感應熱處理的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展——感應熱處理技術路線圖

朱會文 高級工程師

沈慶通 教授級高級工程師

一、歷史回顧

1.感應加熱的發(fā)展歷史

1831年，法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)了電磁感應加熱現(xiàn)象。1868年，福考特提出了渦流理論。1890年，瑞典技術人員發(fā)明了第一臺感應熔煉爐：開槽式有芯爐。1916年，美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，用于熔煉金屬。1930年，前蘇聯(lián)研制成高頻感應爐。1935年，前蘇聯(lián)對曲軸的軸頸進行感應淬火；與此同時，美國俄亥俄州曲軸工廠為提高曲軸軸頸的耐磨性，研制了曲軸淬火機床。國際上以前蘇聯(lián)和美國為代表的工業(yè)化國家將感應加熱技術成功地應用于機械工業(yè)的熱處理領域。

其后，感應淬火被廣泛地應用于汽車、鐵路、機床、軸承制造等各個行業(yè)。1957年，美國研制出作為電力電子器件里程碑的晶閘管，標志著現(xiàn)代電力電子技術的開始，也引發(fā)了感應加熱技術的革命；1964年，用于逆變器的晶閘管問世；1966年，瑞士和西德首先利用晶閘管研制感應加熱裝置，從此感應加熱技術開始飛速發(fā)展；1969年，第一臺540Hz全固態(tài)電源建成；1972年，第一臺50kHz全固態(tài)電源建成；1973年，LED診斷控制屏用于故障顯示；1974年，電源設備的冷卻系統(tǒng)改進，可見的排出水被流量計及壓力表所取代，第一臺壓力閉路循環(huán)冷卻系統(tǒng)使用于整個感應加熱系統(tǒng)的冷卻；1978年，第一臺效率為97%全固態(tài)電源問世；1980年，工業(yè)發(fā)達國家基本淘汰了機式發(fā)電機及倍頻器；20世紀80年代后，電力電子器件再次快速發(fā)展，MOSFET、IGBT等器件相繼出現(xiàn)。感應加熱裝置也逐漸摒棄晶閘管，開始采用這些新器件?，F(xiàn)在比較常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于較大功率場合，而MOSFET用于較高頻率場合。

感應熱處理具有節(jié)能、快速和清潔等優(yōu)點，符合可靠（Sure）、安全（Safe）、節(jié)約（Saving）的3S標準，也符合低溫（Cool）、干凈（Clean）、安靜（Calm）的3C標準，對同一種規(guī)格大批量零件進行感應淬火，便于實行機械化、自動化操作和在線生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，因此，感應熱處理在機械制造業(yè)中得到了廣泛應用。

隨著感應熱處理應用范圍的擴大，火焰表面淬火基本被感應淬火取代，一些零件的氣體滲碳與碳氮共滲工藝被感應熱處理取代，近年來感應熱處理又被應用于零件的調(diào)質(zhì)處理。對感應淬火零件性能的要求，從單純提高耐磨性發(fā)展為提高淬火零件的抗彎、抗扭及疲勞強度。

以美國為例，20世紀70年代感應熱處理零件量占整個熱處理零件量的15%，到20世紀末，感應熱處理零件量占整個熱處理零件量上升到35%。

2.我國感應熱處理技術發(fā)展的四個階段

改革開放前：全面引進前蘇聯(lián)技術階段；自力更生階段。

改革開放后：快速發(fā)展階段；當前自主創(chuàng)新階段。

（1）全面引進前蘇聯(lián)技術階段 建國初期，前蘇聯(lián)援建我國的156個重大項目，涉及當時中國整個工業(yè)體系的各個方面，參加援建的工程技術人員達1.8萬人。幫助了我國開始走上工業(yè)化的道路。援華項目的企業(yè)設計資料中包括了工藝、設備等系統(tǒng)的相關技術。我國感應熱處理技術就是從20世紀50年代在洛陽拖拉機廠、長春第一汽車制造廠、沈陽第二機床廠（中捷友誼廠）為代表的企業(yè)打下基礎開始起步的。

學術著作方面：全面研究及參考了В .П .В О Л О Г Д Е Н 、 М .Г .Л О З .И Н С К И Й 、 И .Н .К И Д И Н 、К.З.ШЕПЕЛЯКОВСКИЙ等著作的關于電磁感應、高能密度下相變、顯微組織變化、殘余應力等學術理論。此外，前蘇聯(lián)高頻電流科學研究所等科研人員編制了《鋼鐵感應加熱》、《感應熱透在工業(yè)中的應用》、《感應加熱釬焊》、《高頻淬火》、《淬火感應器》、《淬火機床與感應加熱器》、《淬火機床》、《表面淬火質(zhì)量檢驗》、《高頻電場中的加熱》、《高頻加熱淬火制件的組織與性能》、《高頻加熱的物理基礎》、《高頻加熱用變壓器》、《高頻加熱用發(fā)電機》、《高頻加熱用儀表和測量方法》、《鋼的感應加熱熱處理特點》等高頻叢書，對企業(yè)工程技術人員提高專業(yè)知識起到了重要作用。

