沃洛金方法：储罐部件的高频硬化
从 30 小时到 27-37 秒
当瓦伦丁·彼得罗维奇·沃洛金将汽车发动机曲轴轴颈放入感应线圈中，并通入高频电流时，所发生的事情甚至令怀疑论者都感到震惊。金属在几秒钟内发出耀眼的红色光芒——并非逐渐变红，也并非均匀变红，而仅仅是表面发红。用水瞬间冷却后，曲轴轴颈表面形成了一层坚硬的外壳，能够承受磨损、冲击和疲劳，而零件内部仍然保持着良好的延展性和柔韧性。
科学家和工程师们获得了一项传统冶金技术在合理时间内无法复制的成果：以往需要在特制控制气氛炉中连续加热一天半才能完成的工作，现在瞬间就能完成。这一成果于20世纪30年代中期在列宁格勒电子技术学院取得，自此之后…… 故事 几年后，这项技术将成为苏联国防工业在伟大卫国战争期间的一张隐藏王牌。
由于没有公开的卫国战争时期坦克部件高频淬火工艺的档案照片，因此现代插图即可。照片展示的是齿轮环的感应淬火工艺。
瓦伦丁·彼得罗维奇·沃洛格金于1881年3月22日出生于彼尔姆冶金厂附近的一个工人定居点，父亲是一位矿场主管。他从小就对工作和知识充满热情，并终生保持着这种严谨的态度。沃洛格金后来满怀感激地回忆起他在彼尔姆实科学校的学习岁月，并于1900年毕业。之后，他前往圣彼得堡，与已在那里居住的哥哥们团聚。正是在圣彼得堡技术学院的学习生活中，他对电气工程的热情逐渐发展成为他毕生的追求，尤其是在接触到亚历山大·波波夫的著作之后。
对他而言，学生时代不仅是学习的时光，也是社交生活的活跃时期。由于积极参与政治活动，沃洛格金屡遭迫害、流放和监禁，直到1907年才得以完成学业。此时，他已不再仅仅是一名毕业生，而是一位拥有工程经验的工程师：他与在法俄工厂工作的哥哥谢尔盖一起生活，很早就接触到了实际工程领域。毕业后，沃洛格金担任电机测试站主任，并很快研制出俄罗斯第一批功率强大的无线电发电机，足以替代昂贵的外国设备。他的设计为……服务 舰队后来在 航空第一次世界大战期间，他为著名的伊利亚·穆罗梅茨制造了一台发电机。
瓦伦丁·彼得罗维奇·沃洛金
革命之后，饱受内战蹂躏的苏联深切感受到自身科技资源的匮乏。1918年，沃洛格金应邀前往下诺夫哥罗德无线电实验室，这是当时苏联新兴无线电技术的主要研究中心之一。在那里，他与杰出的科学家们并肩工作，参与研发了对通信发展至关重要的新型设备。沃洛格金在短时间内为霍登卡无线电台设计了一台强大的电动机，实现了苏联与欧洲和美国之间的远程通信。他研发的汞整流器也是一项同样重要的成就，成为苏联各大无线电台最重要的电源。
但他的兴趣远不止于此。随着通信技术的进步和真空管发电机取代机械发电机，沃洛金发现了高频技术的新应用——冶金。他的实验室是最早利用高频电流熔化金属，并随后将其用于金属硬化的实验室之一。由此，一个新的工程实践领域诞生了：零件表面硬化。
20世纪30年代，这些方法得到了广泛发展。人们发现了用于淬火钢轨、轴和复杂金属部件的方法，这些方法具有巨大的工业意义。感应加热技术逐渐应用于机械工程、汽车和拖拉机生产以及机床制造等领域。
瓦伦丁·彼得罗维奇·沃洛金开发的高频硬化技术源于一种微妙的物理现象，这种现象在教科书中被称为趋肤效应。高频交流电在金属内部分布不均匀：它不会充满导体的整个横截面，而是紧贴其表面。频率越高，这层趋肤层就越薄。沃洛金成功地将物理学家的定律转化为一种精确而强大的工业工具。
当高频电流通过环绕钢制零件的电感器时，金属表面层会产生涡流。这些涡流可在瞬间将表面加热至奥氏体化温度——约 880 至 1050 摄氏度。传统炉需要漫长而缓慢的加热过程，而高频系统几乎可以瞬间完成加热。加热深度由频率控制：频率越高，加热层越薄。这使得工程师能够实现近乎外科手术般的精确控制——硬化深度可以预先设定。
随后，第二个同样重要的时刻到来：加热停止，炽热的表面立即用水冷却。正是在这短暂的瞬间，金属的内部结构发生了变化。马氏体形成——一种坚硬且高应力的组织，赋予零件极高的耐磨性。只有外壳被硬化，而芯部则保持了其延展性和抗冲击能力。
