高。

不管什么钢淬火必备两个基本条件：第一是必须奥氏化，第二是立即快冷，冷却速度应大于钢的临界冷却速度（v临）。感应加热的特点只是工件表面被加热，如果表层奥氏体化后立即停止加热，而邻近未被加热的金属能迅速地将加热层的热导走，并且其冷却速度＞v临，则表面就被淬硬了。其不是靠表面喷淬火液快冷，而是由内部的冷金属来冷却，这种特殊的淬火工艺只有在高能密度加热状态下才能实现。感应加热是高能密度加热方法之一。由于功率密度极大，加热时间极短，因此也称脉冲加热。

感应加热的温度可用红外线光电高温计或光学高温计测量，也可以用目测（根据加热工件的颜色），判断淬火加热温度。

感应加热时涡流在工件上产生的热量主要用在加热所需的表面层，但是在此过程中还有两种热量从工件上散发，第一种是从加热表面向空气中散发称之为辐射热；第二种是从工件加热层向心部传导的，称之为传导热。这两种热损耗，特别是向内热传导的作用，加深了理论上的加热层深度，可以用d深＝0.2 （mm），式中t为加热时间（s）。随着功率密度的降低与加热时间的延长，损耗增加。如果工件比较薄，热传导很快就会从表面传到心部，整个截面都热透了，高速钢属自硬性材料，加热停止马上就淬硬了。

嘉龙公司从2014年开始，高频试淬厚度≤6mm的刀片，投放市场，客户反映很耐用，比原保护气氛整体淬件寿命提高一倍以上，增强了我们扩大生产的信心和勇气。为适应市场需求，对厚刀片需求量增大，2015年我们又引进了超音频技术，现已投入批量生产。淬火机床也是自制的，现在能淬厚度12mm的机械刀片。M2钢淬火晶粒度及回火后金相组织如图4、图5所示。

图4 M2钢淬火金相（500×）

图6 M2钢回火金相（500×）

摘自《金属加工（热加工）》杂志，版权所有

作者简介 ：赵步青，高级工程师，现任安徽嘉龙锋钢刀具公司技术顾问，中国特钢学会高速钢学术委员会委员，主要从事工模具钢热处理技术工作

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近期必读热文

1文看懂钢铁热处理工艺，知识点很多，可以随时拿出来复习

为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。下面就让小编带你来了解一下热处理工艺。

1、热处理简介

热处理及其特点

热处理是指金属材料在固态下，通过加热、保温和冷却 的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。

工艺特点：

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

2、热处理工艺分类

热处理工艺分类

金属热处理工艺大体上可分为：整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。

根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。

3、钢铁热处理工艺

钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

钢铁热处理工艺制定依据——铁碳相图

铁碳相图中几个重要的点、线和温度

C，共晶点，温度1148℃，含碳量0.43%，

E，温度1148℃，含碳量2.11%，碳在γ-Fe中的最大溶解度

K，温度727℃，含碳量6.69%，Fe3C的成分

P，温度727℃，含碳量0.0218%，碳在α-Fe中的最大溶解度

S，温度727℃，含碳量0.77%，共析点

GS（A3）奥氏体转变为铁素体的开始线

ES（Acm）碳在奥氏体中的溶解度线

PSK（A1）AS→Fp+Fe3C 共析转变线

PQ碳在铁素体中的溶解度线

钢铁微观组织结构及性能

组织和力学性能：

奥氏体：低硬度、低屈服强度，高塑性

铁素体：低强度、低硬度、高塑性和韧性

渗碳体：高硬、高强、高耐磨，低塑性和韧性

珠光体：性能取决于组织形态

莱氏体：：高硬、高强、高耐磨

退火

退火工艺可分为：完全退火、扩散退火、等温退火、球化退火、去应力退火及再结晶退火等。

操作方法：

将钢件加热到Ac3+30~50℃或Ac1+30~50℃或Ac1以下的温度（可以查阅有关资料）后，一般随炉温缓慢冷却。

目的

应用要点：

正火

操作方法：

将钢件加热到Ac3或Accm 以上30~50℃，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却，一般为空冷。

目的

应用要点：

正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。对于一般中、高合金钢，空冷可导致完全或局部淬火，因此不能作为最后热处理工序。

淬火

操作方法：

将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上，保温一段时间，然后在水、硝盐、油、或空气中快速冷却。

目的：

淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，有时对某些高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体组织，以提高耐磨性和耐蚀性。应用要点

回火

操作方法

将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后，于空气或油、热水、水中冷却。

目的

应用要点

调质

操作方法：

淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高10~20度的温度，保温后进行淬火，然后在400~720度的温度下进行回火。

目的：

应用要点：

时效

操作方法

将钢件加热到80~200度，保温5~20小时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。

目的：

应用要点：

4、固溶处理

固溶处理

操作方法：

将合金加热到高温（980～1250℃）单相区恒温保持，是过剩相充分溶解到固溶体中厚快速冷却。

目的：

应用要点：

固溶温度应根据合金使用温度进行调整，使用环境温度越高则固溶温度也应更高；对于过饱和度低的合金通常选择较快的冷却速度，对于饱和度高的合金通常为空气中冷却。

5、深冷处理

深冷处理

操作方法：

将淬火后的钢件，在低温介质（如干冰、液氮）中冷却到－40～－80℃或更低，温度均匀一致后取出均温到室温。

目的：

应用要点：

6、表面热处理

表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

火焰加热表面淬火

操作方法：

用氧－乙炔混合气体燃烧的火焰，喷射到钢件表面上，快速加热，当达到淬火温度后立即喷水冷却。

目的：

提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持韧性状态。

应用要点：

感应加热表面淬火：

操作方法

将钢件放入感应器中，使钢件表层产生感应电流，在极短的时间内加热到淬火温度，然后喷水冷却。

目的：

提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部保持韧性状态。

应用要点：

7、化学热处理

化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。

渗碳

操作方法

将钢件放入渗碳介质中，加热至900～950度并保温，使钢件便面获得一定浓度和深度的渗碳层。

目的

提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍然保持韧性状态。

应用要点

氮化

操作方法

利用在500～600度时氨气分解出来的活性氮原子，使钢件表面被氮饱和，形成氮化层。

目的

提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。

应用要点

多用于含有铝、铬、钼等合金元素的中碳合金结构钢，以及碳钢和铸铁，一般氮化层深度为0.025～0.8mm。

碳氮共渗

操作方法：

向钢件表面同时渗碳和渗氮。

目的：

提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。

应用要点：

来源：材易通；编辑：鲁班七号

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