第七章感应热处理设备-课十九

按工作频率的不同，分为：高、超音频、中频、工频感应加热设备
(1)工频感应加热设备。
感应器直接与供电网路连接，频率为50 Hz，
淬硬层深度可大于10mm，适用于大型工件(例如
冷轧辊)的表面淬火、大中型工件或毛坯的穿透加
热。
(2)中频感应加热设备。
通常是指500~10000Hz的变频设备，它是将
50Hz的工频交流电转换成上述频率范围，淬硬层
降低到其数值等于表面最大涡 流强度的0.368倍时，该处到 表面的距离就称做电流透入深 度。
2.邻近效应 两个通过交流电流的导 体彼此相距很近时，则每个 导体内的电流将重新分布， 如图9—2所示。
电流瞬时方向相反时，则最大电流密度就出现在两导 体相邻的一面； 当导体内电流的瞬时方向相同，则最 大电流密度将出现在两导体相背的一面。
热处理设备
主讲教师：范涛
北华航天工业学院 金属材料工程教研室
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课十九 第七章 感应加热设备
本章主要内容： § 9 —1 感应热处理的基本原理 § 9 —2 感应热处理设备的选择 § 9 —3 感应器设计概要 § 9— 4 淬火机床及其它表面加热装置简介
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表面热处理可以提高产品质量、缩短生产周期 和改善劳动条件，提高生产组织水平。目前应用 最广泛的是感应热处理。它适用机械化大生产， 可通过计算机控制实现无人操作。
这种电流向一侧集中的现象叫邻近效应。导体内 电流的频率越高，导体间距越小，邻近效应越明显。
3.圆环效应 当交变电流通过环形导体时，电流在导体横截面
上的分布将发生变化，此时电流仅仅集中在圆环的内 侧，这种现象叫圆环效应(点击)。圆环的曲率半径越小， 径向宽度越大，圆环效应也越显著。

4.尖角效应 当感应器与工件间的距离相同，在工件尖角处的加热
(9 — 5）
式中：P—设备的总功率(kw) ；
η —设备的效率(%)；
F —工件的加热面积(cm2 ) 。
工件单位面积功率是计算工件加热总功率和选择设备
的依据。它与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频
零件感应电流 的方向与感应 器中电流的方 向相反。
图9—1感应加热示意图 1—零件；2—感应器；3—磁力线
感应电动势的瞬时值为
e d （V）
dt
（9 — 1）
式中：
d — 是磁通对时间的变化率，
dt
负号表示感应电动势方向与 d 方向相反。
dt
二、中、高频电流的特点 1．集肤效应
由于工件内存在着电动势，从而产生闭合电流，称之 为涡流。涡流的分布是不均匀的，由工件表面向心部呈指 数规律衰减，距离表面为χ处的强度为
强度远较其它光滑部位强烈，往往会造成过热，这种现象 称为尖角效应。尖角效应是由于磁力线易于集中在尖角处， 感应涡流较大的缘故。
§9—2 感应热处理设备的选择
一、感应热处理设备的分类及特点 感应加热可用于淬火、回火、正火、调质、透热等。 感应加热设备的分类：按变频方式分为电子管变频设
备、机式变频设备、半导体(可控硅)变频设备和工频设备
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（3）感应调质设备
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中频透热炉
二、感应加热设备频率的选择
根据集肤效应，工程上规定当Ix降至I0 的 1/e=0.368 （e=2.718）处的电流深度为电流透入深度，用δ表示，
在钢铁材料中，热态电流的透入深度比冷态电流透人深度
大几十倍，钢铁材料在800~900℃范围内的透入电流深度
为：
热
500 f
Ix
I0 exp(
2
c
f x) （A）（9 — 2）
式中：I0—表面的涡流强度(A)； c—光速(m / s)； ρ—工件材料的电阻率(Ω﹒mm2/m)；
μ—工件材料的导磁率(H/m)；(亨利/米）
χ—距工件表面的距离(c m)； f —电流的频率(Hz)。
交流电流通过导体时，在导体表面电流最大，越向内 部电流密度越小的现象称为集肤效应。电流频率越高，集 肤效应越显著。在工程上规定，当涡流强度从表面向内层
范围之内，即
1.5 104
2
f
2.5 105
2
(9 — 4）
按(9— 4)式可计算出不同的电流频率和淬硬层深度关系如表9—2所 示。
二、感应加热设备功率的确定
在生产上，感应加热设备的功率计算有多种方法，有
额定功率、输出功率和总功率等。在这里给出工件单位面
积功率P0的概念，其表达式为：
P0
P
F
(kW / cm2 )
（mm）
（9 — 3）
感应加热时，频率越高，电流透入深度δ热越小，则淬 硬层深度χ也越浅。反之，加热设备频率f 越小，δ热越大. 则χ越深。如果δ热<<χ，加热时热量只集中于表层，要靠 热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但设备
功率可以小。如果δ热≥χ，加热快，表面
辐射损失小,过渡层浅，根据经验，设备频率应在一定的
深度在5mm左右。适用于中小型工件的表面淬火和毛坯
的穿透加热、金属的熔炼等。
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(3)高频感应加热设备。 利用电子管振荡器将工频转换成100~300kHz或更高频 率的一种变频设备。利用这种高频电流电源设备将 高频电流输入感应器中加热工件，淬硬层在3 mm 以下，适用于大多数工件的表面淬火、金属的熔炼 等。为了使中等模数齿轮、凸轮轴的凸轮实现沿轮 廓淬火又出现频率为20~70kHz的超音频感应加热设 备和高频与超音频双频输出的设备。
§ 9—1感应热处理的基本原理 一、感应加热基本原理
将工件放在感应器中，当感应器中通过中、高 频交变电流时，在其内部产生交变磁场，由交变 磁场激发的感应电势将在工件的内部产生与加热电 流方向相反的感应电流,这种电流又称涡流。
因为工件材料的电阻很小，所以不大的感应电势便造成强 度很大的涡流，从而释放出大量的焦耳热，使工件表面层 温度迅速升高，将工件加热。 如图9 —1所示。
有关感应加热设备的频率和主要特征如表9—1所示。
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按用途分以下几类
（1）感应熔化设备
用途：主要应用于熔炼钢、铁、铜、铝及合金等，具有熔化 效率高，节电效果好，金属成份均匀，烧损少，温升快，温 度容易控制等特点，适合各种金属熔炼场合
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（2）感应加热设备
用途：锻前加热：应用于齿轮、齿圈、半轴连杆、轴承、卸 扣、索具等产品锻前加热工艺；在线加热：管道防腐喷涂、 棒料蓝脆下料、钢(丝)管在线调质等工艺；局部加热：U型栓 折弯、滚筒热装配、钢管弯管等生产加热工序