1956年4月，第一機械工業(yè)部（簡稱一機部）在上海綜合工業(yè)研究所舉辦了高頻訓練班，請前蘇聯(lián)高頻專家達許凱維奇（八A山K H B H H H.日.）作了兩個月的培訓講課，完整地講授了感應加熱原理、工藝與設備知識?！案哳l訓練班”共培訓了40多名工廠專業(yè)高頻技術人員。

感應熱處理工藝方面：載重汽車、履帶拖拉機、車鉆床上大量感應淬火件是從那時開始采用前蘇聯(lián)對口工廠工藝的，先進的自回火工藝也是從那時開始應用于曲軸、凸輪軸等零件上。

感應加熱電源與部件方面：1958年我國開始生產(chǎn)高、中頻電源（天津廣播器材廠、北京廣播器材廠生產(chǎn)高頻電源，湘潭電機廠、錦州新生電爐廠生產(chǎn)中頻發(fā)電機）以及電熱電容器（西安電容器廠），其后又生產(chǎn)中頻變壓器，供應國內(nèi)新工廠使用，其技術來自前蘇聯(lián)。

（2）自力更生階段 1960年后，我國工業(yè)建設進入自力更生階段。

階段的發(fā)展：以二汽建廠為例，其工廠設計、裝備設計、制造（30多套感應熱處理成套設備）全部由國內(nèi)設計院、一汽高頻室、湘潭電機廠與鄂城通用機械廠完成。

感應淬火工藝：機床制造業(yè)、汽車、拖拉機制造業(yè)等均自行設計感應淬火件的工藝，并且在低淬透性鋼齒輪淬火等研究與應用上取得進展。當時上海機械廠（后稱上海熱處理廠）在感應淬火工藝應用上如齒輪、絲杠調(diào)質(zhì)、感應器涂搪瓷等均有許多新創(chuàng)造，在推廣用中碳鋼感應淬火代替調(diào)質(zhì)與滲碳工藝方面，以汽車熱處理件為例，感應熱處理件的數(shù)量與千克重不斷增加，一汽開始生產(chǎn)時（1957年）解放車只有31種，148.5kg感應淬火件，到80年代，CA141汽車的感應淬火件已擴大到52種，重245kg，數(shù)量為原來的167%，重量為原來的l65%。東風牌汽車上感應熱處理零件則已占全部熱處理零件重量的62%以上。鐵道部金化所開展了鋼軌端頭感應淬火工藝，戚墅堰機車工藝研究所則開展機車齒輪感應淬火工藝等研究。

裝備設計與制造：國內(nèi)各廠與設計院自行設計了數(shù)十種通用及專用淬火機床供本單位及援外使用，經(jīng)一機部第六設計院匯編列入圖冊的有38種。在高頻電源技術改造上將整體機改為分體機，閘流管改為可控硅調(diào)壓硅堆整流，采用新型高效振蕩管（如FD911s代Fu-23s）、新型平板陶瓷電容器等，提高了整機效率；設計和生產(chǎn)了陽壓自動跟蹤裝置，使空載陽壓穩(wěn)定度提高。70年代開發(fā)了電子管式超音頻電源，使中模數(shù)齒輪及許多感應淬火件得到更合理的淬硬層。

全國感應加熱技術委員會成立：1964年11月由吉林省機械工程學會籌備在長春市吉林省賓館召開了全國第一屆感應加熱學術交流會。參會的有48個單位、61位代表，另有60人列席。交流會印發(fā)了論文及精印優(yōu)秀論文集。會議交流了國內(nèi)感應加熱設備調(diào)試、淬火工藝、感應器、淬火機床設計等經(jīng)驗。會上確定成立全國感應加熱技術委員會，其宗旨是促進國內(nèi)科技研究單位、大專院技與工廠間的技術交流與合作，翻譯國外感應加熱資料，定期出版高頻專題資料等，感應加熱委員會秘書處掛靠在一汽工藝所高頻室。此后，感應加熱委員會組織出版了《感應熱處理》（譯文集，上海市科學技術編譯館出版1965年）、《高頻電熱通訊》和《高頻熱處理論文集》等。會議還要求各委員分工撰寫感應熱處理專業(yè)書、編印感應器圖冊等。 第二屆全國感應加熱學術交流會直到19年后再次在長春舉辦。

