表面感应加热淬火
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表面感应加热淬火
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2
表面感应加热淬火简述
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3
工件在交变磁场作用下产生 了较高的感应电势并在表面 形成涡流，利用感应电流在 零件表面产生的热效应而使 零件加热称为感应加热；将 感应加热后的零件快速冷却 的淬火工艺称为感应加热淬 火。
感应加热淬火的优缺点
工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定；加热速度快， 热效率高，生产率高；易实现机械化和自动化。
成本较高；尖角效应；对一些形状复杂的零件而言，难以保 证得到均匀的表面淬火层。
14
感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感 应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点：
功率密度 （102W×cm
-2）
工频
50
0.1~1
中频
<10
<5
高频、超 20～1000 音频
2～10
超高频脉 冲
27120
100～300
7
感应加热的原理
（a）电磁感应：当工件放在通有交变电流的感应圈中时，受到交变磁场作 用，其表面产生感应电动势：
e K d dt
涡流——零件在感应电势的作用下产生的电流。
800 500 / f
冷态电流透入深度
热态电流透入深度
▲可见，频率愈高，电流透入深度愈浅；频率不变时，温度超 过居里点以后，电流透入深度显著增加。
11
标准感应加热控制系统示意图
高压桥 TA
低压桥起动条件
低压桥
656VAC
S300
全控
来自S300
半控
来自S300
PROFIBUS
来自S300
逆变器 负载电路
15
感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辊等工件的表面 淬火，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽 车后半轴采用感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次数 比用调质处理约提高10倍。
感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组 成。
电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。一般电源设 备只能输出一种频率的电流。
从式中看出：x=0时， Ix=I0
x >0时，Ix<I0
x=Δ时, Ix=I0/e＝0.368I0 工程上规定：当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强
度的36.8％即I0/e时，该处到表面的距离Δ称为电流透入深 度，用δ表示。
9
δ的大小与金属的电阻率（ρ），相对磁导率Ur=u/u0和电 流频率（f）有关：
对钢而言简化为：
2 u0u 50300
uf
由式可见：电流透入深度随着工件材料电阻率的增加而增加， 随材料的导磁率及电流频率的增加而减小。
频率越高，电流透入深度越浅；当频率不变时，温度超过 居理点以后，电流透入深度显著增加。
10
生产上可简化为：
▲ 20℃时 ▲ 800 ℃时
20 20 / f
6
常用的电流频率有：
高频加热：200～300KHZ，淬 硬层深为0.5～2mm，适于中 小型零件。
中频加热：2500～8000HZ， 淬硬层深度2～5 mm。适于 较 大直径的轴类、中大齿轮 等。
工频加热：50HZ，淬硬层深 可达10～15mm，适于大直径 工件的表面淬火。
加热方法
频率 （KHz）
1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高
2.工件因不是整体加热，变形小
3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少
4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐 磨性等均有很大提高。有利于发挥材料的潜力，节约材料消耗，提高 零件使用寿命
5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好
6.便于机械化和自动化
7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。
IMF
S300
U S300MF
P.L.C.CABUET
TF300
P2 P1
J8 J7
JP24
JP23
S300A
J6
J5
J4
J3
J22
J2
J1
AL300
12
表面感应加热淬火应用
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13
表面感应加热淬火可以改善工作环境、提高工人劳动环境和 公司形象、无污染、低耗能。感应加热炉与煤炉相比，工人 不会再受炎炎烈日下煤炉的烘烤与烟熏，更可达到环保部门 的各项指标要求，同时树立公司外在形象与锻造业未来的发 展趋势。
1-加热淬火 层 2-间隙 3-工件 4-加热感应 圈 5-淬火喷水 套
5
感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频 (27MHz)、高频(200-250kHz)、中频(2500～8000Hz)和工 频(50Hz)。由于电流频率不同，加热时感应电流透人深度 不同。使用高频时，感应电流透入深度很小（约0.5mm）， 主要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火[3]；使用 中频时．感应电流透人深度（约5～10 mm）t主要用于中、 小模数的齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火；使用超高频时， 感应电流透人深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表 面淬火；使用工频时，电流透人深度较大(超过10mm)，主 要用于冷轧辊表面淬火。
表面淬火是热处理的一种工 艺，仪对零件的表面进行处 理，以达到改善零件表面的 性能，而保持心部的性能不 变。
4
将工件放在感应线圈中，当 感应线圈通以交流电后，线 圈内即形成交流磁场，在零 件中引起闭合电流即涡流， 并由于集肤效应而集中分布 于工件表面，使工件表面温 度迅速加热到钢的相变临界 温度以上，然后在冷却介质 中快速冷却，使工件表面获 得马氏体。
电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工 件，应使用电流频率较低的电源设备；加热层浅的工件，应使 用电流频率较高的电源设备。
16
选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积增大， 需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电源功 率不足时，可采用连续加热的方法，使工件和感应器相对移 动，前边加热，后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次 加热（同时加热），这样可以利用工件心部余热使淬硬的表 层回火，从而使工艺简化，还可节约电能。
If
e Z
e
R
2
X
2 L
Q 0.24I f 2 R t
（b）表面效应（集肤效应）
