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1．感應淬火的金屬學問題

（1）快速加熱臨界點升高

感應加熱的升溫速度從每秒幾十度到幾百度，脈沖淬火更達到每秒數千度（2000～3000℃/s），由于加熱速度快，持續時間短，因此淬火溫度比一般鹽浴淬火溫度要高，才能使組織轉變為奧氏體并均勻化，表1為T10鋼與GCr15鋼快速加熱時Ac₁點隨加熱速度的加快而升高的有關數據。 

表1 感應加熱速度與臨界點Ac₁的關系

從實踐中我們了解到，感應加熱的淬火溫度比常規淬火提高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

感應加熱的比功率遠比爐內加熱大，因此加熱速度快，從而促使珠光體向奧氏體轉變開始和完成的溫度升高所需的時間短。

鋼的原始組織對快速加熱時奧氏體的形核、長大及均勻化過程都有很大影響，因而也顯著影響感應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鋼臨界點與加熱速度的關系^[1]。片狀珠光體較球狀珠光體易于完成加熱時的組織轉變過程，因此同一鋼號不同原始組織感應淬火溫度t_淬必然是：t_淬（退火態）＞t_淬（正火態）＞t_淬[調質（退火+高溫回火）]。圖中α_o的物理意義：對珠光體，它表示相鄰兩個滲碳體間距離的一半；對自由鐵素體，它表示位錯網節點距離的一半。

圖  1

快速加熱時，Ac₃點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的晶粒或超細晶粒

在加熱速度較低的范圍內，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，奧氏體起始晶粒幾乎不再隨加熱速度的增加而減小。實踐證明，在感應加熱的實際條件下，加熱速度極高，所得的起始晶粒極為細小，并且與加熱速度無關。但是，已形成的奧氏體晶粒的長大卻與加熱速度有關。當繼續加熱到某一溫度時，加熱速度越小，所形成的實際奧氏體晶粒越大，如圖3所示^[2]，所以只要加熱溫度與加熱時間控制得當，感應加熱是不會產生過熱的。

圖  3

2．高速鋼快速加熱各種現象

（1）高速鋼刀片快速加熱

早在1923～1924年間，前蘇聯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度的淬硬層比較厚才行，同時也擔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化生產，但足以說明，高速鋼刀具是可以感應加熱淬火的。

（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加熱^[4]，即冷料不經預熱，直接入1150～1200℃區。投入生產多年，鍛造質量穩定。

（4）高速鋼刀具淬火參量公式的運用

在高速鋼工具熱處理時存在一個淬火參量公式

即P＝t（37+lgτ）^[5]

式中  P——淬火參量；

t——淬火加熱溫度；

τ——淬火加熱時間。

公式中的P代表了淬火加熱溫度和加熱時間的綜合作用。在淬火過程，無論淬火加熱溫度和加熱時間怎樣變化，只要兩者作用的結果即淬火參量相同，那么奧氏體化的程度就應該是相當的。意思是說高溫短時間（快速加熱）和低溫長時間，只要P相同，刀具淬火的質量就是一樣的。

（5）高速鋼刀具爐內快速加熱和半快速加熱

20世紀50年代末，在蘇聯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能新技術，取得了不少成功經驗，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]。報道說將W18Cr4V鋼的淬火加熱溫度由常規的1270～1280℃提高到1300～1310℃，加熱系數由原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高速鋼刀具表面改性

近幾年不斷有報道激光等對高速鋼表面改性的文章^[7]，指出高速鋼完全可以實施快速加熱。該技術方法是將高能量密度的等離子體高速作用在M42鋼表面，使材料表面出現局部的快速升溫和快速冷卻，升溫和冷卻的速度可達到10⁴～10⁸K°/s，因此可在工件表面形成晶結構改性層，達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，人們對其熱處理工藝創新改革從來未停止過。前蘇聯曾有人狂言，對鋼來說能夠以任何速度加熱。限于當時的條件，只局限在鹽浴爐和高頻加熱，并且淬火件都是不能再簡單的棒或片，不具備普遍性。高速鋼鍛造坯料的快速加熱應用比較成功，大部分人認為：經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]。當激光、電子束等新技術新工藝的出現，屢見有高速鋼快速加熱表面改性成果的報道，表明高速鋼快速加熱已進入實質性的應用階段。

3．感應加熱淬火在高速鋼機械刀片中的應用

高速鋼的淬透性很好，在空氣中也能淬上火，因此叫“風鋼”，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”。高速鋼感應加熱淬火屬自冷式淬火，節能環保，生產效率高。

不管什么鋼淬火必備兩個基本條件：第一是必須奧氏化，第二是立即快冷，冷卻速度應大于鋼的臨界冷卻速度（v_臨）。感應加熱的特點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下才能實現。感應加熱是高能密度加熱方法之一。由于功率密度極大，加熱時間極短，因此也稱脈沖加熱。

感應加熱的溫度可用紅外線光電高溫計或光學高溫計測量，也可以用目測（根據加熱工件的顏色），判斷淬火加熱溫度。

感應加熱時渦流在工件上產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，第一種是從加熱表面向空氣中散發稱之為輻射熱；第二種是從工件加熱層向心部傳導的，稱之為傳導熱。這兩種熱損耗，特別是向內熱傳導的作用，加深了理論上的加熱層深度，可以用d_深＝0.2 （mm），式中t為加熱時間（s）。隨著功率密度的降低與加熱時間的延長，損耗增加。如果工件比較薄，熱傳導很快就會從表面傳到心部，整個截面都熱透了，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，客戶反映很耐用，比原保護氣氛整體淬件壽命提高一倍以上，增強了我們擴大生產的信心和勇氣。為適應市場需求，對厚刀片需求量增大，2015年我們又引進了超音頻技術，現已投入批量生產。淬火機床也是自制的，現在能淬厚度12mm的機械刀片。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×）

作者簡介：趙步青，高級工程師，現任安徽嘉龍鋒鋼刀具公司技術顧問，中國特鋼學會高速鋼學術委員會委員，主要從事工模具鋼熱處理技術工作

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