淬火感應(yīng)器的選用設(shè)計與制造

1、一 基礎(chǔ)知識和基本概念本章介紹了電磁感應(yīng)、表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)、導(dǎo)磁體槽口效應(yīng)以及表面感應(yīng)淬火的頻率選擇、比功率選擇等多方面的基礎(chǔ)知識和一些重要的概念。理解和掌握這些知識，對于表面淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計是十分必要的，對于使用和維護感應(yīng)加熱設(shè)備的技術(shù)人員、工人也是需要這方面的知識。l 電磁感應(yīng)與感應(yīng)加熱導(dǎo)體有電流通過時，在其周圍就同時產(chǎn)生磁場。磁場強度的大小與方向，決定于導(dǎo)體中電流的大小和方向。對于螺管線圈的導(dǎo)體，當(dāng)電流強度I 的單位為A 、線圈的高的單位為二時，磁場強度H 為： H= （A/m） （1）式中 n 線圈匝數(shù)。對于通有電流的長直導(dǎo)線而言，環(huán)繞其周圍的磁力線是若干個同心圓

2、，當(dāng)電流強度I 的單位為A 時，各同心圓上磁場強度H 為：H = （A/m） （2）式中r 導(dǎo)線周圍各點到導(dǎo)線的垂直距離m。每根磁力線都是環(huán)繞電流的閉合線，無起點終點之分。磁力線的方向用右手螺旋法則確定。圖1 是螺旋線圈及其磁力線分布示意圖。圖2 是單根長直導(dǎo)線中電流及其周圍磁力線分布示意圖。 圖1 螺旋線圈及其磁力線分布示意圖 圖2 單根長直導(dǎo)線中的電流及其周圍磁力線分布示意圖磁場的強弱還可以用另一個物理量表示，即磁感應(yīng)強度B , 它與磁場強度H 有關(guān)，也與介質(zhì)的導(dǎo)磁特性有關(guān)，其表達式為：BH ( T ) ( 3 ) 式中 磁導(dǎo)率（H/m）。它表征磁介質(zhì)被磁化程度的量，是衡量各種物質(zhì)導(dǎo)磁性能

3、好壞的物理量。由實驗確定真空的磁導(dǎo)率0為：04×10-7 ( H / m ) 為了便于比較各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能，需要引入相對磁導(dǎo)率的概念。任何一物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率0的比值叫相對磁導(dǎo)率r：r = /0 (4) = r0 (5)相對磁導(dǎo)率為無量綱的物理量，它說明在相同的條件下，任一物質(zhì)的磁感應(yīng)強度是真空中的多少倍。根據(jù)各種物質(zhì)導(dǎo)磁性質(zhì)的情況，可將物質(zhì)分為三種類型。磁導(dǎo)率比真空的磁導(dǎo)率0稍大一點的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如空氣、鉛、錫等，它們的相對磁導(dǎo)率r值在1.000 0031.000 014 之間，磁導(dǎo)率比真空的磁導(dǎo)率0略小一點的物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如氫、銅、石墨、銀、鋅等，它們的相對

4、磁導(dǎo)率r值在0.999 9950.999 97之間。磁導(dǎo)率遠大于真空的磁導(dǎo)率0的物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)，如鐵、鋼、鑄鐵、鎳、鉆等，它們的相對磁導(dǎo)率r大到幾百至幾千，而且不是常數(shù)。例如，鋼的溫度超過居里點（磁性轉(zhuǎn)變點）770，其磁導(dǎo)率下降為1。在電流強度等條件相同的情況下，鐵磁性物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場比順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)中的磁場強幾千甚至幾萬倍以上。工廠中用于感應(yīng)加熱的零件材料一般都由鐵磁物質(zhì)構(gòu)成。圖3 是室溫下工業(yè)純鐵與不同成分的鋼的磁導(dǎo)率產(chǎn)隨磁場強度H 的變化曲線。圖3 室溫下磁導(dǎo)率產(chǎn)與磁場強度H 的關(guān)系1一工業(yè)純鐵2一含C 0.3的鋼3一含C 0.45的俐4一含C 0.6的例5一含C 0.83

5、的鋼注：10e79.6A/m在磁場里，垂直穿過某一橫截面積s 的磁力線根數(shù)叫做傲通量確，用下式表示：BS HS ( Wb) ( 6 ) 當(dāng)線圈中通有交變電流時，在線圈的內(nèi)部及其周圍就產(chǎn)生一個交變磁場，置于線圈內(nèi)部的工件就被交變磁場的磁力線所切割，于是在鐵磁材料的工件上將有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，并在電動勢作用下產(chǎn)生渦流（見圖4）。圖4 零件在交變磁場中產(chǎn)生渦流按電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢e可用下式求得：e= ( 7 ) 由于感應(yīng)加熱的電流是按正弦規(guī)律變化：I = Imsin2ft所以該電流所產(chǎn)生的磁通的變化也遵循正弦規(guī)律變化：=msin2ft =m2fcos2ft于是得感應(yīng)電動勢e： e=-m2fcos

6、2ft (8) 零件中渦流回路的阻抗Z 按下式計算：Z (9) 式中R渦流回路電阻，XL渦流回路感抗。則渦流強度i等于：i= （A） (10) 由于Z通常很小，i自然很大，使渦流回路產(chǎn)生很大熱量，其熱量可由焦耳一楞次定律確定：Q = i2Rt ( J ) (11) 進行感應(yīng)加熱主要依靠這種熱量，其次磁性材料的“磁滯現(xiàn)象”也能引起一定的熱效應(yīng)。2 表面效應(yīng)（集膚效應(yīng)）當(dāng)直流電通過導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的，即各處電流密度相等。但是，當(dāng)交流電通過圓柱導(dǎo)體時，電流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，當(dāng)電流頻率相當(dāng)高時，導(dǎo)體的中心可以沒有電流，而全部集中在導(dǎo)體的表面層，這種現(xiàn)象稱為高頻