定义：涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小而相应减小的 规律。
8
离表面x处的涡流强度为：
x
Ix I0e
式中Io——表面最大的涡流强度（A）
c p x——到零件表面的距离（cm） 2 f 与材料物理性质有关的系数
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表面感应加热淬火简述
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工件在交变磁场作用下产生 了较高的感应电势并在表面 形成涡流，利用感应电流在 零件表面产生的热效应而使 零件加热称为感应加热；将 感应加热后的零件快速冷却 的淬火工艺称为感应加热淬 火。
感应加热淬火的优缺点
工件表面氧化、脱碳小，变形小，质量稳定；加热速度快， 热效率高，生产率高；易实现机械化和自动化。
成本较高；尖角效应；对一些形状复杂的零件而言，难以保 证得到均匀的表面淬火层。
14
感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感 应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点：
功率密度 （102W×cm
-2）
工频
50
0.1~1
中频
<10
<5
高频、超 20～1000 音频
2～10
超高频脉 冲
27120
100～300
7
感应加热的原理
（a）电磁感应：当工件放在通有交变电流的感应圈中时，受到交变磁场作 用，其表面产生感应电动势：
e K d dt
涡流——零件在感应电势的作用下产生的电流。
800 500 / f
冷态电流透入深度
热态电流透入深度
▲可见，频率愈高，电流透入深度愈浅；频率不变时，温度超 过居里点以后，电流透入深度显著增加。
11
标准感应加热控制系统示意图
高压桥 TA
低压桥起动条件
低压桥
656VAC
S300
全控
来自S300
半控
来自S300
PROFIBUS
来自S300
逆变器 负载电路
15
感应加热广泛用于齿轮、轴、曲轴、凸轮、轧辊等工件的表面 淬火，目的是提高这些工件的耐磨性和抗疲劳破断的能力。汽 车后半轴采用感应加热表面淬火，设计载荷下的疲劳循环次数 比用调质处理约提高10倍。
感应加热热处理的设备主要由电源设备、淬火机床和感应器组 成。
电源设备的主要作用是输出频率适宜的交变电流。一般电源设 备只能输出一种频率的电流。
从式中看出：x=0时， Ix=I0
x >0时，Ix<I0
x=Δ时, Ix=I0/e＝0.368I0 工程上规定：当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强
度的36.8％即I0/e时，该处到表面的距离Δ称为电流透入深 度，用δ表示。
9
δ的大小与金属的电阻率（ρ），相对磁导率Ur=u/u0和电 流频率（f）有关：
对钢而言简化为：
2 u0u 50300
uf
由式可见：电流透入深度随着工件材料电阻率的增加而增加， 随材料的导磁率及电流频率的增加而减小。
频率越高，电流透入深度越浅；当频率不变时，温度超过 居理点以后，电流透入深度显著增加。
10
生产上可简化为：
▲ 20℃时 ▲ 800 ℃时
20 20 / f
6
常用的电流频率有：
高频加热：200～300KHZ，淬 硬层深为0.5～2mm，适于中 小型零件。
中频加热：2500～8000HZ， 淬硬层深度2～5 mm。适于 较 大直径的轴类、中大齿轮 等。
工频加热：50HZ，淬硬层深 可达10～15mm，适于大直径 工件的表面淬火。
加热方法
频率 （KHz）
1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高
2.工件因不是整体加热，变形小
3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少
4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐 磨性等均有很大提高。有利于发挥材料的潜力，节约材料消耗，提高 零件使用寿命
5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好
6.便于机械化和自动化
7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。
IMF
S300
U S300MF
P.L.C.CABUET
TF300
P2 P1
J8 J7
JP24
JP23
S300A
J6
J5
J4
J3
J22
J2
J1
AL300
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表面感应加热淬火应用
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13
表面感应加热淬火可以改善工作环境、提高工人劳动环境和 公司形象、无污染、低耗能。感应加热炉与煤炉相比，工人 不会再受炎炎烈日下煤炉的烘烤与烟熏，更可达到环保部门 的各项指标要求，同时树立公司外在形象与锻造业未来的发 展趋势。
1-加热淬火 层 2-间隙 3-工件 4-加热感应 圈 5-淬火喷水 套
5
感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频 (27MHz)、高频(200-250kHz)、中频(2500～8000Hz)和工 频(50Hz)。由于电流频率不同，加热时感应电流透人深度 不同。使用高频时，感应电流透入深度很小（约0.5mm）， 主要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火[3]；使用 中频时．感应电流透人深度（约5～10 mm）t主要用于中、 小模数的齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火；使用超高频时， 感应电流透人深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表 面淬火；使用工频时，电流透人深度较大(超过10mm)，主 要用于冷轧辊表面淬火。
表面淬火是热处理的一种工 艺，仪对零件的表面进行处 理，以达到改善零件表面的 性能，而保持心部的性能不 变。
4
将工件放在感应线圈中，当 感应线圈通以交流电后，线 圈内即形成交流磁场，在零 件中引起闭合电流即涡流， 并由于集肤效应而集中分布 于工件表面，使工件表面温 度迅速加热到钢的相变临界 温度以上，然后在冷却介质 中快速冷却，使工件表面获 得马氏体。
电源设备的选择与工件要求的加热层深度有关。加热层深的工 件，应使用电流频率较低的电源设备；加热层浅的工件，应使 用电流频率较高的电源设备。
16
选择电源设备的另一条件是设备功率。加热表面面积增大， 需要的电源功率相应加大。当加热表面面积过大时或电源功 率不足时，可采用连续加热的方法，使工件和感应器相对移 动，前边加热，后边冷却。但最好还是对整个加热表面一次 加热（同时加热），这样可以利用工件心部余热使淬硬的表 层回火，从而使工艺简化，还可节约电能。
If
e Z
e
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X
2 L
Q 0.24I f 2 R t
（b）表面效应（集肤效应）
定义：涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小而相应减小的 规律。
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离表面x处的涡流强度为：
x
Ix I0e
式中Io——表面最大的涡流强度（A）
c p x——到零件表面的距离（cm） 2 f 与材料物理性质有关的系数