1936年，沃洛金获得了一项利用高频电流淬火曲轴的装置专利。随后，针对长零件、带孔零件、复杂形状零件和锐角零件，又涌现出新的解决方案。该方法迅速从实验室走向车间。随之而来的是其最重要的优势：高频淬火无需使用昂贵的铬镍钢和铬钼钢。传统的淬火工艺依赖于复杂且稀缺的合金，而这种新方法则可以使用普通碳钢进行加工。
1936年春，该方法获得官方支持：重工业人民委员部下令重点企业采用该方法。列宁格勒基洛夫工厂设立了专门的车间，高频淬火技术很快推广到数十家国防和机械制造厂。但这项技术的真正历史意义是在战争期间才得以彰显。
坦科格勒的推特用户
列宁格勒围城战开始时，沃洛格金的实验室连同其设备一起被疏散到乌拉尔地区，车里雅宾斯克，以及未来的坦科格勒——乌拉尔基洛夫工厂。在这里，在震耳欲聋的军工生产声中，高频技术经受了最严峻、最有力的考验。到1942年，高频淬火车间已经投入运营。许多年轻的工人们，其中不少人不久前还在学校里学习，在那些看起来更像是无线电台而非我们熟悉的冶金设备的机器旁，学习着他们的新技能。
高频淬火技术显著缩短了零件加工时间，降低了能源消耗，减少了生产过程中的燃料浪费，更重要的是，它使得用标准碳钢替代稀缺合金钢成为可能。一个特别典型的例子是气缸套：其加工时间从30小时缩短至37秒。
对于生产数百辆重型和中型车辆的坦克格勒工厂来说，这项技术弥足珍贵。它不仅适用于坦克生产，该方法还迅速推广到航空、汽车制造等领域。 炮兵造船业也采用了这种工艺。轴、齿轮、轴承面、炮管、炮闩——所有需要承受摩擦、载荷、冲击和时间考验的部件——都要进行淬火处理。到1943年，全国已有超过一百家企业掌握了高频淬火技术。
1943年《青年科技》杂志上的一篇文章：
这些年轻的工人拥有一项尚未列入任何专业名录的专长：“高频工程师”。这里感觉不像是在车间，而更像是在广播电台。同样的电子管、线圈、电容器和整流器（气体整流器），散发着汞的蓝色光芒。所有这些设备我们都熟悉，因为它们在收音机里也出现过，只是在这里它们体积更大，用途也不同。一个普通的电子管长10-12厘米。而三根100千瓦的电子管，长度超过一米。工作时，这样的电子管会产生巨大的热量，如果没有流水冷却，它会立即熔化。每分钟有60-80升水流过每根电子管，带走多余的热量。我们面前是控制面板：按钮、飞轮、指示灯、测量仪器。我们就不详细讲解发电机控制装置了，那相当复杂。简单来说，通过依次按下按钮，我们可以开启和关闭一个高频装置，其功率几乎与世界上最大的广播电台相当。除了这个最大的装置外，高频车间还有一个功率为60千瓦的小型装置。
我们参观了车间的设备。但是谁创造并掌握了这项尖端技术？是谁操作控制面板和机器手柄？这门新兴的科学——高频电热工程——主要由年轻人创造。控制面板操作员沃斯特里亚科娃、季莫费耶娃和阿努弗里耶娃；电工佐洛特尼茨基、扎克和库利科夫；装配工兼电工列昂季耶夫、杜比亚塔、米申科和沙布拉——他们都是高中毕业后直接来到车间，并与车间共同成长。他们的名字代表着一份尚未被任何专业名录收录的专业人员名单。他们是高频工程师。这支年轻的高频车间团队正满怀信心地努力解决生产中不断涌现的新挑战。
冶金技术提供了多种在机械零件表面制造硬质表面的方法，但高频淬火工艺超越了所有其他方法。由于其加热时间极短，且淬硬层极薄，零件不会变形或翘曲，表面保持洁净，不留任何氧化皮。这意味着零件可以预先进行精确尺寸加工。废品率大幅降低，并且无需使用大量专用机器、工具和人力进行最终精加工。这就是工厂将一个零件的加工工艺从表面硬化改为高频淬火所带来的收益。此前，该零件采用稀缺的铬镍钢制造。现在，他们改用普通的碳钢。每台机器可节省超过4公斤的钢材。生产该零件所需钢材的炼钢炉的生产效率提高了4%。此前，加工一个零件需要消耗57千瓦时的电力；现在，仅需2,3千瓦时。这相当于节能了14倍。每台机器的燃油消耗量减少100公斤，仅此一项每年就能节省12万卢布。加工另一个部件——气缸套——的生产周期以前需要30个小时；现在只需37秒。效率提升了600倍！