7、電流的表面效應(yīng)，如圖5 所示。產(chǎn)生表面效應(yīng)的根本原因是交流電通過導(dǎo)體時產(chǎn)生與外加電動勢方向相反的自感電動勢，而自感電動勢在圓柱導(dǎo)體中心最強、表面最弱，因此使電流趨向表面。圖5 高頗電流的表面效應(yīng)由于表面效應(yīng)的作用，導(dǎo)體橫截面上的電流密度從表面到中心按指數(shù)規(guī)律遞減，距表面z 處的電流I 二由式（12）確定：Iz (12)式中I0表面電流的最大值；c光速；導(dǎo)體材料的磁導(dǎo)率；導(dǎo)體材料的電阻率；f電流頻率。在工程上，以Iz的幅值降到I0的1 /e (e= 2.178，則1/e36.79%）處的深度為電流透入深度，并用表示（見圖5)，用式（13）進行計算。= (mm) (13)由式（13）可知，電流透入

8、深度與、f有關(guān)，當(dāng)增大，、f減小時，f將增大。鐵磁性的工件放在感應(yīng)器中，感應(yīng)器通入高頻交流電流，于是在工件表面出現(xiàn)渦流。渦流是由進入工件的交變磁場引起的，而磁場從工件的表面到心部也是按指數(shù)曲線衰減，因此渦流的最大值也集中在工件的表面，這也同樣稱做表面效應(yīng)。由式（11）可知，熱量Q與渦流強度i的平方成正比，所以熱量的最大值也發(fā)生在工件的表面層。由理論計算得知，電流透入深度J 層內(nèi)所發(fā)生的熱量占渦流所發(fā)生全部熱量的86.5%。到表面的距離圖6 渦流的分布和表層熱量的關(guān)系。圖6 表示了渦流的分布與表面層所發(fā)生熱量的關(guān)系。鋼鐵材料在感應(yīng)加熱過程中，其P 和產(chǎn)是變化的。電阻率P 同磁場強度無關(guān)，但卻隨溫

9、度上升而增大。磁導(dǎo)率I ，不僅與磁場強度有關(guān)（見圖3 ) ，而且與材料的溫度有關(guān)，當(dāng)溫度上升到居里點時減小到1。例如，含C0.8 %的碳鋼從室溫20升高到800時，電阻率由2010-5·cm升高到80010-4·cm，而磁導(dǎo)率由20100 降到800=l。從式（13）可以看出，當(dāng)電流頻率f 不變時，由于和的變化可以有不同的電流透入深度，材料在室溫下的電流透入深度稱為冷態(tài)電流透入深度，用20或冷表示。由子此時和基本是定值，20只與頻率f有關(guān)： 紫銅的冷態(tài)電流透入深度：20 （mm） ( 14 ) 結(jié)構(gòu)鋼的冷態(tài)電流透入深度：20 （mm） ( 15 )材料在高溫時的電流透入深度

10、稱為熱態(tài)電流透入深度，例如1000 時的熱態(tài)電流透入深度用1000或熱表示。這是感應(yīng)淬火選擇頻率時的重要參數(shù)。此時由于與已是定值，所以1000也只與頻率f有關(guān)，對于結(jié)構(gòu)鋼可用式（16）、式（17）計算： 1000 ( mm ) ( 16 ) 800 ( mm ) ( 16 ) 圖7 是鋼的和與溫度的關(guān)系曲線。圖7 鋼的、與溫度的關(guān)系示意圖表1 是不同材料在不同溫度不同電流頻率下的電流透入深度。表1 各種材料在率同電漣級率卞的電流透入深度材料溫度電阻率×106·cm磁導(dǎo)率H/m在下列電流頻率時（Hz）電流投入深度（mm）501032.5×1038×1031

11、50×103250×103500×103結(jié)構(gòu)鋼2010602.80.640.40.220.050.040.03奧氏體鋼2020132.27.154.52.50.580.460.32結(jié)構(gòu)鋼和奧氏體鋼1000130185.519.012.06.71.551.20.85鋁202.9112.02.71.70.950.210.170.12鋁60011.3124.05.43.41.70.420.340.24紫銅202.019.52.11.340.750.160.130.095黃銅207.0118.74.22.571.480.320.260.19黃銅65014.7127.46.

12、13.862.160.470.390.273 鄰近效應(yīng)兩鄰近的導(dǎo)體，例如兩匯流排或感應(yīng)線圈與被感應(yīng)加熱的零件，在有電流通過的情況下，由于電流磁場的相互作用，在導(dǎo)體上的電流將重新分布，這種現(xiàn)象被稱為鄰近效應(yīng)。圖8 反向及同向交變電流所表現(xiàn)的鄰近效應(yīng)a）反向電流b）同向電流如圖8a 所示的兩根矩形截面的導(dǎo)體通有大小相等、方向相反的交變電流，其鄰近效應(yīng)的表現(xiàn)為電流在兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的表面層流過，導(dǎo)流層的厚度就是電流透入深度。在磁場方面的表現(xiàn)是，兩導(dǎo)體之間磁場強度增強，兩導(dǎo)體的外側(cè)磁場強度減弱。產(chǎn)生這種鄰近效應(yīng)的原因是兩導(dǎo)體之間的總磁通不僅通過中間的空氣，也從導(dǎo)體內(nèi)部通過，所以各條電流線交鏈的磁通量不同，導(dǎo)

