一文了解真空感應(yīng)熔煉技術(shù)及其應(yīng)用

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對機(jī)械零件的使用要求越來越高,，愈加嚴(yán)苛的使用環(huán)境對金屬材料的耐高溫,、耐磨、抗疲勞等性能提出了更高的要求,。

對于某些特定的金屬或合金材料,，無論是前期研發(fā)試驗(yàn)還是后期的大批量生產(chǎn)投入使用，研究或得到高性能的金屬合金材料都需要金屬熔煉設(shè)備,，表面熱處理設(shè)備等的支持在眾多的特種加熱或熔煉方法中,，感應(yīng)加熱技術(shù)用于熔煉制備金屬材料或在一定工藝中對材料進(jìn)行燒結(jié)、熱處理等,，都起到了至關(guān)重要的作用,。

1真空感應(yīng)熔煉技術(shù)

1.1 原理

感應(yīng)加熱技術(shù)通常是指真空條件下，通過電磁感應(yīng)原理使感磁性較好的材料獲得感應(yīng)電流,，達(dá)到加熱目的的一種技術(shù),。

圖1 電磁感應(yīng)原理

電流以一定頻率通過環(huán)繞在金屬材料周圍的電磁線圈,，變化的電流產(chǎn)生感應(yīng)磁場,，并使得金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流,，并產(chǎn)生大量的熱量，用來加熱材料,。當(dāng)熱量相對較低時(shí),，可用于真空感應(yīng)熱處理等工藝，當(dāng)熱量較高時(shí),，產(chǎn)生的熱量足以熔化金屬,，用來制備金屬或合金材料。

1.2 應(yīng)用

1.2.1真空感應(yīng)熔煉

真空感應(yīng)熔煉技術(shù)是目前對金屬材料加熱效率最高,、速度最快,，低耗節(jié)能環(huán)保型的感應(yīng)加熱技術(shù)。該技術(shù)主要在感應(yīng)熔煉爐等設(shè)備上實(shí)現(xiàn),，應(yīng)用范圍十分廣泛,。

固態(tài)的金屬原材料放入由線圈纏繞的坩堝中，當(dāng)電流流經(jīng)感應(yīng)線圈時(shí),，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,，并使金屬爐料內(nèi)部產(chǎn)生渦流，電流發(fā)熱量大于金屬爐料散熱量的速度時(shí),，隨著熱量越積越多,，到達(dá)一定程度時(shí)，金屬由固態(tài)熔化為液態(tài),，達(dá)到冶煉金屬的目的,。

真空感應(yīng)熔煉的優(yōu)點(diǎn)在于：

• 由于整個(gè)過程發(fā)生在真空環(huán)境下，所以有利于金屬內(nèi)部氣體雜質(zhì)的祛除,，得到的金屬合金材料更加純粹,。

• 同時(shí)，冶煉過程中,，通過真空環(huán)境以及感應(yīng)加熱的控制,，可以調(diào)整熔煉溫度并及時(shí)補(bǔ)充合金金屬，達(dá)到精煉的目的,。

• 在熔化過程中,，因?yàn)楦袘?yīng)熔煉技術(shù)的特點(diǎn)，液態(tài)的金屬材料在坩堝內(nèi)部由于受到電磁力的相互作用,，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)攪拌,，使成分更加均勻，這也是感應(yīng)熔煉技術(shù)的一大優(yōu)勢,。

圖2 感應(yīng)熔煉的攪拌作用

與傳統(tǒng)的冶煉相比,，真空感應(yīng)熔煉節(jié)能、環(huán)保,、工人作業(yè)環(huán)境好,、勞動(dòng)強(qiáng)度小，具有很大優(yōu)勢,。利用感應(yīng)熔煉技術(shù)，最終澆注的合金材料雜質(zhì)更少,，添加的合金比例更加合適,，更加符合工藝對材料各性能的要求。

真空感應(yīng)熔煉技術(shù)目前已經(jīng)得到大規(guī)模的使用,，從用于試驗(yàn)研究的幾千克感應(yīng)爐,，到用于實(shí)際生產(chǎn)的幾十噸容量的大型感應(yīng)爐，由于其操作工藝簡單,、熔化升溫快,、熔煉過程容易控制、所冶煉金屬成分均勻等優(yōu)點(diǎn),，具有很大的應(yīng)用前景,，近些年得到了快速的發(fā)展。

1.2.2真空感應(yīng)燒結(jié)

