特大型套圈和轴承如何感应淬火？如何无损检测硬化层厚度？

特大型套圈和轴承耐磨表面为什么需要感应淬火硬化？

当行进变得巨大，沉重和困难时……需要非常大的轴承和套圈/环来承受高负载及其产生的扭矩。典型应用包括风力发电，通用机械，采矿，船舶，军事航空和建筑设备，以及陆上和海上能源技术。无论是在盐水环境中，在公海中还是在尘土飞扬的矿区中，齿圈都须能够承受复杂苛刻条件。至关重要的是，海上风力涡轮机或大型矿山机械中动态加载的组件须可靠地运行，并且几乎不需要维护。这些组件承受很高的压力，因此需要提高其动态强度和耐磨性——为此所需的耐磨表面是通过感应淬火产生的。
传统上，表面渗碳已用于淬火硬化非常大的工件，例如回转支承，齿圈和轴承座圈。渗碳过程简单明了，数十年来已广为人知。但是，越来越多的制造商正在通过感应淬火来增强或替换其渗碳工艺，在这种工艺中，表面材料的冶金结构通过准确控制的快速表面加热和快速冷却（淬火）顺序进行转变（硬化）。感应淬火能够硬化非常大的工件：例如直径为6米的环锻件/套圈，工件变形小并且产量更高。

风电行业特大型回转支承工件举例

特大型套圈和轴承如何感应淬火？

单次激发(全区域)淬火硬化

通过单次全区域淬火，工件旋转经过一个或多个固定感应器，或者与整个工件形成完整的360度环形感应器接口。将整个轴承表面（滚道）加热到合适的奥氏体化温度，然后淬火整个表面。淬火可通过将工件浸入盐浴中，或使用集成在感应器中并根据工艺要求量身定制的喷嘴来完成。单次加工适合直径小于2米的工件。感应加热电功率要求随着工件直径的增加呈二次方增长。例如，直径为2米的环的单次淬火硬化将需要约1.6 MW的功率。与扫描淬火强化相比，高功率单次全区域扫描过程非常快，通常以秒为单位进行测量。

存在软区的扫描淬火硬化

存在残留软区的扫描淬火是硬化单滚道和多滚道大型轴承的标准方法。感应器/喷头组件固定不动，同时环以恒定的低切线速度旋转通过感应器。扫描路径的末端必定会留有一个小的软区（未硬化的区域），功率为100 kW时，直径3米的轴承座圈可以在不到一小时的时间内淬火硬化。

没有软区的扫描淬火硬化新技术

由于存在残留的软区，传统的扫描淬火硬化不足以满足对光滑性和重负载有严格要求的关键任务组件的要求，例如：
• 超低振动系统（例如，磁共振成像，MRI技术）
• 高机械应力系统（例如隧道钻机）
• 需要连续旋转或苛刻的环境条件的系统要求使用寿命长的免维护系统（例如，风力涡轮机，潮汐电站和石油平台）

炉子尺寸和较长的处理时间限制了渗碳作为一种工艺选择。单发感应淬火由于其高功率要求而不切实际。需要一种更好的淬火硬化方法来有效而可靠地硬化非常大的高价值套圈/环和轴承。为了满足这种需求，已经开发了一种扫描淬火硬化特别大的环而且没有剩余软区的方法。该过程与常规的扫描硬化主要在扫描的开始和结束位置不同，在传统的扫描淬火硬化中，采取了一些步骤以避免不必要的回火和硬化区微结构的变化。

将该过程与单次感应淬火进行比较，可以使用200 kW的扫描系统处理直径为6米的套圈和轴承，这是单次激发式淬火所需功率的1/8。与在炉中需要数百小时的渗碳相比，感应扫描硬化过程所需的时间（少于两个小时）可以忽略不计。此外，可以完全避免用于消除由渗碳引起的变形的高成本且费时的矫直操作。可以在同一台感应机上以很少的设置时间对工件的内径和外径进行扫描淬火硬化和齿轮淬火硬化。具有小生产量的大型环形轴承的制造商尤其赞赏这种灵活性以及自由加工各种工件的能力，同时降低了设备成本。

特大型套圈和轴承如何无损检测淬火硬化层厚度？

表面硬化通常用于制造具有高拉伸性能和抗疲劳强度的部件，以抵抗表面开裂和磨损。此外，特大型套圈和轴承的表面淬火硬化厚度(SHD)须按照各种国际规范进行控制。虽然可以通过切割样本来评估表面硬化层厚度SHD，但是这种方法耗时、成本高，而且不适合集成到生产线中。考虑到这些因素，人们需要一种快速、无损的方法来检测大型淬火件，并在处理不同零件和/或改变工艺参数时，能够快速优化感应淬火工艺。为此开发的方法包括涡流检测、磁性方法和超声波。电磁方法利用与物理值相关的材料特性，如导电性和渗透性。然而，不同的部分细节干扰相关，这需要一套校准样品。此外，电磁方法渗透深度有限。通过对比，德国Fraunhofer无损检测技术研究院的超声背散射技术可以直接测定两种具有不同微观结构(包括晶粒尺寸)的材料之间的界面。这种测量方法简单，不需要任何类型的相关性，也不需要校准样本。

测得的A扫描通过接口探测系统的声脉冲反射到零件表面来提供有关零件表面淬火厚度位置的信息。表面峰的宽度是由光束的传播和楔板和零件表面的粗糙度决定的。在20MHz的高频率下，细小的针状马氏体对声波几乎不存在散射，但是粗晶粒度的核心材料会发生大量散射。探头系统的楔形块是由低衰减的特种材料制成，在高超声频率下不会衰减。入射角大于临界角，但过界时反散射信号陡增，入射角低到合理的程度。背散射强度按指数衰减规律呈指数衰减。

德国Fraunhofer超声波背散射无损测试技术信号传播简示图

信号质量是可靠的各种淬火层厚度SHD评价的关键。根据所需要的信号形状，操作者知道是否存在错误或耦合不良。其他关键参数包括声速和楔角来确定SHD计算。上海量博可提供德国Fraunhofer手动、半自动和自动化多通道系统。手动装置由一个由软件包控制的四通道超声波探测系统组成，用于程序设置、信号处理、报告和质量保证(QA)要求。这些组件被组装成工业化系统，设计用于恶劣的工业环境。例如，上海量博实业总代理的德国Fraunhofer硬化层厚度无损探测系统可以测试复杂形状的组件。探头系统的楔板适合于所需测试位置的几何形状。

大型回转支承齿面及套圈感应淬火硬化层检测部位实例

感应淬火已在高价值大型环形轴承的制造中得以证明。风能的成功一定程度上归功于表面硬化的回转支承/轴承座圈和齿轮。建筑和采矿设备很快就会磨损，如果没有感应淬火的好处，军事和航空航天事业将带来无法接受的风险。大型套圈和轴承座圈的替代淬火硬化方法面临变形，软点，晶粒长大，炉膛尺寸，能源效率，排放量以及异常长的加工时间的困扰。感应扫描淬火中没有剩余的软区，弥合了传统淬火方法与对具有高额定载荷，低噪音和更长使用寿命的超大型轴承的日益增长的需求之间的差距。而德国Fraunhofer研发的超声波背散射无损测试表面感应淬火层厚度技术，快速及时地保障了每个特大型环件/套圈和轴承具有准确可靠的硬化层厚度。