熱處理領域最近的一項傑出發展是應用了 感應加熱 到局部表面硬化。高頻電流的應用所帶來的進步是驚人的。不久之前,這種淬火方法還只是曲軸軸承表面的淬火方法(目前已有數百萬個曲軸軸承在使用中,創下了長期使用記錄),如今,這種選擇性極高的表面淬火方法已在多種零件上產生了淬火區域。然而,儘管現今感應淬火的應用範圍廣泛,但仍處於起步階段。它在金屬熱處理與硬化、鍛造或銅銲加熱,或同類與異類金屬銲接等方面的可能應用仍無法預測。
感應硬化 可生產出具備所需深度與硬度的局部硬化鋼件,以及鋼芯、分界區與硬化外殼的基本金屬結構,且實際上不會產生變形與結垢。它允許設備設計,使整個作業機械化,以滿足生產線的要求。透過自動調節電力和瞬間的加熱與淬火間隔,可維持僅幾秒鐘的時間週期,這對於創造精密特殊固定的仿真結果是不可或缺的。感應淬火設備允許使用者僅對大多數鋼件的必要部分進行表面淬火,從而保持原有的延展性和強度;淬火無法以任何其他方式處理的複雜設計物品;消除通常昂貴的預處理(如鍍銅和滲碳),以及昂貴的後續校直和清洗操作;通過廣泛的鋼種選擇來降低材料成本;以及淬火完全加工的物品而無需任何精加工操作。
對一般觀察者而言,感應硬化似乎是由於在銅的感應區域內發生了某些能量轉換。銅帶有高頻率的電流,在幾秒鐘的間隔內,置於通電區域內的鋼材表面會加熱至臨界範圍,並淬火至最佳硬度。對於這種淬火方法的設備製造商而言,這代表著將磁滯、渦電流及集膚效應等現象應用到局部表面硬化的有效製造上。
加熱是透過使用高頻電流來完成。具體選擇的頻率為 2,000 至 10,000 循環,目前廣泛使用的頻率為 100,000 循環以上。這種性質的電流流經電感時,會在電感區域內產生高頻磁場。當磁性材料(例如鋼材)置於此磁場中時,鋼材中的能量會耗散並產生熱能。鋼材內的分子嘗試與磁場的極性對齊,而這種變化每秒數千次,由於鋼材具有抵抗變化的自然趨勢,因此會產生大量的內部分子摩擦。如此一來,電能透過摩擦媒介轉換為熱能。
然而,由於高頻電流的另一個固有特性是集中在導體表面,因此只有表層會被加熱。這種趨勢稱為 「表皮效應」,是頻率的函數,在其他條件相同的情況下,較高的頻率對較淺的深度有效。產生熱量的摩擦作用稱為磁滯,顯然取決於鋼材的磁性。因此,當溫度超過鋼材變成非磁性的臨界點時,所有的磁滯加熱就會停止。
由於磁場中快速變化的磁通量,鋼材中會產生渦流,這也是額外的熱源。由於鋼材的電阻會隨著溫度增加,這種作用的強度會隨著鋼材的加熱而降低,當達到適當的淬火溫度時,其強度僅為「冷」時原始值的一小部分。
當感應加熱的鋼棒溫度達到臨界點時,由於渦流的影響,加熱速度會大幅降低。由於整個動作都在表層進行,因此只有該部分受到影響。當表面區域達到完全碳化物溶解時,表面硬化會藉由淬火完成,因此可維持原本的核心特性。持續通電會造成硬度深度增加,因為每一層鋼的溫度升高時,電流密度會轉移到下方電阻較低的一層。很明顯的,選擇適當的頻率、控制電力和加熱時間,就能達到任何所需的表面硬化規格。
金屬冶金 感應加熱
鋼材在電感加熱時的異常行為以及所獲得的結果,值得我們討論其中所涉及的冶金學。小於一秒的碳化物溶解速率、比熔爐處理產生更高的硬度,以及結晶型馬田鐵都是值得考慮的重點。
將感應硬化的冶金學歸類為 「不同」。此外,由於加熱週期短,因此不會發生表面脫碳及晶粒生長現象。
感應加熱 其硬度可維持在 80% 的深度,然後經過過渡區逐漸降低至未受影響的核心部位鋼材的原始硬度。因此,這種結合是理想的,消除了任何剝落或檢查的機會。
總加熱時間為 0.6 秒,即可達到完全碳化物溶解和均勻性(以最高硬度為證)。在這段時間中,只有 0.2 到 0.3 秒實際上是在下臨界值以上。值得注意的是,感應淬火設備每天都會在生產上使用完全的碳化物溶液,這是由加熱與淬火循環所產生的,其總時間少於 0.2 秒。
由於大多數合金馬氏體呈現結節狀,因此感應硬化所產生的細小結節且更均勻的馬氏體,在碳鋼上比在合金鋼上更容易看見。此細緻結構必須起源於沃斯田鐵,沃斯田鐵是碳化物擴散比熱加熱時更徹底的結果。在α鐵及碳化鐵的整個微觀結構中,臨界溫度的瞬間發展特別有利於碳化物的快速溶解及成分的分佈,其必然的產物是完全均勻的奧氏體。此外,此結構轉化成馬氏體後,會產生具有類似特性的馬氏體,並具有相對應的抗磨損或穿透性。