13、體外側(cè)的電流線交鏈的磁通比內(nèi)側(cè)的多，因此感應(yīng)電動勢外側(cè)比內(nèi)側(cè)大，致使電流從導(dǎo)體內(nèi)側(cè)通過。如圖8b 所示的兩根矩形截面的導(dǎo)體通有大小相等、方向相同的交變電流，其鄰近效應(yīng)的表現(xiàn)為，電流在導(dǎo)體外側(cè)的表面層流過，導(dǎo)流層的厚度就是電流透入深度。在磁場方面的表現(xiàn)是，兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)磁場互相抵消，強度最弱，而導(dǎo)體外側(cè)磁場疊加，強度最強。產(chǎn)生這種效應(yīng)的原因是兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)電流線所交鏈的磁通大于導(dǎo)體外側(cè)電流線所交鏈的磁通，因此導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的感應(yīng)電動勢大于外側(cè)的感應(yīng)電動勢，使電流趨于外表面。鄰近效應(yīng)不局限于兩矩形截面的導(dǎo)體，兩圓形截面的載流導(dǎo)體同樣也會出現(xiàn)鄰近效應(yīng)，其表現(xiàn)形式與矩形截面的載流導(dǎo)體時的情況相同。同軸電纜導(dǎo)體上電流

14、的分布也決定于鄰近效應(yīng)。同軸電纜，是由中間的圓柱形導(dǎo)體和其外部套著的管子組成，兩者中軸線重合，見圖9 所示。圖中兩條電路，其中電路1 由內(nèi)導(dǎo)體軸線和外導(dǎo)體外表面組成，電路2 由內(nèi)導(dǎo)體表面和外導(dǎo)體內(nèi)壁組成。當(dāng)然電路的末端聯(lián)在一起，使電路閉合。很明顯，沿電路1 中的電流線將比沿電路2 中的電流線交鏈更多的磁通，具有更大的感應(yīng)電動勢，使電流阻抗增加，于是電流只在電路2 通過，形成了同軸電纜的鄰近效應(yīng)。同軸電纜在輸送高頻或中頻電能時，遠比矩形截面或其他截面的導(dǎo)線阻抗小，材料利用率高。圖9 同軸電纜中的鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)在感應(yīng)線圈與被感應(yīng)加熱的零件之間也有表現(xiàn)。圖10 是鄰近效應(yīng)對渦流分布的影響。圖a 表

15、明有效導(dǎo)體是單根圓管用于加熱平板時，平板上的渦流呈圓弧狀，并與圓管導(dǎo)體相對應(yīng)，圖b 表明有效導(dǎo)體是單根方管時，平板上的渦流層是平直的；圖c是圓環(huán)感應(yīng)器用于加熱實心圓柱零件時，間隙各處均等，有效圈上的電流層和零件表面的渦流層均是平直而均等的，圖d 表明圓環(huán)感應(yīng)器內(nèi)零件放斜了，造成間隙各處不等，在間隙小的地方感應(yīng)器上的高頻電流層及零件上的渦流層都比較厚，而間隙大的地方兩者都比較薄。圖10 鄰近效應(yīng)在感應(yīng)加熱時的表現(xiàn)a）單很圓管導(dǎo)線加熱平板 b）單根方管導(dǎo)線加熱平板c）圓環(huán)感應(yīng)器間隙均等時加熱零件 d）圈環(huán)感應(yīng)器間晾不等時加熱零件導(dǎo)體之間的距離越小，鄰近效應(yīng)越強烈（圖11 ) ，電流頻率越高，鄰近效

16、應(yīng)越強烈。高、中頻供電系統(tǒng)的母線和電纜及感應(yīng)器匯流排的設(shè)計都要充分利用鄰近效應(yīng)，在保證絕緣強度的情況下，其間距越小越好，可以明顯地減少回路阻抗。圖11 導(dǎo)體間的距離對鄰近效應(yīng)的影響4 圓環(huán)效應(yīng)圓環(huán)形的導(dǎo)體通入高頻（或中頻）交變電流時所產(chǎn)生的磁場在環(huán)內(nèi)空間集中，環(huán)外分散，見圖12。環(huán)內(nèi)的磁通不僅穿過環(huán)外空間，同時也穿過環(huán)形導(dǎo)體自身，這樣就使環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)交鏈的磁通多于內(nèi)側(cè)，子是環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，迫使電流在環(huán)形導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的電流透入深度層中流過，這種現(xiàn)象稱為高頻電流的圓環(huán)效應(yīng)。圖12 圓環(huán)效應(yīng)用圓環(huán)效應(yīng)也可以解釋螺旋管形多匝線圈中的電流分布情況，電流將沿螺旋管形多匝線圈的內(nèi)側(cè)電流透入深度

17、的層中流過。如果在螺旋管形線圈中放入一個圓柱形的鋼質(zhì)工件，如圖13。當(dāng)線圈中通入高頻電流，由于圓環(huán)效應(yīng)的作用，電流將沿線圈的內(nèi)側(cè)流過。由于磁通集中于線圈內(nèi)部，在圓柱形工件上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即產(chǎn)生電流i2，其方向與i1相反。由于鄰近效應(yīng)的影響，電流i2將沿工件的表面流過，在工件本身則表現(xiàn)為表面效應(yīng)。圖13 多匝螺旋管形線圈中置入圓柱形工件時的電流分布常用的圓柱形零件表面淬火的感應(yīng)器是單匝的，當(dāng)高頻電流通入感應(yīng)器時，由于圓環(huán)效應(yīng)的作用，高頻電流沿感應(yīng)器內(nèi)側(cè)流過，見圖14，所產(chǎn)生的磁通穿過工件表面，并形成感應(yīng)電流使工件加熱。圖14 單匝外圓淬火感應(yīng)器圓環(huán)效應(yīng)還可看成一端連在一起的具有大小相等、方向相