（3）改革開放后的快速發(fā)展階段 改革開放后，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，帶動了感應熱處理技術交流活動的開展。

感應熱處理技術交流會的舉辦有力地推動了我國感應熱處理的技術進步，取得了很好的效果，我國感應熱處理工藝與裝備的發(fā)展也呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的態(tài)勢。①軸類零件采用矩形管縱向加熱淬火：使臺階軸過渡的淬硬層不中斷得到連續(xù)。既大大提高了軸的扭轉(zhuǎn)疲勞強度，又獲得節(jié)能與提高生產(chǎn)率雙豐收。一汽、東汽等均已將此工藝用于半軸生產(chǎn)。②曲軸頸旋轉(zhuǎn)淬火與圓角淬硬：旋轉(zhuǎn)淬火解決了軸頸油孔易淬裂及淬硬區(qū)不勻等問題，圓角淬硬則使曲軸頸疲勞強度提高一倍，此工藝已用于柴油機曲軸生產(chǎn)中。③成套鋼軌感應淬火設備國產(chǎn)化，并應用于鋼軌軌面全長感應淬火等大批量生產(chǎn)中，成套鋼軌感應淬火設備已出口國外。④感應淬火冷卻介質(zhì)從水、乳化液、聚乙稀醇水溶液發(fā)展到新型的聚合物淬火冷卻介質(zhì)，使感應淬火零件的廢品率降低了。⑤淘汰了效率低的機式中頻發(fā)電機，自主生產(chǎn)晶閘管器件與晶閘管中頻電源，并大量在生產(chǎn)中使用。⑥開發(fā)了感應加熱（透熱）軟件并用于生產(chǎn)。⑦感應加熱設備生產(chǎn)廠（電源、淬火機床、感應器、淬火變壓器、導磁體等配套件）與零件感應淬火加工廠大量涌現(xiàn)。天津、無錫、西安、洛陽、十堰、深圳、鄭州、成都、上海等許多城市成為感應加熱設備制造基地，而沿海的一些城市如上海。杭州、玉環(huán)等則又成為感應淬火零件的供應基地。這些廠與感應加熱設備、進口感應淬火零件進行競爭，由于質(zhì)量符合要求，價格合理，交貨周期短，服務方便等優(yōu)勢，贏得了市場。⑧此階段存在的問題是引進技術上存在重硬件、輕軟件；重主機、輕配件；重使用廠、輕制造廠等諸多弊端。據(jù)不完全統(tǒng)計，對外開放以來，我國已進口各種感應加熱電源與淬火機床達100套以上，分別來自德國、美國、英國、法國、日本、意大利、西班牙、比利時、俄羅斯，各有所長。如何取長補短、洋為中用，以提高我國感應加熱技術的水平，是當前我們面臨的一個課題。

（4）當前自主創(chuàng)新階段

感應加熱裝備制造業(yè)呈突飛猛進狀態(tài)：電源方面，IGBT晶體管超音頻電源，便攜式電源基本上能自給并有出口，全自動曲軸淬火成套裝置、臥式大型船用曲軸淬火機、無軟帶滾道淬火裝置與CVJ數(shù)控淬火機等這些制造難度大的設備均已能自主設計與生產(chǎn)。感應器：淬火變壓器專業(yè)制造廠數(shù)量不斷增加，有利于提高該類產(chǎn)品的技術與質(zhì)量。

感應淬火新工藝的應用不斷擴大：如軸類縱向感應加熱淬火在汽車、拖拉機行業(yè)擴大了應用范圍，回轉(zhuǎn)支承滾道無軟帶淬火、三柱滑套件淬火、雙頻齒輪淬火等先進的工藝已在國內(nèi)企業(yè)使用并正在不斷改進中。

熱處理應用范圍及部門擴大：感應淬火零件不再限于提高耐磨性為目標，而是提高工件的疲勞強度、抗扭強度與抗彎強度，鋼管焊縫感應退火則提高了鋼管的耐用性。感應熱處理的應用部門從機床制造、汽車、拖拉機、工程機械、機車擴大到石油機械、冶金制造等部門。

計算機模擬感應熱處理取代感淬火件現(xiàn)場工藝調(diào)整：已在部分工廠、研究所開展，它可以稱之為“工藝調(diào)試革命”，解決了工藝人員現(xiàn)場繁瑣費時的調(diào)整工作。

節(jié)能在感應淬火上受到重視與要求：感應淬火本身是節(jié)能工藝，由于不良的裝備、不良的工藝與沒有合理的單位能耗的考核（即以零件整體質(zhì)量為考核單位而不是以淬硬層厚度作考核），使節(jié)能工藝存在不合理的耗能漏洞，現(xiàn)在有了GB∕T10201—2008熱處理合理用電導則，即對感應加熱淬火制訂了新的電耗定額，見表1。以加熱層深和加熱表面積來計算，與工件整體質(zhì)量為基準截然不同，此導則的貫徹執(zhí)行，將連帶促進節(jié)能裝備的發(fā)展。

