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感应热处理的发展回顾与期望

2020-03-18
沈庆通
  沈庆通:教授级高工。20世纪50年代任一汽高频室底盘工场主管工艺师,后调第一拖拉机厂参与我国第一台东方红拖拉机感应淬火零件的工艺与装备调试,任高频室主任。90年代后任洛阳升华感应加热公司总工程师、技术总监。曾任全国感应加热技术委员会委员,中国热协工艺装备委员会委员。
 


  感应热处理是热处理工艺中的新星,我国60多年来在机械、冶金、铁路及船舶等制造行业发展迅猛,在我国面临创新阶段,作为感应热处理行业的一名老兵,愿意与大家交流我国感应热处理六十多年来的发展状况,提供一些参考文献,并且提出一些期望。 
我国感应热处理技术的发展历程

  1.起步阶段
  20世纪50年代初,是我国感应热处理技术的萌芽时期,当时感应热处理叫做“高频电流淬火”或“高周波淬火”,戴着一层神秘的面纱。高频淬火的物理、金属性能、相变与工艺原理均来自前苏联,正是前苏联技术沈庆通:教授级高工。20世纪50年代任一汽高频室底盘工场主管工艺师,后调第一拖拉机厂参与我国第一台东方红拖拉机感应淬火零件的工艺与装备调试,任高频室主任。90年代后任洛阳升华感应加热公司总工程师、技术总监。曾任全国感应加热技术委员会委员,中国热协工艺装备委员会委员。援助156项目中的高中频淬火零件的工艺与装备,奠定了该技术的物质基础。
  当时苏联的高频电流技术研究院、斯大林汽车厂、哈尔科夫拖拉机厂及许多机床制造厂均对中国项目提供了感应加热成套装置、加工件工艺卡、工装图样、工段设计等许多资料,当时发行的《部属各厂感应加热技术文件》可直接指导工厂正确选用电流频率与装备,使我国感应热处理技术能从一个较高的起点出发。记得当时有人参观莫斯科的斯大林汽车厂,苏联人自豪地说:先进的汽车厂在远东,而1964年农机部在洛阳举办“曲轴连杆”会议时,代表们参观第一拖拉机厂的许多感应淬火生产线后,曾感叹此次参观等于去了一次苏联。
  前苏联在1936年前后即由沃罗格金院士研发了中频电源及曲轴颈感应淬火技术,二战中感应淬火技术应用于军工装备制造,其著作《表面感应淬火》(见图1)在1947年即在前苏联出版。
图1 表面感应淬火原著
  1939、1940年俄“金属工业通报”上发表了多篇金属及曲轴颈感应淬火文章,其后沃罗格金В.П.ВОЛОГДИН与他的同事及后继者吉金И.Н.КИДЕН、洛津斯基М.Г.ЛОЗИНСКИЙ、舍皮里可夫斯基К.З.ШЕПЕЛЯКОВСКИЙ、雷斯金С.Е.РЫСКИН、斯路亳茨基А.Е.СЛΥХОЦКИЙ、高洛文Г.Ф.ГОЛОВИН等相继在感应加热相变理论、快速加热工艺、工装设备等方面,出版了许多著作,较通俗的著作就有15本,为普及感应淬火、透热、熔化、介质加热等技术发展做出了贡献。
  1956年一机部即在上海综合研究所举办了“高频训练班”,由前苏联高频电流科学研究院И.П.ДАШКЕВИЧ达许凯维奇任教,讲义共10章,40多人参加培训。
  鉴于感应加热书籍的缺乏,1957年我将借到的三本苏联感应淬火经典著作(见图2)交出版社影印(各近300册),1958年上半年新华书店发行,供同行学习参考。作者分别是沃罗格金、舍彼里可夫斯基与洛津斯基,其著作已为国人所熟悉,洛津斯基这本著作也早已由王东升译为中文。
图2 三本感应淬火经典原著
  当时(1956年)一汽感应淬火先进技术:
  (1)一台中频发电机同时供电给生产线不同位置的多个淬火台同时交替工作,如图3所示。
 
图3 一台中频发电机供给4台淬火机交替工作
  (2)曲轴颈半自动淬火机并采用自回火工艺,节省了回火工艺、电能与装备。
  (3)销子类零件在带夹具的感应器上进行大量生产(见图4),只配置淬火台,不需淬火机床,能大量生产。
 