18、反的兩個載流導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)。借助圓環(huán)效應(yīng)原理我們用來解釋，置于同一圓環(huán)導(dǎo)體之中和導(dǎo)體之外的圓柱工件和圓筒工件的加熱效率不同的原因，見圖15。在圓柱工件與圓筒工件和線圈的藕合距離完全相同時，圓柱工件加熱劇烈，升溫很快，而圓筒則加熱緩和，升溫很慢。由于圓柱工件充分利用了加熱線圈的圓環(huán)效應(yīng)，磁通密集，而圓筒則遠離線圈電流，磁通稀疏的緣故。圖15 圓環(huán)線圈之內(nèi)和之外置入圓柱工件和圓筒工件與淬火工件的電流分布bl一俐捧加熱寬度 b2一間原a一鋼筒加熱寬度 一磁力線5 導(dǎo)磁休的槽口效應(yīng)我們把一根載有交變電流的矩形截面的銅制導(dǎo)體放在由“”型硅鋼片疊起的導(dǎo)磁體的槽口之中，由于硅鋼片最高相對磁導(dǎo)率r= 7500

19、，遠超過銅和空氣的相對磁導(dǎo)率，磁阻很小，所以磁通力求在硅鋼片導(dǎo)磁體內(nèi)通過。導(dǎo)磁體的槽口底部通過了全部磁通，靠上面的磁力線一部分通過導(dǎo)體，而另一部分通過空氣閉合。顯然，這樣分布的磁通，使槽口底部導(dǎo)體交鏈了較多的磁通，產(chǎn)生的自感電動勢較大，電流較小，而槽口上部的導(dǎo)體只交鏈穿過空氣的磁力線，交鏈磁通很少，自感電動勢很小，電流則較大。圖16 表示了置于導(dǎo)磁體槽口之中的矩形截面的導(dǎo)體上的電流分布情況及磁場強度分布的情況，我們把這一現(xiàn)象稱為導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)或者導(dǎo)磁體的趨流效應(yīng)。圖16 導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)及導(dǎo)體中電流和磁場的分布H-磁場強度I-電流密度導(dǎo)磁體槽口深度越大，電流頻率越高，則導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)越強烈

20、。利用導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)可以把導(dǎo)體中的電流驅(qū)逐到導(dǎo)體的任何位置，以提高感應(yīng)器的加熱效率。圖17 是將型硅鋼片導(dǎo)磁體槽口向外加在圓環(huán)導(dǎo)體上，使圓環(huán)導(dǎo)體上的電流趨于外表面，在該感應(yīng)器用于內(nèi)孔加熱時，強化了鄰近效應(yīng)，提高了內(nèi)孔的加熱效率。圖18 是導(dǎo)磁體槽口向下加在圓環(huán)導(dǎo)體上，使圓環(huán)導(dǎo)體上的電流趨于下表面，抵消圓環(huán)效應(yīng)，在該感應(yīng)器用于平面加熱時，強化鄰近效應(yīng)，提高平面加熱的效率。 圖17 導(dǎo)磁體槽口向外的內(nèi) 圖18 導(dǎo)磁體槽口向下的孔加熱感應(yīng)器平面加熱感應(yīng)器 1一導(dǎo)體2一導(dǎo)磁體3一淬火工件6 透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱感應(yīng)加熱由于設(shè)備頻率和功率的限制存在著兩種加熱方式，即透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱。當(dāng)零件的淬

21、火加熱層小于電流熱透入深度熱時，且零件得到的比功率為合適值時，零件可以進行透入式加熱。當(dāng)零件的淬火加熱層大于電流熱透入深度熱時，且零件得到的比功率小于合適值時，零件的感應(yīng)加熱是傳導(dǎo)式加熱。透入式加熱時，當(dāng)感應(yīng)線圈剛剛接通電流，渦流在零件表面層按冷態(tài)電流透入狀態(tài)分布（圖19 曲線1 ) ，越趨近表面渦流強度越大，表面升溫也快，在表面層瘟度超過居里點失去磁性時，加熱層就分為兩層，即表面的失磁層和里面與其毗連的未失磁層。圖19 鋼板感應(yīng)加熱時渦流強度的變化( f= 200kHz ) 1一加熱開始（20oC ) 2一加熱中間3一加熱到800 失磁層內(nèi)材料的磁導(dǎo)率急劇下降至1 ，造成渦流強度I明顯下降，

22、因而最大的渦流強度出現(xiàn)在兩層交界處，使交界處的升溫速度大于表面的升溫速度，交界線不斷地向內(nèi)縱深推移，直到熱透入深度達到熱為止。透入式加熱層的溫度分布見圖20a，圖中T 為淬火溫度，T為表面過熱度，為淬火加熱層（全奧氏體層），n為加熱過渡層。從圖中可知，加熱過渡層遠小于淬火加熱層，一般n( 0.250.3 ）。傳導(dǎo)式加熱一般是使用電流頻率較高設(shè)備時出現(xiàn)，此時，電流熱透入深度較小，所以當(dāng)失去磁性的高溫層超過熱態(tài)電流透入深度熱以后，渦流完全按照熱態(tài)分布。在繼續(xù)加熱時，熱量基本上是依靠厚度為熱的表層析出。由于熱傳導(dǎo)的作用，加熱層的厚度不斷增加，因此零件截面上的溫度梯度很小，溫度曲線平緩。由圖20b可知

23、，傳導(dǎo)式加熱過熱度T比較大，與透入式加熱相比，其加熱過渡層n明顯增厚，這對淬火性能是不利的。傳導(dǎo)式加熱其淬火加熱層、比功率P0、表面過熱度T及鋼的熱導(dǎo)率久存在下列關(guān)系：P0=或 T= (18)式中30W / ( mK) ( 1000 時鋼的平均熱導(dǎo)率）由式（18 ）可知，增大比功率P0，表面過熱度T也增加，此時加熱時間可以縮短，反之，減小P0T也減小，加熱時間就將增加。由圖20 溫度分布曲線可知，兩種加熱方式的熱效率完全不同。透入式加熱淬火，加熱層內(nèi)過熱度T很小，熱量向心部散失也很小，因此熱效率較高。而傳導(dǎo)式加熱淬火，加熱層內(nèi)過熱度T很大，熱量向心部傳導(dǎo)很多，使心部升溫，因此熱效率很低。 圖2

