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近25年来感应加热工业的发展
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:430

 25年来,感应加热的工业应用日益广泛,除感应熔炼、感应焊接和一些场合的特殊应用外,着重有感应热处理和透热(包括半固态成形中料坯加热),感应热处理中主要有淬火、、去应力处理、退火、、球化和烧结等,最新报道还应包括液体介质感应渗碳的化学热处理(美国专刊)。这儿主要论述感应加热淬火处理,和淬火设备方面的国外先进水平。


  我国在工业上应用感应加热,起步于上世纪五十年代,50年代末,我国自制电子管式高频电源和机械式中频发电机。60年代后研制出了晶闸管中频电源scr可控硅),目前国外在中频15010khz范围内scr中频电源已完全取代中频发电机组和。自改革开放以来,工业发达国家的现代感应加热技术引进,使我国感应热处理技术获得很大发展。

  关于感应加热电源:目前西班牙gh集团的igbt(绝缘栅双极晶体管)发生器最大输出功率为500kw,工作频率为550khz。日本高周波热炼株式会社生产的igbt发生器,100600 kw的功率有125khz50khz两档;800kw1000kw1200kw功率的仅有(125khz一档。国内生产厂的产品低于这一水平。efd公司更具强的实力,作为世界上最大的感应加热设备供应商之一,已将igbt应低于150khz的限制冲破,首次将频率提高到350khz,该公司现已在上海建厂。

  对100khz以上高频段,以模快化、大容量化的mosfet功率器件(mos场效应晶体管)为主。西班牙gh集团的产品输出功率2550kw10个规格,输出频率分50100khz100200khz200300khz。高频电源另一个功率器件为sit(静电感应晶体管),主要以日本产品为主,上世纪80年代末已达功率100kw,频率200khz400kw功率400 khz频率的水平,国内水平低于该值相当多。解决刀片、锯条等特殊工艺要求的超高频电源27.12mhz,主要依赖进口,国内的电子管超高频电源功率为8100kw

  关于感应淬火设备:通用感应淬火机床,适应工件品种繁多,功能完善,应用范围广,一般有立式和卧式两种,以立式更为常见。

  淬火设备的传动型式有液压和全机械式,不过液压式有淘汰趋势,后者采用变频调速电动机、步进电机或伺服电机通过传动、t型丝杠或直线移动导轨等,移动速度均匀、精确,易实现变速移动。现在重复定位精度可达0.030.025㎜,主轴定位达到±0.01°。控制采用plcng控制方式(数控)。另外按运动件名称分工件移动和感应器移动两种方式,国内常是工件移动方式,而国外机床除工件长度较短外基本全是变压器移动的,这应成为国内通用淬火机床的发展方向。专用淬火机床应根据具体淬火工件而改变,我们可按投资企业决定热处理零件具体给予阐述和帮助选择。进口设备先进、可靠、稳定,耐久安全和美观,但价格相当昂贵。

  国外设备重要的是解决了高效、自动化、重现性好的工艺要求,正在向成套、紧凑、在线、数控、柔性、自动发展。设备还逐步解决下述几方面的问题:能量控制器,用于监控工件加热温度,重现性达到±1%。按toggo公司发展的感应器监控仪(coil monitor),直接测量感应器上的输入能量kw-s,取代原来监控设备振荡部件的能量的方法。又如进口的曲轴淬火机床上安置有脉动加热或能量分配器,在曲轴淬连杆颈时,在其上与下死点处理时分配给予不同能量来达到温度均匀目的。附带测量及显示仪表增加智能控制:如对滚珠丝杆感应淬火时能自动测量丝杆伸长量,如伸长量超差能自动降低加热功率以减少伸长量,并打印记录有关数据;如对曲轴淬火机上装上曲轴弯曲变形计控制淬火变形;指计式流量计直接显示淬火液流量来控制淬冷速度,还可用水的电导值监控软水的质量。装有抽风装置,改善工作环境和减小测量温度的误差。多轴化装置,如welductoin公司推出2轴、4轴淬火机,可同时处理多根0.508m(20 in)长以内,重9.08㎏以下的工件,提高生产效率。随机回火处理。在一台淬火机上淬火,随后用较低功率进行回火处理,两种工序在一台淬火机上完成,也节约了装卸和运输,提高生产效率,及时完成淬火回火,也保证质量。一机多工位或一个电源带多台机床的淬火设备出现。加工零件族的淬火机和柔性淬火机床出现,能自动编多种淬火工件的程序,自动识别工件,转换工件只需25min,按储存工艺选定参数进行生产,提高工效。

  关于感应器设计与制造:国外淬火设备提供时负责提供感应器,这种专用感应器采用计算机模拟技术确定有效圈的主要结构。对导磁体,据测试可节能1337%,不仅可用于内孔、平面加热,也可用于外圈工件加热。美国fluxtrol inc.有可加工导磁体的感应器,称强力感应器(power inductor)。另外感应器的调换因为采用快换夹头,使切换夹头和水电接通可在(315)s内一次完成,这在国内已有生产。