真空燒結(jié)是指在真空環(huán)境下（10~10^-3Pa）,，將金屬合金或金屬化合物粉末在低于熔點(diǎn)的溫度下,，燒結(jié)成金屬制品和金屬坯。真空條件下燒結(jié),，不存在金屬與氣體間的反應(yīng),，也沒有吸附氣體影響，不僅致密化效果好,，而且可以起到凈化和還原作用,，降低燒結(jié)溫度，和常溫?zé)Y(jié)比可降低100℃~150℃,，節(jié)省能耗,，提高燒結(jié)爐壽命和獲得高質(zhì)量產(chǎn)品。

對于某些物料需要通過受熱借助原子遷移實(shí)現(xiàn)顆粒間的結(jié)合,，而感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)在此過程中則起到了對其加熱的作用,。

真空感應(yīng)燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于：

• 真空條件下有助于減少氣氛中的有害物質(zhì)（水蒸氣，氧氣,，氮?dú)獾绕渌s質(zhì)）,，避免出現(xiàn)脫碳、滲氮,、滲碳,、還原,、氧化等一系列反應(yīng)。

• 過程中降低孔隙內(nèi)的氣體量,，減少氣體分子的化學(xué)反應(yīng),，同時(shí)在物料出現(xiàn)液相之前排除其表面的氧化膜，從而在材料熔化互相結(jié)合的時(shí)候,，使材料結(jié)合更致密,，提高其耐磨性及強(qiáng)度。

• 另外,，真空感應(yīng)燒結(jié)對降低產(chǎn)品成本也具有一定的效果,。

由于真空環(huán)境下，氣體含量處于相對很低的狀態(tài),，因此可以忽略熱量的對流和傳導(dǎo),，熱量主要以輻射的方式，由發(fā)熱組件傳遞到物料表面,，根據(jù)具體的燒結(jié)溫度,、物質(zhì)的物理化學(xué)特性，選擇合適的發(fā)熱組件也是十分重要的,。與真空電阻加熱相比,，感應(yīng)燒結(jié)采用中頻電源加熱，一定程度上避免了采用電阻內(nèi)加熱方式真空爐的高溫絕緣問題,。

目前,，感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)主要應(yīng)用在鋼鐵、冶金領(lǐng)域,。另外,，在特種陶瓷的材料上，感應(yīng)燒結(jié)增強(qiáng)了固體顆粒的鍵聯(lián),，有助于晶粒長大,、壓縮空隙，進(jìn)而增加密度,，形成致密的多晶燒結(jié)體,。感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)也正在新材料的研究上得到更廣泛的應(yīng)用。

1.2.3真空感應(yīng)熱處理

目前應(yīng)用較多的感應(yīng)熱處理技術(shù),，主要集中在感應(yīng)淬火技術(shù),。將工件放入感應(yīng)器（線圈）內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時(shí),，周圍即產(chǎn)生交變磁場,。交變磁場的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的渦流。由于集膚效應(yīng)，即感應(yīng)電流在工件截面上的分布很不均勻,，工件表層電流密度很高,，向內(nèi)逐漸減小。

圖3 集膚效應(yīng)

工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，即?shí)現(xiàn)表面加熱電流頻率越高,，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大,，加熱層越薄。在加熱層溫度超過鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻,，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。

由感應(yīng)加熱的原理可知,，通過調(diào)節(jié)感應(yīng)線圈通過電流的頻率,，即可適當(dāng)?shù)馗淖冸娏鞯耐溉肷疃龋?strong>深度可調(diào)也是感應(yīng)熱處理的一個(gè)較大的優(yōu)勢。但是感應(yīng)淬火技術(shù)由于適應(yīng)性較差,，不適用于復(fù)雜的機(jī)械工件,。雖然淬火后的工件表層有較大的壓縮內(nèi)應(yīng)力，抗疲勞斷裂能力較高,，但是只適用于簡單工件的流水線生產(chǎn),。

目前，感應(yīng)淬火技術(shù)主要應(yīng)用在汽車工業(yè)中的曲軸凸輪軸等零件的表面淬火,，這些零部件雖然結(jié)構(gòu)簡單,，但工作環(huán)境惡劣，對零部件的性能有一定的耐磨性,、抗彎曲,、抗疲勞要求。通過感應(yīng)淬火提高其耐磨性和抗疲勞能力,，也是目前滿足性能要求的最合理的方法,。

本文首發(fā)于《真空》雜志2015年第5期

原文標(biāo)題：真空感應(yīng)熔煉技術(shù)的發(fā)展及趨勢

本文作者：聶川，楊洪帥,，牟鑫

作者單位：沈陽真空技術(shù)研究所