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特大型套圈和軸承如何感應(yīng)淬火？如何無(wú)損檢測(cè)硬化層厚度？

特大型套圈和軸承耐磨表面為什么需要感應(yīng)淬火硬化？

  當(dāng)行進(jìn)變得巨大，沉重和困難時(shí)……需要非常大的軸承和套圈/環(huán)來(lái)承受高負(fù)載及其產(chǎn)生的扭矩。典型應(yīng)用包括風(fēng)力發(fā)電，通用機(jī)械，采礦，船舶，軍事航空和建筑設(shè)備，以及陸上和海上能源技術(shù)。無(wú)論是在鹽水環(huán)境中，在公海中還是在塵土飛揚(yáng)的礦區(qū)中，齒圈都須能夠承受復(fù)雜苛刻條件。至關(guān)重要的是，海上風(fēng)力渦輪機(jī)或大型礦山機(jī)械中動(dòng)態(tài)加載的組件須可靠地運(yùn)行，并且?guī)缀醪恍枰S護(hù)。這些組件承受很高的壓力，因此需要提高其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和耐磨性——為此所需的耐磨表面是通過(guò)感應(yīng)淬火產(chǎn)生的。
  傳統(tǒng)上，表面滲碳已用于淬火硬化非常大的工件，例如回轉(zhuǎn)支承，齒圈和軸承座圈。滲碳過(guò)程簡(jiǎn)單明了，數(shù)十年來(lái)已廣為人知。但是，越來(lái)越多的制造商正在通過(guò)感應(yīng)淬火來(lái)增強(qiáng)或替換其滲碳工藝，在這種工藝中，表面材料的冶金結(jié)構(gòu)通過(guò)準(zhǔn)確控制的快速表面加熱和快速冷卻（淬火）順序進(jìn)行轉(zhuǎn)變（硬化）。感應(yīng)淬火能夠硬化非常大的工件：例如直徑為6米的環(huán)鍛件/套圈，工件變形小并且產(chǎn)量更高。

特大型套圈和軸承如何感應(yīng)淬火？

單次激發(fā)(全區(qū)域)淬火硬化

  通過(guò)單次全區(qū)域淬火，工件旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)固定感應(yīng)器，或者與整個(gè)工件形成完整的360度環(huán)形感應(yīng)器接口。將整個(gè)軸承表面（滾道）加熱到合適的奧氏體化溫度，然后淬火整個(gè)表面。淬火可通過(guò)將工件浸入鹽浴中，或使用集成在感應(yīng)器中并根據(jù)工藝要求量身定制的噴嘴來(lái)完成。單次加工適合直徑小于2米的工件。感應(yīng)加熱電功率要求隨著工件直徑的增加呈二次方增長(zhǎng)。例如，直徑為2米的環(huán)的單次淬火硬化將需要約1.6 MW的功率。與掃描淬火強(qiáng)化相比，高功率單次全區(qū)域掃描過(guò)程非?？欤ǔＲ悦霝閱挝贿M(jìn)行測(cè)量。

存在軟區(qū)的掃描淬火硬化

  存在殘留軟區(qū)的掃描淬火是硬化單滾道和多滾道大型軸承的標(biāo)準(zhǔn)方法。感應(yīng)器/噴頭組件固定不動(dòng)，同時(shí)環(huán)以恒定的低切線速度旋轉(zhuǎn)通過(guò)感應(yīng)器。掃描路徑的末端必定會(huì)留有一個(gè)小的軟區(qū)（未硬化的區(qū)域），功率為100 kW時(shí)，直徑3米的軸承座圈可以在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)淬火硬化。

沒(méi)有軟區(qū)的掃描淬火硬化新技術(shù)

  由于存在殘留的軟區(qū)，傳統(tǒng)的掃描淬火硬化不足以滿(mǎn)足對(duì)光滑性和重負(fù)載有嚴(yán)格要求的關(guān)鍵任務(wù)組件的要求，例如：
  ? 超低振動(dòng)系統(tǒng)（例如，磁共振成像，MRI技術(shù)）
  ? 高機(jī)械應(yīng)力系統(tǒng)（例如隧道鉆機(jī)）
  ? 需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)或苛刻的環(huán)境條件的系統(tǒng)要求使用壽命長(zhǎng)的免維護(hù)系統(tǒng)（例如，風(fēng)力渦輪機(jī)，潮汐電站和石油平臺(tái)）

  爐子尺寸和較長(zhǎng)的處理時(shí)間限制了滲碳作為一種工藝選擇。單發(fā)感應(yīng)淬火由于其高功率要求而不切實(shí)際。需要一種更好的淬火硬化方法來(lái)有效而可靠地硬化非常大的高價(jià)值套圈/環(huán)和軸承。為了滿(mǎn)足這種需求，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種掃描淬火硬化特別大的環(huán)而且沒(méi)有剩余軟區(qū)的方法。該過(guò)程與常規(guī)的掃描硬化主要在掃描的開(kāi)始和結(jié)束位置不同，在傳統(tǒng)的掃描淬火硬化中，采取了一些步驟以避免不必要的回火和硬化區(qū)微結(jié)構(gòu)的變化。