图4 带夹具的销子淬火感应器
  (4)单个感应器同时加热7个制动蹄片平面,如图5所示。
图5 一次加热7个制动蹄片的中频感应器
  而一拖的感应淬火装置则有:
  (1)全自动的履带板销淬火机床,只需往料斗放入成捆的履带销后,工件会自动进行扫描淬火,100kW中频电源生产φ22mm×430mm销子180件/时。
  (2)双工位气缸套淬火机床交替工作每小时生产φ125mm×292mm内孔淬火件90个,工频缸套回火机三工位同时加热,180°倒转装卸料,生产率达180件/时。这一20世纪50年代的缸套感应淬火、回火装置及内孔淬火感应器的设计,比21世纪初欧洲某感应加热公司的同类产品还要先进。
  (3)高频感应器快换夹头更具有导电板损耗小、调整方便等优点,至今仍在应用。
  (4)销子进给采用磁性滚轮防止工件滑移,也具有独创性。
  一汽的带夹具感应器用于大量生产的经验未能普及的原因是一汽采用375V中频供电,感应器单匝时阻抗小,现在的中频电源采用750V电压,如果改用三匝的感应器就能推广应用。三匝串联感应器如图6所示。
图6 三匝串联感应器
  2.自力更生发展阶段
  1960年后,前苏联停止援助,当时二汽的建设完全是自力更生,30多套感应加热装置是由国内设计院、一汽高频室、湘潭电机厂等共同完成,鄂城通用机械厂承担了大部分淬火装置的制造,国内天津广播器材厂、北京广播器材厂能提供真空管式高频电源,湘潭电机厂与锦州电机厂提供中频机式发电机,上海机械厂等自己设计液压式通用淬火机,天津第九机床厂、广州越秀汽配三厂、无锡电炉厂等相继开发了我国自行设计的淬火机床产品,一机部第六设计院曾汇总成淬火机床图册,达30多种产品。此阶段上海变压器厂及湘潭电机厂研发了中频淬火变压器产品,上海电缆厂研发了铝芯中频同轴电力电缆,供应二汽应用。
  3.技术引进阶段
  改革开放后,国人走出国门考察欧美相关技术,进口了德国、美国、日本、意大利、英国、比利时、法国等的感应加热装备,电源以可控硅及晶体管电源取代了机式中频发电机,淬火机床则如曲轴颈淬火改用旋转加热技术,轴类淬火推广了台阶淬硬层连续的一次淬火法(一汽、东汽等均已应用),如图7所示。
图7 一次加热淬火使阶梯轴淬硬层得到连续
  各种半自动淬火装置具有各国风格,其特点是高效、可靠、先进、多功能与美观,为行业研发产品提供借鉴。
  但此阶段大量进口装备的缺点是重复进口多,硬件多,生产单位进口多,制造厂进口少,外商知道其产品销售到中国哪几个厂,而国人反而不清楚,多次重复进口。
  重庆一个厂20世纪60年代从德国进口了一套曲轴颈淬火装置,90年代再一次进口这种装置,如果是进口技术图样我们就有自制能力。另外,国内感应加热制造厂极少具有进口国外样机的财力,导致借鉴新技术失分困难。
  4.自主创新阶段
  2000年后,我国感应加热技术进入自主创新阶段,大量感应加热电源厂、成套设备厂、配件厂、附件厂如雨后春笋拔地而起,通过行业竞争,产品质量高、信誉好的企业立住了脚跟,反之逐步被淘汰。
  现在我国感应加热工艺与装备如电源、机床、钢轨淬火线等不但销往东南亚国家,也有销往工业发达的欧洲,某些产品的能耗指标(kW·h/t)已经达到较先进的水平,而淬火机床的计算机控制、故障诊断、机器人应用等均达到较先进的水平。配件淬火变压器,,国内己有许多新产品,淬火感应器的制造水平不断提高,有些感应器的使用寿命已达到先进水平,而有些科技公司,己经研制出3D打印的铜质有效圈。
差距与期望
   (1)理论研发不足
  感应加热是快速加热,相变区域的加热速度已从过去的几十度/秒上升到几百度/秒,奥氏体在这种高速加热状态下,转变的结构有何变化?由于加热到相变完成的时间低至2s以内,淬火机床为加热均匀,是否应提高转速,高校、研究所是否应进行感应高速加热理论方面的研究?包括电磁场等。
  (2)感应加热装置用的器件、配件供应需得到质量保证
  主机厂产品质量除主机厂本身设计制造部分靠本厂控制外,外购的器件、配套件是影响整套装置质量的重要因素。德国有个AEG-ELOTHERM公司(现SMSELOTHERM公司),其产品质量除本公司控制主机外,并靠挑选国际上最好的配件来达到的。国内晶体管、淬火变压器等产品与国外同类优质产品比,仍有较大差距,感应器与某些机床的产品一致性还亟待改进,例如双工位淬火机上同类型两个感应器,加热相同工件,一个温度高、另一个温度低等,这就是产品一致性的问题。
   华为手机走向5G,我们国内一些老字号的感应加热装备企业更应在保证质量、可靠性的前提下,推出创新产品,面向世界。