24、0兩種感應(yīng)加熱方式的溫度分布曲線a）透入式加熱b）傳導(dǎo)式加熱一悴火加熱層n一加熱過渡層傳導(dǎo)式加熱的熱效率（熱）動按式（19 ）計算：熱= （19）式中z 熱流擴展深度。因abc與ab1c1相似，故得Z= (20)將式（20）代入式（19）得熱= 由于過熱度T 與2 倍的淬火溫度比值是很小的，可以忽略，于是得到：熱= （21）式中K剩余熱量系數(shù)。由于淬火溫度T 不能很低，過熱度T又不能太大，所以通常K都比較大。例如，淬火溫度T = 900 時，過熱度T=100 ，則K = 4 . 5 ，那么熱效率熱20 %，即在感應(yīng)加熱時，傳導(dǎo)式加熱熱效率是相當(dāng)?shù)偷?。從圖20a 可見，透入式加熱不存在很大的剩余

25、熱量三角形，因此熱效率較高，一般可達到3040 % , 在加熱相同零件時，透入式加熱能耗只是傳導(dǎo)式加熱能耗的一半。在設(shè)備頻率很高，淬火層深度又較深時，即熱，加熱效率很低。這時，提高比功率P0，能使T增加，加熱時間減短，提高熱效率。但P0過大，將造成零件表面嚴重過熱，降低零件的機械性能，甚至造成廢品。兩種加熱方式的幾項指標比較列于表2 。研究該表，我們可以得出以下幾點結(jié)論，l）在頻率較高、熱透入深度較小時，使用很小的比功率仍能造成較大的表面過熱度；2）由于頻率高，勢必只能是用較小的比功率值，然而比功率越小，加熱時間越長，電能消耗越多。表2 兩種加熱方式指標比較淬火層深度（mm）頻率300kHz熱

26、1.095mm頻率2kHz熱13.4mm加熱時間（s）比功率（kW/cm2）電能消耗(W·h/cm2)加熱時間（s）比功率（kW/cm2）電能消耗(W·h/cm2)表面過熱度（）表面過熱度（）100501005010050202020234591522283560901100.50.40.30.250.250.200.150.1251.251.651.851.952.53.33.73.92.53.44.35.11.351.301.050.950.941.131.231.35加熱方式傳導(dǎo)式加熱透入式加熱7 電流頻率的選擇在表面效應(yīng)一節(jié)中我們已經(jīng)了解，不同頻率的電流在鋼中的透熱

27、深度是不同的，頻率越高投入深度越淺，頻率越低，透入深度越深。尤其是電流熱透入深度，直接影響工件的加熱方式和淬火的質(zhì)量。因此，對于感應(yīng)淬火和感應(yīng)器設(shè)計，選擇合適的電流頻率是十分重要的。我們可以用式（17）計算出國產(chǎn)高、中頻設(shè)備加熱剛才工件時，熱透入深度800，并列于表3。表3 各種頻率的電流熱透入深度頻段高頻超音頻中頻頻率（Hz）5008003005002003001002003040842.51800（mm）0.70.560.90.71.10.91.61.12.92.55.67.91015.8在感應(yīng)加熱表面淬火的賣踐中，為了得到高的生產(chǎn)率和良好的淬火效果（表面硬度高、殘余壓縮應(yīng)力大、并使淬火過

28、渡層¼淬火層Ds) ，必須采取透入式加熱方式，使淬火層Ds小于電流熱透入深度800，而且最好是：Ds=½800 (22)圓柱形零件表面淬火時，淬火層Ds與頻率f 之間的關(guān)系可用下面的公式計算：最高頻率 fmax (23)最低頻率 fmin (24)最合適頻率 f= (25)式中Ds淬火層深度（mm）。利用公式（23）、式（24）、式（25）我們可以算出不同淬火層深度所需要的電流頻率，并列入表4 中。表4 各種淬火層深度所需頻率淬火層（mm）11.55234568最高頻率（kHz )25011062.52715.61073.9最低頻率（kHz )156.737.51.70.9

29、40.60.420.23最佳頻率（kHz )6027156.73.82.41.70.94日本資料（圖21 ）列出，圓柱形零件根據(jù)淬火層深度選擇頻率的數(shù)據(jù)，也有一定的參考價值。 圖21 圓柱形零件的淬火層深度與頻率的關(guān)系圓柱形零件在選擇頻率時，還應(yīng)該考慮到零件直徑的影響。據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者研究，當(dāng)電流熱透入深度等于零件直徑的30 時，感應(yīng)加熱的效率較低，最高不超過70 % ，而當(dāng)電流熱透入深度小于或等于直徑的10 時，效率可達到80 以上。根據(jù)我們的經(jīng)驗將零件直徑與電流頻率之間的關(guān)系列于表5 。表5表面淬火零件直徑與電流頻率之間的關(guān)系零件直徑（mm )1030255045100電流頻率（kHz )200

30、3008.02.5齒輪感應(yīng)淬火的頻率選擇是比較復(fù)雜的。齒輪形狀復(fù)雜，要選擇最佳頻率，使其加熱均勻，是很困難的，而模數(shù)m、齒數(shù)Z 及齒寬B 等參數(shù)的變化，都影響最佳頻率的選擇。齒輪淬火方法也是多種多樣的，例如，全齒同時加熱淬火法、全齒連續(xù)加熱淬火法、單齒加熱淬火法、沿齒溝連續(xù)加熟淬火法等等。而每種方法都有各自的選擇頻率的方法或經(jīng)驗。對于中、小模數(shù)齒輪和齒輪軸，采用全齒同時加熱淬火或全齒連續(xù)加熱淬火時，推薦使用蘇聯(lián)學(xué)者研究的經(jīng)驗公式（26 ) ： 最佳頻率 f= ( kHz ) (26) 這一公式的計算結(jié)果與圖22是接近的。圖22 齒輪的棋數(shù)與頻率的關(guān)系我國一些工廠在生產(chǎn)實踐中積累的經(jīng)驗也可借鑒。