  將該過(guò)程與單次感應(yīng)淬火進(jìn)行比較，可以使用200 kW的掃描系統(tǒng)處理直徑為6米的套圈和軸承，這是單次激發(fā)式淬火所需功率的1/8。與在爐中需要數(shù)百小時(shí)的滲碳相比，感應(yīng)掃描硬化過(guò)程所需的時(shí)間（少于兩個(gè)小時(shí)）可以忽略不計(jì)。此外，可以完全避免用于消除由滲碳引起的變形的高成本且費(fèi)時(shí)的矯直操作。可以在同一臺(tái)感應(yīng)機(jī)上以很少的設(shè)置時(shí)間對(duì)工件的內(nèi)徑和外徑進(jìn)行掃描淬火硬化和齒輪淬火硬化。具有小生產(chǎn)量的大型環(huán)形軸承的制造商尤其贊賞這種靈活性以及自由加工各種工件的能力，同時(shí)降低了設(shè)備成本。

特大型套圈和軸承如何無(wú)損檢測(cè)淬火硬化層厚度？

  表面硬化通常用于制造具有高拉伸性能和抗疲勞強(qiáng)度的部件，以抵抗表面開(kāi)裂和磨損。此外，特大型套圈和軸承的表面淬火硬化厚度(SHD)須按照各種國(guó)際規(guī)范進(jìn)行控制。雖然可以通過(guò)切割樣本來(lái)評(píng)估表面硬化層厚度SHD，但是這種方法耗時(shí)、成本高，而且不適合集成到生產(chǎn)線中?？紤]到這些因素，人們需要一種快速、無(wú)損的方法來(lái)檢測(cè)大型淬火件，并在處理不同零件和/或改變工藝參數(shù)時(shí)，能夠快速優(yōu)化感應(yīng)淬火工藝。為此開(kāi)發(fā)的方法包括渦流檢測(cè)、磁性方法和超聲波。電磁方法利用與物理值相關(guān)的材料特性，如導(dǎo)電性和滲透性。然而，不同的部分細(xì)節(jié)干擾相關(guān)，這需要一套校準(zhǔn)樣品。此外，電磁方法滲透深度有限。通過(guò)對(duì)比，德國(guó)Fraunhofer無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究院的超聲背散射技術(shù)可以直接測(cè)定兩種具有不同微觀結(jié)構(gòu)(包括晶粒尺寸)的材料之間的界面。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單，不需要任何類(lèi)型的相關(guān)性，也不需要校準(zhǔn)樣本。

  測(cè)得的A掃描通過(guò)接口探測(cè)系統(tǒng)的聲脈沖反射到零件表面來(lái)提供有關(guān)零件表面淬火厚度位置的信息。表面峰的寬度是由光束的傳播和楔板和零件表面的粗糙度決定的。在20MHz的高頻率下，細(xì)小的針狀馬氏體對(duì)聲波幾乎不存在散射，但是粗晶粒度的核心材料會(huì)發(fā)生大量散射。探頭系統(tǒng)的楔形塊是由低衰減的特種材料制成，在高超聲頻率下不會(huì)衰減。入射角大于臨界角，但過(guò)界時(shí)反散射信號(hào)陡增，入射角低到合理的程度。背散射強(qiáng)度按指數(shù)衰減規(guī)律呈指數(shù)衰減。

德國(guó)Fraunhofer超聲波背散射無(wú)損測(cè)試技術(shù)信號(hào)傳播簡(jiǎn)示圖

  信號(hào)質(zhì)量是可靠的各種淬火層厚度SHD評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。根據(jù)所需要的信號(hào)形狀，操作者知道是否存在錯(cuò)誤或耦合不良。其他關(guān)鍵參數(shù)包括聲速和楔角來(lái)確定SHD計(jì)算。上海量博可提供德國(guó)Fraunhofer手動(dòng)、半自動(dòng)和自動(dòng)化多通道系統(tǒng)。手動(dòng)裝置由一個(gè)由軟件包控制的四通道超聲波探測(cè)系統(tǒng)組成，用于程序設(shè)置、信號(hào)處理、報(bào)告和質(zhì)量保證(QA)要求。這些組件被組裝成工業(yè)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。例如，上海量博實(shí)業(yè)總代理的德國(guó)Fraunhofer硬化層厚度無(wú)損探測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)試復(fù)雜形狀的組件。探頭系統(tǒng)的楔板適合于所需測(cè)試位置的幾何形狀。

  感應(yīng)淬火已在高價(jià)值大型環(huán)形軸承的制造中得以證明。風(fēng)能的成功一定程度上歸功于表面硬化的回轉(zhuǎn)支承/軸承座圈和齒輪。建筑和采礦設(shè)備很快就會(huì)磨損，如果沒(méi)有感應(yīng)淬火的好處，軍事和航空航天事業(yè)將帶來(lái)無(wú)法接受的風(fēng)險(xiǎn)。大型套圈和軸承座圈的替代淬火硬化方法面臨變形，軟點(diǎn)，晶粒長(zhǎng)大，爐膛尺寸，能源效率，排放量以及異常長(zhǎng)的加工時(shí)間的困擾。感應(yīng)掃描淬火中沒(méi)有剩余的軟區(qū)，彌合了傳統(tǒng)淬火方法與對(duì)具有高額定載荷，低噪音和更長(zhǎng)使用壽命的超大型軸承的日益增長(zhǎng)的需求之間的差距。而德國(guó)Fraunhofer研發(fā)的超聲波背散射無(wú)損測(cè)試表面感應(yīng)淬火層厚度技術(shù)，快速及時(shí)地保障了每個(gè)特大型環(huán)件/套圈和軸承具有準(zhǔn)確可靠的硬化層厚度。