表1 感應加熱淬火電耗定額

新標準執(zhí)行過程中會不斷修訂與完善。由上海市發(fā)展改革委員會、上海市經(jīng)濟和信息化委員會、上海市質(zhì)量技術監(jiān)督局、上海市節(jié)能監(jiān)察中心共同提出，由上海市熱處理協(xié)會和上海市能源標準化技術委員會等組成的起草單位制訂上海市地方標準《鋼鐵感應熱處理工序單位產(chǎn)品能源消耗限額》。

制訂了感應熱處理工藝及裝備的國標與機標：已制訂的GB與JB相關標準，指導并規(guī)范了企業(yè)的感應加熱設備、淬火工藝與質(zhì)量，統(tǒng)一了相互間的技術要求。其中特別是淬硬層深度及感應淬火金相標準，全國基本上都己貫徹執(zhí)行了。

展覽會與學術交流活躍：國內(nèi)舉辦的國際性學術大會、熱處理展覽會、參加國外感應熱處理學術會、出國人員考察報告交流會等，均使國內(nèi)感應熱處理行業(yè)的制造技術、工藝水平與國際水平接近或一致。具體有ICMHT83、APH 09、美國金屬學會齒輪熱處理學術會議、各地舉辦的歷屆熱處理展覽會，北京機電研究所1983年、1986年舉辦過兩次熱處理出國人員座談會（印有發(fā)言稿）等。國際間定期舉辦的熱處理展覽會，是觀察新技術發(fā)展的平臺，應組織專業(yè)機構收集、整理這些資料，針對國內(nèi)專業(yè)提出科研項目與產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃。

行業(yè)期刊、譯著、專著、論文集等：國內(nèi)《金屬熱處理》等期刊，《高頻熱處理》等譯著，《金屬感應熱處理》等專著對國內(nèi)感應熱處理科技人員提高專業(yè)水平，起到橋梁與輔導作用，從當前情況看與發(fā)達國家新技術仍有10年差距。

科研院所與大學：國內(nèi)目前為止還沒有直接署名為研究感應熱處理工藝與裝備的院、所、大學，但大企業(yè)如一汽、東汽、一拖等單位其工藝所有高頻室，從事工藝及裝備設計與試驗，突出的優(yōu)點是理論聯(lián)系實際，研究與試驗用于生產(chǎn)的比率大。不足之處是無力承擔大課題。迄今為止，感應熱處理工藝與裝備方面沒有得到國家科技獎，獲得省部級科技獎的也不多。福建晉江江漢機電設備公司王志明經(jīng)理有志于開發(fā)同步雙頻電源，但多年來只有論文與宣傳圖片報道，未見該新裝置用于生產(chǎn)的信息，與研發(fā)技術力量不夠有關。

二、感應熱處理工藝、設備研發(fā)與工業(yè)發(fā)達國家的差距

1.基礎理論研究方面

（1）電磁場、熱場計算機模擬 法國Cedrat軟件公司等在電磁場、熱場的計算機模擬方面，開發(fā)了FLUX2D、FLUX3D等軟件，已在生產(chǎn)中有效應用，省時省力，國內(nèi)無此技術，目前上海有公司銷售這些軟件，但價格驚人。感應加熱件模擬電磁場如圖1所示。

圖1 半軸感應器優(yōu)化的電磁場及熱型

（2）高能密度下相變及自冷淬火后性能研究

這方面國外有較多報道，國內(nèi)曾有福建省機械研究所進行，現(xiàn)無繼續(xù)信息。

（3）感應熱處理手冊 美國、英國、法國和前蘇聯(lián)都有《感應熱處理手冊》，見圖2。我國雖然在《熱處理手冊》中包含了部分內(nèi)容，但沒有專門的《感應熱處理手冊》。