31、對模數(shù)2.54 之間的齒輪，使用較低的比功率時，可用200 ? 300 kHz 的高頻設(shè)備，對模數(shù)46 的齒輪，可使用4080kHz 的超音頻設(shè)備，對模數(shù)68 的齒輪，可使用2.58kHz 的中頻設(shè)備，對模數(shù)m>8的大齒輪，可采用沿齒溝連續(xù)悴火法，選用高頻或中頻均能實現(xiàn)。齒輪淬火后，所使用的頗率是否合適，觀察淬火層的分布情況即可一目了然。如圖23 所示，當(dāng)頻率很高時，只有齒頂淬火，而頻率適中時，齒頂和齒根都有淬火層，齒心部沖火層凸起，使心部保留適量的未經(jīng)淬火的組織，增加了齒輪的韌性，頻率較低時，齒部完全淬火，齒根悴火層平直，頻率很低時，齒頂不能淬火。圖23 同模數(shù)的齒輪用不同頻率淬火而呈

32、現(xiàn)的淬火層情況a）頻率過高b）頻率適中 c）頻率較低d ）頻率很低應(yīng)該說明，上述圖表和公式所給出的頻率數(shù)值并不是一個精確的或唯一的數(shù)值，它只是一個能獲得良好淬火質(zhì)量的頻率帶，也就是一定的頻率范圍。一般頻率相差不很大時，淬火結(jié)果沒有明顯差異，即使有些差異，通過其他參數(shù)的調(diào)整也可以得到相同或相近的結(jié)果。8 比功率和同時加熱淬火的最大面積比功率也稱功率密度。比功率的定義是，感應(yīng)加熱時，零件所獲得的功率PL與其加熱面積SL的比值，多用P0代表，數(shù)學(xué)表達式為：P0= （kW/cm2） ( 27 ) 比功率是感應(yīng)加熱表面淬火時的一個重要參數(shù)，它表示單位時間內(nèi)向零件單位加熱面積上輸送能量的大小。在合理的比功

33、率條件下，零件才能進行表層加熱和快速加熱。它對加熱方式的影響有時超過頻率的影響。比功率概念的理論依據(jù)是：1 cm3的鋼由20緩慢加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度所需要的熱量為5000 J/ cm3而感應(yīng)加熱是快速加熱，特別是透熱式加熱，一般加熱時間為26s，就完成相變過程，升溫速度為150500/s，這時必定提高相變點。有資料表明，40 鋼加熱速度分別為0.02、10、100和1000/s時，其相變終了的溫度分別是800、840、870 和950。感應(yīng)加熱的淬火溫度通常比普通淬火溫度提高100 是很正常的。因此，感應(yīng)加熱與緩慢加熱相比，其單位體積鋼的相變所需熱量增加1/8 1/7 ，也是有根據(jù)的。這樣，1

34、 cm3的鋼由室溫用感應(yīng)加熱到900950，所需熱量約為5667J?，F(xiàn)在，用短時間（沒有熱傳導(dǎo)的情況下）將工件表面層 cm的厚度感應(yīng)加熱到淬火溫度，所需的單位功率是：P0= （kW/cm2） ( 28 )設(shè)淬火層厚度：=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5cm加熱時間：他=2、3、4、5、6s求得比功率P0列于表6 表6 用式（28）計算出的P0值(cm)P0(kW/cm2)t(s)0.10.20.30.40.520.2830.5670.851.131.4230.190.380.570.760.944540.280.420.570.7150.340.450.5760.380.47注：空格處P

35、0大低，實踐中很少使用。表6 所示的比功率值是理論數(shù)值，在實際生產(chǎn)中由于各種因素影響了感應(yīng)器的加熱效率以及為了追求高的生產(chǎn)率，采用的比功率值比理論值要大一些。表7 是實際生產(chǎn)中應(yīng)用的比功率P0。有關(guān)資料介紹了軸類零件表面淬火時采用的比功率數(shù)值（表8) ，也有實用價值。表7 生產(chǎn)實際應(yīng)用的比功率值比功率淬火方式同時加熱淬火連續(xù)加熱淬火比功率范圍常用比功率比功率范圍常用比功率中頻淬火0.52.00.81.51.04.023.5高頻淬火0.53.50.82.01.04.023.5表8 軸類導(dǎo)件衰面淬火的比功率頻率（kHz）淬火層深度（mm）比功率低值最佳值高值5000.41.11.12.31.10.

36、51.60.81.91.2101.52.32.33.03.04.01.20.80.81.61.61.62.52.32.132.33.03.04.04.05.01.60.80.82.31.61.62.62.12.115.07.07.09.00.80.81.61.61.91.9選擇比功率的具體數(shù)值時，要考慮以下因素對于軸類零件淬火，當(dāng)面積較小、形狀簡單、淬火層較淺、原始組織比較細密、化學(xué)成分為中碳或者中碳低合金鋼，可選用比功率范圍的上限。反之，應(yīng)該選用下限。例如形狀復(fù)雜的零件（齒輪及花鍵軸等）、鑄鐵零件以及原始組織粗大或有組織偏析的零件，均應(yīng)選用較小的比功率。內(nèi)孔表面淬火和零件的平面淬火均應(yīng)采用較