  关于感应热处理工艺的最新进展( 《机械工人(热加工)》 ) :齿轮的同时双频感应加热技术(sdf):对齿轮的感应加热淬火,人们一直在追求轮廓状淬硬层,旨在求得齿侧面的高耐磨性和齿根部位承受残余压应力下的高疲劳抗力。虽然人们已了解了双频齿轮淬火工艺,(很多地方还作为先进工艺在介绍),通过转换两组线圈获得两种频率的电压,选用中频310khz加热齿根,再用高频100250khz,之间要快速切换,待齿面达到淬火温度时,切断高频电源,降低齿轮旋转速度,淬火水套中喷射淬火水,使齿面、齿顶和齿根迅速冷却,获得沿齿形的淬火层,国外也有这种工艺的机床供给,但工艺复杂,控制须严格执行。

  近年来,美国electroheat technologies llc公司和德国eldec schwerk induction gmbh等提出用双频同时感应加热淬火才真正为齿轮的轮廓淬火付诸现实,并首次提出这种感应加热方法能进行加速的奥氏体化来实现,从而具有激光淬火的优点。在日本也有这种装置发售。

  sdf技术是在一个感应圈上同时供给中频mf和高频hf能量,组成的两种频率的振幅能独自控制,即能同时能调整mfhf的输出份额比,以优选于齿根和齿顶部位的表面淬硬来符合工件技术要求。为了达到齿轮的真正轮廓淬硬,且不影响心部的组织和性能,加热时间应小于0.5s,同时对齿根和齿侧面处理的功率比约为21。有报道对ф70㎜汽车齿轮,功率要求约为400kw mf200 kwhf,加热时间0.5s,这样其最大产量可达3600只/h。显然,在达到一定表面淬硬深度下,越短,越有利于减小变形。应用sdf技术的另一个优点还在于能增加处理部件的表面残余压应力,对提高疲劳强度有利。

液体介质感应渗碳lincarb是一种简单、花费不高和无公害的工艺方法。被处理工件和加热感应器一起浸于含碳液体活性介质中,工件表面受感应高频电流加热,迅速加热工件表面至材料熔点以下的某一温度,这时液体活性介质在工件表面直接分解产生大量原子态高活性碳,被工件表面吸收并扩散至工件的一定深度位置,完成渗碳过程,它还适用于除钢件外的ti合金和一些超合金。在一定处理条件下,可使钢件表面层含碳量达2%~6.67%的高耐磨莱氏体层。所以,这是一种能在秒和分的时间内完成化学热处理全过程的高效率方法,获得表面渗层组织和性能比常规化学热处理有拓展。nextpage 2.3.4 激光热处理方面激光热处理是以高能量密度的激光束来照射工件表面,使工件上需要硬化的部位的温度急剧上升形成奥氏体,随后依靠工件的自激淬冷获得极细小的马氏体显微组织的热处理工艺方法。激光热处理分激光相变硬化、激光熔融、激光表面合金化、激光表面熔覆和激光冲击硬化等,这儿主要介绍激光相变硬化。

  激光相变硬化的主要特点:极快的加热和冷却速度,工件表面的加热速度可达(104106/s,冷却速度可达(106108/s,所以激光热处理是一种快速加热和冷却的相变硬化方法,保证能获得十分细密的组织;局部热处理方法,实现自缴淬冷,不需要冷却介质,处理的热影响区小,一般工件处理后变形较小;工件经处理后硬度比常规淬火的高,耐磨性好,尤其对铸铁如工件表面发生熔融,可以获得极细密的莱氏体组织,耐磨性可提高34倍;处理表面具有很高的残余压应力,改善零件的抗疲劳强度;处理过程易于自动化和计算机控制;可以在大气中处理,工艺操作简单。工业上常用的激光源是co2连续气体激光器,激光波长为10.6um,现在这种激光器在国内已有生产。激光束模式为多模。进行激光相变硬化的主要工艺参数是激光输出功率p,激光束斑直径d和激光的扫描速度v。其它激光源还有准分子激光器和固体激光器,它们一般以脉冲形式工作,工艺参数中要增加脉宽和频率。

  激光束斑按不同激光器有圆形、矩形和线形三种,激光束沿工件以一定方式扫描,有搭接、衔接和间隔三种。一般处理金属对激光的反射率很高,为了增加处理金属对激光束能量的吸收,材料一般都要进行表面黑化。黑化方法可以是磷化或应用含石墨粉料的黑色涂料和某些氧化物(如sio2)的涂料涂刷。

  45钢经后淬火层组织为细小马氏体的组织,过度区为马氏体+屈氏体组织,表面硬度达650800hv。高碳钢激光淬火后硬化层为细针状马氏体+残余奥氏体;次表层为马氏体+残余碳化物+屈氏体组织,表面硬化层达(8501150hvgcr15钢硬化层为隐晶马氏体+残余合金碳化物+残余奥氏体组织,过度区为马氏体+回火屈氏体+合金碳化物组织,表面硬度达9001050hv。铸铁经激光热处理后,硬化层为马氏体+残余奥氏体+残留石墨(片状或球状,按原灰口铸铁或球墨铸铁而不同),硬化层为(700900hv,若表面发生熔融情况,则表面会获得莱氏体组织,在石墨周围的熔化区出现双壳层组织:毗邻石墨是片状马氏体+残余奥氏体,次外层是莱氏体共晶。

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