2.感應加熱電源設備與配套器件上的差距

圖2 國外部分感應加熱手冊

（1）同步雙頻電源（SDF） 當代先進的同步雙頻電源（SDF）國內(nèi)已有單位在進行研發(fā)，但沒有看到有關單位定型生產(chǎn)并投入感應淬火加工的報道。德國ELDEC公司、美國INDUCTO-HEAT公司、日本電氣興業(yè)公司均能生產(chǎn)。沒有此種電源，仿齒廓的淬硬層就不易實現(xiàn)，因此需要加快研制投產(chǎn)。以德國ELDEC的simultaneous dual frequency gear hardening （同步雙頻齒輪淬火）技術為例，該技術使用一個感應器，一套頻率分別為10～15kHz和200～400kHz的雙頻感應加熱電源，功率根據(jù)齒輪的尺寸和模數(shù)大小確定，采用同時加熱的方式，即在同一個感應器內(nèi)通有上述兩種頻率的交變電流，兩種低高頻率電流功率的比例為3:7左右，比功率一般在15～20kW/cm2，根據(jù)零件的尺寸和模數(shù)通過試驗確定，在極短的時間內(nèi)（0.2～1.5s）完成齒面和齒根的加熱過程，并立即噴水進行冷卻，完成淬火過程，得到有效硬化層仿形分布淬火的效果。汽車齒輪仿形雙頻感應淬火技術，加熱時間短，生產(chǎn)效率高，零件的淬火變形小，設備的占地面積少，生產(chǎn)環(huán)境清潔無污染，機械化、自動化程度高，可與其他加工設備共線生產(chǎn)。

（2）晶體管電源的啟動時間有差異 國內(nèi)產(chǎn)品晶體管電源的啟動時間較長，有的達0.5s，較短的能在0.1s以內(nèi)，保護裝置上也有差距，燒晶體管的故障率較高。

（3）晶體管電源的器件還依賴進口 國內(nèi)大量生產(chǎn)電源，但其晶體管還依賴進口件，必須解決器件自給問題，據(jù)調(diào)查國內(nèi)也已有研制產(chǎn)品，但成本高，價格與進口管接近，感應加熱設備制造廠愿買進口件，認為可靠與方便。

（4）淬火變壓器 國內(nèi)產(chǎn)品落后，體積大、效率低，水耗量大。另外，由于IGBT電源與晶閘管電源在頻率與輸出電壓不同，市場急需超音頻的淬火變壓器，但缺乏優(yōu)質(zhì)的國內(nèi)品牌，10kHz以上的國際名牌有美國Jackson公司的中頻變壓器及以色列（屬法國公司）中頻、超音頻變壓器，其繞組不是采用銅管而是采用銅箔，漏磁少、電效率高達90%以上；德國ELDEC及EFD公司的圓筒式淬火變壓器則具有體積小、結構簡單等特點，這些產(chǎn)品還未國產(chǎn)化，需要消化吸收或自主創(chuàng)新。

（5）淬火機床的數(shù)控系統(tǒng)、監(jiān)控器等 目前國內(nèi)高檔的淬火機床仍采用進口的Seimens840D等計算機；監(jiān)控器如能量監(jiān)控器雖有國產(chǎn)品牌，但還未普及；高精度的無觸點定位器、振蕩因數(shù)儀等（德國SMS-Elotherm公司專利產(chǎn)品），這些保證淬火件質(zhì)量的監(jiān)控儀器，國內(nèi)還未研制出相應產(chǎn)品來替代。

（6）淬火感應器設計與制造 國外先進企業(yè)已使用計算機模擬進行感應器優(yōu)化設計，國內(nèi)絕大多數(shù)制造廠未使用此技術。日本電氣興業(yè)公司對曲軸旋轉(zhuǎn)加熱感應器能保證3萬次壽命，國內(nèi)大致1萬次以上。工頻感應器以軋輥雙頻感應器為例，國內(nèi)使用壽命在100次左右，急需提高設計與制造水平。

（7）導磁體 我國從20世紀50年代開始即能制造鐵淦氧導磁體（北京天橋粉末冶金二廠等），其后徐州導磁體廠研制了可加工導磁體，目前的狀況是生產(chǎn)廠家眾多、技術力量薄弱，產(chǎn)品價格雖低，但性能與美國、意大利產(chǎn)品牌相比有較大差距，曾有對比試驗結果可以佐證。國內(nèi)無線電元件廠（國營798廠）制的軟磁材料具有高的居里點（500℃）與飽和磁通密度（260mT），可是缺乏市場溝通，產(chǎn)品尺寸與熱處理用戶要求不同，又因為項目不大，無人推動產(chǎn)品進入熱處理市場，導致這樣優(yōu)質(zhì)的輔助器件未能用于感應加熱生產(chǎn)，而低端產(chǎn)品由于營銷得力，充溢市場而廣泛應用。

（8）感應器設計及制造質(zhì)量 國內(nèi)已有多家感應器制造廠，這是改革開放后的進步，與國際水平比，尚存在著一些差距。

①銅材質(zhì)量與銅管截面外形尺寸：無氧純銅應是感應器用材的首選，國內(nèi)用T2牌號的較多，矩形銅管圓角應盡可能小，國內(nèi)產(chǎn)品圓角較大。

②模具化制造：感應器用模具特別是專用模具普遍化不夠，檢驗夾具少，采用通用模具或手工成形雖制造成本低，但因此產(chǎn)生精度低，以及同品種感應器存在一致性差等質(zhì)量問題。