37、大的比功率。嚴格說，上述的比功率應(yīng)稱為零件比功率。它是零件加熱時單位面積上的功率值。如何核算實際加熱時的零件比功率呢？對于機械式中頻設(shè)備：P0= （kW/cm2） ( 29 )式中Pj中頻功率表的指示值，p中頻淬火變壓器效率，一般p8；g中頻淬火感應(yīng)器效率，一般g0.8。對于電子管式高頻設(shè)備（該設(shè)備沒有功率表）: P0= （kW/cm2） ( 30 )式中Uc槽路電壓（kV)； Iao振蕩管陽極電流（A )；r陽極電流利用系數(shù)，一般r = 1.7 ；n振蕩管個數(shù)；p高頻淬火變壓器效率，一般p0.7；g高頻淬火感應(yīng)器效率，一般g0.7。 根據(jù)比功率的定義，還可引伸出一個重要概念，即同時加熱淬火的

38、最大面積Smax。它是決定零件加熱方法的重要參數(shù)。Smax= (31)式中PB變頻設(shè)備的額定功率（kW)；p淬火變壓器效率，按式（29）和式（30）選??；g淬火感應(yīng)器效率，按式（29）和式（30）選??；P0min表面淬火比功率最小值，按表7 選取。按式（31）計算得出幾種國產(chǎn)高、中頻設(shè)備在使圓環(huán)感應(yīng)器的條件下，同時加熱淬火及連續(xù)加熱淬火的最大面積（連續(xù)加熱淬火的最大面積是指被圓環(huán)感應(yīng)器包圍的那一部分零件的面積）, 并列于表9 中。 表9 在幾種設(shè)備上，兩時加熱淬火及連續(xù)加熱淬火的最大面積電源種類電源設(shè)備的額定功率PB同時加熱淬火面積連續(xù)加熱淬火Smax最大面積Smax最大直徑dmax機械式中頻

39、發(fā)電機( 2.5kHz 和8 kHz）1001286420.4160204.8102.432.620025612840.825032016050.9電子管式高頻設(shè)備( 100300kHz )6058.829.49.4100984915.62001969831.2注：連續(xù)淬火所用圓環(huán)感應(yīng)器的有效圈高度為1cm，淬火面積寬度按1cm計算。近期的日文資料也有相近內(nèi)容的介紹，也有參考價值。圖24 是軸類零件同時加熱悴火時，設(shè)備容量與被加熱面積的關(guān)系。圖25是軸類零件連續(xù)加熱淬火時，設(shè)備容量與被加熱面積的關(guān)系。圖24 同時加熱淬火時，設(shè)備容量與被加熱面積的關(guān)系設(shè)備種類（圖略）圖25 連續(xù)加熱淬火時，設(shè)備

40、容量與被加熱面積的關(guān)系兩種加熱淬火方法所用設(shè)備的輸出總效率均按70計算。同時加熱淬火，P0取0.350.38kW /cm2；連續(xù)加熱淬火，P0取2.02.2kW/cm2。據(jù)我們的經(jīng)驗判斷升其前者偏低，而后者偏高。9 同時加熱淬火法、連續(xù)加熱淬火法和縱向加熱整體淬火法（一）同時加熱淬火法：當(dāng)工件的淬火面積SL小于或等于變頻設(shè)備的同時加熱淬火的最大面積Smax時，可以選用同時加熱淬火法。同時加熱淬火法是將工件整體或一部分置于感應(yīng)器之中或鄰近位置，感應(yīng)器接通高頻或中頻電流，使工件感應(yīng)加熱，待加熱溫度達到淬火溫度后，切斷電流，立即或間隔一段時間，對加熱部分進行冷卻，使該部位達到淬火目的的方法。同時加熱

41、淬火法操作簡單、控制容易，并能實現(xiàn)自行回火，具有高效、節(jié)能等優(yōu)點，因此被廣泛采用。用同時加熱淬火法，要確定以下幾個工藝參數(shù)：零件感應(yīng)加熱所需要的功率PL用式（32）計算：PL = P0SL( kW) ( 32 )式中P0零件比功率，根據(jù)電源設(shè)備種類，從表7 利表8 中選??；SL零件淬火面積（cm2）。確定設(shè)備輸出功率Pj用式（33）計算Pj= ( kw) (33)式中，p和g分別為淬火變壓器和感應(yīng)器效率，根據(jù)電源設(shè)備種類，按式（29）和式（30）選取。實際變頻設(shè)備輸出功率的核對，機械式中頻設(shè)備可以直接察看功率表，電子管式高頻設(shè)備的實際輸出功率可用式（34）計算得出。Pj= （34）式中各符號意

42、義與式（30 ）中相同。同時加熱淬火的加熱時間TH一般用圖表法來確定。圖26是統(tǒng)計我國某大型工廠多年生產(chǎn)經(jīng)驗和檢驗卡片而繪制的比功率P0、淬火層深度Ds與同時加熱淬火的加熱時間TH 的關(guān)系曲線。即在已知P0和Ds的前提下，通過該曲線查得TH 。使用條件是軸類零件、圓環(huán)感應(yīng)器（間隙為23mm）、8000Hz機械式中頻發(fā)電機。圖26 使用8000Hz中頻發(fā)電機同時加熱淬火的P0DsTH “關(guān)系圖圖27 是日本資料介紹的軸類零件同時加熱淬火的頻率f ( Hz）、比功率P0（W/cm2）、淬火層深度Ds ( mm）及加熱時間TH ( s）之間的關(guān)系曲線，即在已知f、P0和Ds的情況下求得TH0圖27

43、同時加熱淬火的fP0DsTH 關(guān)系圖比功率ABCDEFGH加熱時間曲線abcdefgh頻率1061055*1041045*103103102蘇聯(lián)學(xué)者對感應(yīng)熱處理的工藝曲線有系統(tǒng)的研究，取得了成套的研究成果。下面介紹K.3.舍別列克夫斯基教授發(fā)表的一套曲線。圖25 ，圖29 ，圖30 分別是使用2.5kHz、5kHz、250kHz 同時加熱淬火的零件直徑D、淬火層深度Ds、比功率P0及加熱時間TH的關(guān)系曲線圖28 頻率2.5kHz 時，軸類零件同時加熱淬火的DDsP0TH關(guān)系圖（虛線為P0，實線為TH，線端數(shù)值為Ds)圖29 頻率為8 kHz 時，軸類零件同時加熱悴火的D一Ds一P0TH關(guān)系圖（