  (3)加快国内感应加热计算机模拟的研发
  国内感应加热计算机模拟还处于起步阶段,要开发国产计算机模拟软件包,它将解放工艺人员繁重的现场调试工作,可以在计算机前调试工艺并得到淬火质量检验结果。
  (4)加强建立并贯彻感应加热技术标准
  目前感应加热工艺与装备的国标、机标等为数不多,而且不够先进与严谨,标较多。要产品质量好,首先要有标准可依,没有标准的产品,必然不能保证产品的质量。
   (5)技术交流
  加强感应加热专业图书与期刊出版,多参加国际专业会议与信息交流平台。感应加热图书:我最早读到的专业图书是20世纪50年代机械工业出版社出版的《高频电热》(见图8)。
图8 高频电热原著
  其后是前苏联、美国、英国、德国、法国、日本等专业书,以前苏联书籍最多,并有部分译本。理论与应用研究方面首推前苏联,美国感应加热手册的主编罗特耐夫(RUDNEV)也来自前苏联。
  美国1960年出版了《感应加热基础》,图文并茂,在国际上曾风靡一时,德国通用公司研究所在1960年出版了《感应加热实践》介绍德国感应加热技术,内容丰富,已有译稿,因版本较早,未获出版社二审通过,法国的《工业电磁感应与电传导》内容最全,几乎包括了所有感应加热工艺,此书已有英译本,感应加热手册则有美国的两种、英国及前苏联的一种等。
  2016年,德国又出版了英文版的《感应加热》新著,德国SMS-ELOTHERM公司工程师为主要作者。
  1983年,ASM国际及美国电力研究所出版了《感应加热原理、设计、控制及应用》,此书因内容较新,迄今已出6版,国内天津翻译出版社曾出译文版。
  2008年,德国出版了《感应加热与熔炼的历史》英文版,将国际上著名的感应加热技术创始人及其成果进行汇总叙述,并全面整理了有价值的453篇参考文献目录,对专业人员检索资料极有帮助。我衷心的希望该书再版时,将有中国的感应热处理创新项目列入其中。
  2001年,ASM国际出版了《实用感应热处理》,完全从热处理厂生产角度叙述感应热处理原理及使用工艺、检测、质量控制等方法。
  2014年ASM国际出版了《ASM手册》,其第4卷是《感应加热和热处理》(见图9),得此信息后我立即向出版社提了建议,后来机械工业出版社购买了版权,热处理学会组织译为中文,即将出版。
图9 ASM手册4C卷
  国外期刊:除美国《工业加热》期刊外,还有俄罗斯高频电流科学研究院主办的《感应加热》期刊(见图10),该期刊发表以俄国作者为主的感应加热文章,其中也有我国作者的论文多篇。
  国际性感应加热会议:国际上感应加热会议较多,以意大利PADUA大学电工系主办的会议最经常,基本上每两年召开一次,我国近二十年来派专人与会的有:1997年9月美国召开的国际感应热处理研讨会朱会文、邹志良等参加;2009年在俄罗斯举办的国际性感应热处理加热会议林信智、李韵豪等参加,均带回厚厚的论文集,文章内容已在国内期刊做过报道,高校如东北大学、上海大学等教授参加了一些会议,但未能联系上。
  国内感应热处理学会及活动:1964年吉林省机械工程学会筹建“感应加热技术委员会”并召开了第一次全国感应加热学术会议(见图10)。
图10 1964年首次全国高频加热学术会议代表合影
  感应加热技术委员会并出版了《感应热处理》译文集,此后召开过第二、三、四次学术会议,后来热处理学会下设立了“感应热处理委员会”,曾在无锡、天津、杭州、洛阳、上海等地举办了感应热处理学术会议,2006年后学术会议曾中断一段时间,近年来国内各部门举办的感应热处理学术会议又活跃起来,通过学术交流、合作,对推动行业技术进步有很大的促进作用。除此以外,多种感应热处理培训班、专业的微信群交流等,对一线的感应热处理工作者,有很大的帮助,这比20世纪70年代初开展的各学会技木协作更方便,范围更大。
  我国有大量的一线感应热处理工作者,现场积累了丰富的试验数据,多年前,东汽发动机厂李春彦同仁就用生产结果绘制了“功率密度与加热时间曲线”在一定设备上可以应用。反观许多专业书介绍的频率、功率密度、时间选取曲线,真正实用的不多。一线同仁可以利用工作积累数据,创建实用的功率、时间与加热深度的曲线图表。
  结语
  最后,希望我们用“华为与苹果比高低”的精神,使我国热处理技术更上一层楼,20年后,不是我们向国外找差距,而是国外热处理行业向中国找差距!
来源:《金属加工(热加工)》杂志
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