③釬焊質(zhì)量：國外感應器有些產(chǎn)品已使用整體一次釬焊工藝，國內(nèi)產(chǎn)品尚有釬焊后發(fā)生堵、漏等一些弊病。

④感應器外購件：現(xiàn)代感應器是由幾十個零件組成的精密工具，其中國產(chǎn)硬質(zhì)合金定位塊的耐磨性指標、尺寸精度，與德國產(chǎn)品存在差距，氮化硅件產(chǎn)品耐沖擊性不夠，快換管接頭與法國產(chǎn)品在品種、規(guī)格與制造精度上也有差距。

圖3 感應器壽命計數(shù)器

⑤感應器設計質(zhì)量：普遍采用經(jīng)驗法設計，通過調(diào)試進行修改，而國外一些企業(yè)采用計算機模擬優(yōu)化，省時省力，成功快。

⑥感應器使用壽命：材料強度、維護、監(jiān)測等多種因素促使進口感應器的使用壽命長，以CVJ感應器為例，用感應器壽命計數(shù)器（見圖3）測試，其壽命達到幾十萬次。

（9）淬火機床國內(nèi)淬火機床的設計與制造近年來有長足的進步，但與國外先進企業(yè)比，仍有一定差距。

①制造精度與標準：國內(nèi)淬火機床還沒有統(tǒng)一標準（指GB或J B），因此，各企業(yè)制造的機床質(zhì)量與功能，各不相同，使用戶很難進行評價與選擇，JB/T9201—2007鋼鐵件的感應淬火回火處理標準中對淬火機床的精度要求較低，一般淬火機床均能達到此標準，而德國淬火機床的制造標準十分具體，對機械、電氣、安全等均有明確標準。

②自動化程度與生產(chǎn)率：國內(nèi)機床的自動化水平還大都停留在半自動階段，而有些機床的生產(chǎn)率很低，甚至低于手工操作，電源負載系數(shù)低，機床空載系數(shù)高等。

③機床安裝調(diào)試時間長，故障多，耐用性差。

以上三點常是國產(chǎn)設備競爭力低的主要因素。

3.感應熱處理工藝有以下差距

（1）雙頻感應淬火 德國、美國、日本等國企業(yè)均已采用此工藝用于齒輪及轉(zhuǎn)向齒條等零件的淬火，國內(nèi)現(xiàn)僅有兩家企業(yè)采用進口設備進行生產(chǎn)，大量機床、摩托車齒輪仍便用單頻淬火工藝。

（2）低淬透性鋼齒輪等零件感應淬火 1970年前后，國內(nèi)曾研制低淬透性鋼55Ti、60Ti、70Ti等新鋼種，并已列入冶標（YB），在煤機齒輪及小拖拉機齒輪上已進行生產(chǎn)應用，在二汽十字軸等零件上進行生產(chǎn)使用，具有較高經(jīng)濟效益，后此新鋼種在淬透性指標上因出現(xiàn)不穩(wěn)定，鋼廠停止生產(chǎn)，此工藝停用至今，1992年前蘇聯(lián)低淬透性鋼發(fā)明人К.З.ШЕПЕЛЯКОВСКИЙ來中國訪問，并親去重慶鋼廠調(diào)查，認為中國鋼廠完全有能力生產(chǎn)低淬鋼，現(xiàn)在俄羅斯低淬鋼有多個品種，如54ПП、70ПП等，并均已列入ГОСТ標準，低淬鋼齒輪有多個品種在汽車齒輪上用于生產(chǎn)。

（3）感應淬火取代深層滲碳 感應淬火零件取代滲碳零件已有許多成功的應用，現(xiàn)在國外對冶金設備上的深層滲碳零件開始應用感應淬火工藝來取代，見圖4。它的優(yōu)勢仍然是節(jié)能與大幅節(jié)省工藝時間與生產(chǎn)周期。國內(nèi)現(xiàn)尚未開展此項目，是一差距。

（4）感應加熱熔敷 農(nóng)機零件犁鏵、刀片等其刃部主要技術要求是耐磨，尺寸精度要求低，國外采用熔敷耐磨材料取得良好效果，這也是國內(nèi)感應加熱可開展的項目之一。

（5）新型靜止式曲軸頸感應淬火工藝 美國INDUCTOHEAT公司研制的新工藝，稱作Sharp-C工藝，成套裝置已在美國多個發(fā)動機廠應用，優(yōu)點是加熱時間短，每個軸頸加熱時間為旋轉(zhuǎn)曲軸頸的40%左右，感應器壽命長及整套裝置占地面積小等。