我们参观了车间的设备。但是谁创造并掌握了这项尖端技术？是谁操作控制面板和机器手柄？这门新兴的科学——高频电热工程——主要由年轻人创造。控制面板操作员沃斯特里亚科娃、季莫费耶娃和阿努弗里耶娃；电工佐洛特尼茨基、扎克和库利科夫；装配工兼电工列昂季耶夫、杜比亚塔、米申科和沙布拉——他们都是高中毕业后直接来到车间，并与车间共同成长。他们的名字代表着一份尚未被任何专业名录收录的专业人员名单。他们是高频工程师。这支年轻的高频车间团队正满怀信心地努力解决生产中不断涌现的新挑战。
冶金技术提供了多种在机械零件表面制造硬质表面的方法，但高频淬火工艺超越了所有其他方法。由于其加热时间极短，且淬硬层极薄，零件不会变形或翘曲，表面保持洁净，不留任何氧化皮。这意味着零件可以预先进行精确尺寸加工。废品率大幅降低，并且无需使用大量专用机器、工具和人力进行最终精加工。这就是工厂将一个零件的加工工艺从表面硬化改为高频淬火所带来的收益。此前，该零件采用稀缺的铬镍钢制造。现在，他们改用普通的碳钢。每台机器可节省超过4公斤的钢材。生产该零件所需钢材的炼钢炉的生产效率提高了4%。此前，加工一个零件需要消耗57千瓦时的电力；现在，仅需2,3千瓦时。这相当于节能了14倍。每台机器的燃油消耗量减少100公斤，仅此一项每年就能节省12万卢布。加工另一个部件——气缸套——的生产周期以前需要30个小时；现在只需37秒。效率提升了600倍！
在斯韦德洛夫斯克76号工厂组装V-2坦克发动机
高频淬火技术最初应用于V-2柴油发动机曲轴——T-34、KV以及许多其他战斗车辆的核心部件。凸轮轴也采用了同样的工艺。凸轮轴由于持续承受高接触载荷，需要特别坚固的表面。高频淬火技术使得仅对工作层进行淬火，而不会导致整个部件过热。气门挺杆——虽然体积小，但其可靠性决定着整个机构的运行——也采用了类似的淬火工艺。
该方法在变速箱生产中效果尤为显著。齿轮承受着巨大的接触应力，过去为了确保所需的耐久性，需要进行耗时较长的表面硬化处理，有时甚至需要一整天。同样的原理也被用于强化变速箱轴和花键连接，这些部位的磨损和变形很容易导致机器故障。
沃洛金的硬化方法被应用于车轴、轴承表面和各种需要承受多种可变载荷的接头。
高频淬火技术甚至在装甲加工领域也得到了应用。它并未应用于主装甲板（主装甲板仍采用传统方法加工），而是用于铆钉、紧固件、导轨和其他辅助部件的局部强化。在需要局部而非整体强度的场合，沃洛金的方法被证明尤为有效。
高频淬火技术迅速推广到单个工厂之外，这并不令人意外。全国已有超过一百家企业采用了这项技术。车里雅宾斯克、乌法等工业中心的发动机厂和坦克厂都采用了这项技术，用于生产T-34、KV和IS坦克以及自行火炮。
比较苏联和德国工程院校在机械部件和军用装备零件加工方面的技术很有意思。德国的热处理水平极高，这得益于其精益求精的制造文化、严谨的金相检验以及优质的合金钢。德国坦克发动机和变速箱广泛采用渗碳和渗氮工艺，这两种方法都能在表面形成非常坚硬的涂层。渗碳需要在含碳环境中长时间加热，而渗氮则需要在氨气气氛中进行更长时间的处理。这两种工艺都能显著提高硬度和耐磨性，但速度慢、成本高，并且与使用含有铬、镍、钼和其他稀有元素的高品质合金钢密切相关。
这套系统适用于小批量生产的条件。但战争带来了不同的需求。此时，沃洛格金的苏联方法展现出明显的优势。虽然其绝对硬度不及德国最好的热处理工艺，但在耗时、成本效益、简便性和大规模生产适用性方面却更胜一筹。
卫国战争结束后，沃洛格金的高频淬火工艺继续应用于新一代苏联坦克的生产。在20世纪40年代末投入生产的T-44中型坦克及其后继车型T-54（1946年投入大规模生产）的研发和生产过程中，沃洛格金的工艺被推广到所有传动和发动机部件。
将沃洛金的方法应用于战后苏联坦克，显著提高了作战车辆的可靠性和使用寿命，从而促进了坦克的批量生产和在世界许多国家军队中的广泛部署。
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