（6）旋轉(zhuǎn)式感應器 被用來對不便于旋轉(zhuǎn)的大型部件進行內(nèi)腔硬化處理。這種獲得專利的系統(tǒng)無需采用機械方式轉(zhuǎn)動部件，部件固定不動而感應器繞Z軸旋轉(zhuǎn)，硬化質(zhì)量和處理速度都大幅度提高。其他優(yōu)點還包括減輕了機械重量，縮小了占地面積，以及增加了操作安全性。

多軸計算機數(shù)控硬化設備結合專用雙圓心感應器的設計，保證了同一個部件上小直徑和大直徑均得到有效的硬化處理。對于橫截面多變的部件（比如凸輪軸），具有不同直徑的單一感應器（雙圓心感應器），是一種非常方便的方案。該設計改進了部件與感應器之間的相互關系，使得單一加熱站/感應器就足以處理整個部件。它的直接優(yōu)點是部件的處理一氣呵成（而非分次進行），大大簡化了工藝。另外，由于感應器與部件相配套，能耗也顯著降低，而質(zhì)量得到明顯改善。

圖4 冶金設備零件用感應淬火取代深層滲碳

（7）計算機模擬感應熱處理的研發(fā)、應用與普及 國外較先進的感應加熱公司均已應用計算機模擬感應熱處理工藝及優(yōu)化感應器設計，國內(nèi)目前少數(shù)公司依賴進口軟件進行工作，離普及還有很大差距，現(xiàn)在應先進行普及，同時自行開發(fā)國產(chǎn)的計算機模擬軟件。

（8）節(jié)能工藝的節(jié)能研究 國內(nèi)感應加熱工藝應用多、研究少，特別是節(jié)能工藝的節(jié)能，美國Ajax Magnethermic公司的N.V.Ross先生曾總結了感應加熱鋼材調(diào)質(zhì)、淬火、回火等多項經(jīng)驗的能耗數(shù)據(jù)，國內(nèi)杭州一公司也曾撰文對比兩條用雙頻感應淬火并回火鋼筋的電耗數(shù)據(jù)，兩條生產(chǎn)線的電耗由于電源選擇不當?shù)纫蛩?，電耗（kW·h/t），相差近1倍，一個企業(yè)年產(chǎn)量幾千噸鋼筋，如果能耗相差一倍，每年要多耗能達幾十萬度。對于不同工藝的能耗應規(guī)定相應能耗指導性指標，將有利于提高節(jié)能工作，并且能影響到節(jié)能變頻電源、機床與配套件的選用，如高效變頻電源、匹配變壓器等。

（9）微小零件的精密感應加熱淬火 鋸條每盤長400m，材料相當T10鋼，區(qū)別是含W。鋸條寬度：6～38mm；鋸條厚度：0.4～1.3mm；齒距：3～32TPI（每英寸長度上齒的個數(shù)）。工藝路線為：整體淬火→回火（硬度380～430HV）→開齒→齒部超高頻淬火（齒溝處不可加熱）→低溫回火。鋸條見圖5，鋸齒超高頻淬火后，齒部需淬硬，而齒溝不能加熱，見圖6。

圖5 規(guī)格16TPI鋸條

圖6 硬化層

目前這種鋼鐵行業(yè)使用的鋸條依靠進口，問題主要是卡在了感應熱處理上，一是7.12MHz的電源，二是鋸條行走時的精度控制。國外只有瑞典在生產(chǎn)這樣的設備，見圖7。

圖7 鋸條感應淬火設備

三、專業(yè)技術人材培訓、圖書期刊出版與學術交流

1.專業(yè)人材培訓

前蘇聯(lián)在感應加熱專業(yè)發(fā)展上是十分重視的，在列寧格勒（現(xiàn)圣彼得堡）建有一個以沃羅格金命名的高頻電流科學研究所（ВНИИТВЧ），研究感應加熱透熱、淬火、熔煉、裝備設計等多個方面，同一城市還建了一個列寧格勒電工學院（現(xiàn)圣彼得堡電工大學），培養(yǎng)感應加熱專業(yè)大學生，20世紀60年代，我國曾派8名留學生在該院培訓；在意大利有PADUA大學、德國有HANOVER大學等專業(yè)從事感應加熱研究的電工系，現(xiàn)在俄羅斯則還有感應加熱的專業(yè)期刊（見圖8），每年4期報道國內(nèi)外感應加熱科研發(fā)展及成果。

PADUA大學每兩年舉辦一次國際性的電磁源加熱學術交流會議（HES），從中得到信息與提高，參加國外課題（前年曾與同濟大學有合作課題，更早參與德國同步雙頻研發(fā)）。HANOVER大學教授Alfred Muhlbauer所著的History of Induction Heating ＆ Melting（見圖9），敘述了感應加熱的發(fā)展歷史，從18世紀的法拉第開始寫到21世紀的感應加熱計算機模擬，搜集了世界各國在感應加熱的成果，遺憾的是沒有中國成果列入。

圖8 俄羅斯《感應加熱》期刊封面

圖9 德國2008年出版的《感應加熱和熔煉的歷史》封面

國內(nèi)還沒有一所培養(yǎng)感應加熱專業(yè)的大學的對口院系，過去企業(yè)只能招熱處理專業(yè)、機制專業(yè)及自動化專業(yè)學生在實踐中提高培養(yǎng)，國內(nèi)現(xiàn)有一個研究所 “電力電子應用技術國家工程研究中心”（在杭州，對感應加熱電源等研發(fā)有課題。感應熱處理技術委員會副主任陳輝明博士在該中心工作）。如能在感應加熱電源應用上，多開發(fā)項目，應能對行業(yè)起巨大作用。原來國內(nèi)西安電爐研究所歸口電爐及感應加熱電源的研發(fā)及標準等工作，改革開放后，此項工作似乎有變化，形成各企業(yè)自立企標，用于本單位設備制造的格局。

2.期刊及專業(yè)圖書出版

國外專業(yè)的《感應加熱》期刊似乎只有俄羅斯一家，國內(nèi)感應加熱文章分布在《金屬熱處理》、《金屬加工（熱加工）》、《熱處理》等期刊，從期刊數(shù)量上與國際期刊量差距不甚大，但論文內(nèi)容先進程度上看，與發(fā)達國家比相距有10年以上。

專業(yè)圖書出版上，感應加熱圖書在20世紀的前蘇聯(lián)出版的書較多，美國金屬學會（ASM）及國際金屬學會（ASMI）曾組織編寫多本感應熱處理圖書，如INDUCTION HARDENING AND TEMPERING，Practical Induction Heat Treating等，對廣大感應熱處理工作者起到知識源泉與指導作用，國內(nèi)學會應吸取此經(jīng)驗，組織并鼓勵學會會員編著相關書籍。

3.學術交流

國際上與感應加熱有關的學術會議甚多，如前蘇聯(lián)的全國性感應加熱會議，過去我國也派員參加，帶回會議論文集（感應加熱在工業(yè)中的應用），后來俄羅斯的APIH-05，APIH-09等會議，意大利每兩年一次的HES-09，德國舉辦的EPM等會議均與感應加熱有關，存在的問題是參加人次少，并且與會人員回國后未能將會議內(nèi)容傳達或擴散到行業(yè)相關人士，以發(fā)揮更大作用，如意大利的會議中有我國東北大學與上海大學教授參加，但未見會議信息。

4.感應加熱設備與熱處理相關標準

現(xiàn)在已有上述內(nèi)容的一些GB與JB標準。差距是：標準覆蓋面不夠；有些標準較舊已落后時代，個別有錯，需要增補、提高與改進。

四、感應熱處理應開展的工藝、設備與科研項目

綜合前述國內(nèi)狀況與差距，感應熱處理的技術路線應從工藝、設備、科研等多方面進行，分述如下。

1.工藝材料技術類課題（見表2）

表2 工藝材料技術類課題

2.設備能耗類課題

感應熱處理件的質(zhì)量與電耗與設備因素關系最突出，因此，表3的課題是極為迫切與重要的。

3.感應淬火件壽命與攻關項目

有許多感應淬火件壽命低的原因是感應淬火技術條件或工藝不正確，還有一些是技術上達不到要求，需要攻關，參見表4。

表3 感應熱處理設備與電耗課題

表4 感應淬火件壽命與攻關

五、感應熱處理專業(yè)書籍出版方面

國內(nèi)感應熱處理專業(yè)書刊的現(xiàn)狀有如下特點：

（1）理論研究的專著幾乎沒有。

（2）譯著在20世紀60年代前后較多，絕大部分譯自俄文，80年代有極少的譯著來自英文，21世紀幾乎未見，與版權購買等有關。

（3）實踐及工業(yè)應用的專著較多，對企業(yè)技術人員及工人學習并提高本專業(yè)技術，起到一定的入門與促進作用。

（4）期刊上的文章與專業(yè)委員會上交流的論文，只有一小部分專業(yè)技術人員讀到，普及性不夠。最近金屬熱處理期刊匯編了“金屬熱處理經(jīng)典工藝集粹”是一件好事，感應熱處理歷屆年會也有一些好文章，建議匯編為“感應加熱精選論文集”以供年輕一代新人參考。

（5）外文專著在國內(nèi)一流圖書館不易找到，外文期刊閱讀的更少，因此，與國際水平接軌還有巨大阻力。（20131211）