44、虛線為P0、實線為TH、線端數(shù)值為Ds )D ( cm ) 圖30頻率為250kHz 時，軸類零件同時加熱悴火的D一Ds一P0TH 關(guān)系圖（虛線為P0、實線為TH、線端數(shù)值為Ds) 當(dāng)讀者仔細研究這些曲線后會發(fā)現(xiàn)，相同的條件可能得不完全相同的結(jié)果，我認為可能是這些曲線的制作和使用條件不盡相同的緣故吧，也許相當(dāng)數(shù)量的工程曲線均有這類問題，好在它們能夠給讀者一個參考數(shù)值，經(jīng)過讀者的試用和修正之后，可以得到一個準確的工藝參數(shù)，以減少讀者的摸索時間和試驗次數(shù)。同時加熱悴火的冷卻時間T 可用經(jīng)驗公式或試驗法來確定。同時加熱淬火的冷卻方式一般采用噴射冷卻。限制噴射冷卻時間，可以在保證零件得到適當(dāng)?shù)拇慊鹩捕?/p>

45、和淬火層深度的同時，保證零件得到自行回火。對于中碳鋼和中碳低合金鋼制作簡單零件，可以使用水進行噴射淬火。如果零件加熱時使用正常的比功率值，噴射壓為0.10.3MPa 、水溫為1530 ，同時加熱淬火的冷卻時間Tc可用式（35 ）計算：Tc= ( 12) TH (35) 對于形狀復(fù)雜的零件例如，花鍵軸之拳的零件，用水噴射冷卻，由于冷卻能力太強容易產(chǎn)生淬火裂紋。因此，要采用合成淬火介質(zhì)，例如聚乙烯醇、聚醚、聚二醇等聚合物的水溶液為淬火介質(zhì)。這些淬火介質(zhì)濃度和成分另有資料介紹，乒這里不多贅述。它們的鱉冷卻能力如圖31 所示。由圖31可見，各種合成淬火介質(zhì)的冷卻能力均低于水，所以使用它們的冷卻時間比水

46、的冷卻時間要長一些。圖31 各種淬火介質(zhì)的噴射冷卻速度一些形狀復(fù)雜或成分復(fù)雜的工件，在感應(yīng)加熱終了，要間隔一段時間再進行淬火冷卻，以達到熱形滿足要求，溫度均勻和減少裂紋之目的。間隔的時間稱為間隙時間，間隙時間一般通過實驗來確定。（二）連續(xù)加熱淬火法：當(dāng)零件的淬火面積SL大于變頻設(shè)備的同時加熱淬火的最大面積Smax（見表9）時，應(yīng)采用連續(xù)加熱淬火法。連續(xù)加熱淬火法是將工件置于感應(yīng)器之中或鄰近位置，使感應(yīng)器與工件發(fā)生相對運動，感應(yīng)器接通高頻或中頻電流，將工件感應(yīng)加熱到淬火溫度，同時感應(yīng)器或噴水器噴出淬火介質(zhì)，使工件已經(jīng)達到淬火溫度的部分得以淬火，直到工件的淬火面積全部完成淬火之時，先切斷感應(yīng)器電流

47、，后停止淬火介質(zhì)噴射。連續(xù)加熱淬火法的最大特點是可以使用較小容量的變頻設(shè)備處理大型工件，因此也被廣泛地采用。連續(xù)加熱淬火法要確定以下幾個工藝參數(shù)：零件感應(yīng)加熱所需要的功率PL用式（36）計算：PL = P0SLG （36 ) 式中P0零件比功率，根據(jù)電源設(shè)備種類，從表7 中選取( kw / cm2) , SLG 零件被感應(yīng)器所容納的面積（cm2）。確定設(shè)備輸出功率Pj用式（33）計算：Pj= (kW) 式中p和g分別是淬火變壓器和感應(yīng)器效率，根據(jù)電源設(shè)備種類，按式（29）和式（30）選取。變頻設(shè)備的實際輸出功率是否與Pj相一致，核對方法與同時加熱淬火法相同。連續(xù)加熱淬火工件與感應(yīng)器的相對移動速

48、度V是連續(xù)加熱淬火法的重要工藝參數(shù)，用圖表法查取。圖32 是統(tǒng)計我國某大型工廠的生產(chǎn)記錄和檢驗卡片而繪制的發(fā)電機輸出功率Pj、零件直徑D、淬火層深度Ds和移動速度V的關(guān)系曲線。即在已知零件直徑和淬火層深度的條件下查得Pj和V。該曲線的使用條件為軸類零件、圓環(huán)感應(yīng)器（間隙35mm）及2500 ( Hz）的中頻電機。圖33 和圖34 是美國資料，也有一定的參考價值。圖33 和圖34 中Pj0是設(shè)備比功率，它乘以pg等于P0。與圖32 比較，在相同的比功率下，美國資料給出的V是比較大的，這是由于美國淬火機床的精度和控制技術(shù)水平高，使感應(yīng)器零件之間達到最緊密的藕合，加熱效率很高的緣故。圖32 使用25

49、00Hz中頻電機連續(xù)加熱淬火的PjDDsV的關(guān)系圖圖33 連續(xù)加熱悴火在3000Hz ( DS = 4 5mm ) 和10000Hz（Ds= 2.53.8mm）時的Pjo一V關(guān)系圖圖34 在Pjo=3 . 82kW / cm2時連續(xù)加熱淬火的Ds一V關(guān)系圖13000Hz，零件D=5cm 210000Hz，零件D=3.8cm 3500kHz，零件D=1.27cm 連續(xù)加熱淬火的移動速度V相當(dāng)于同時加熱淬火法中的加熱時間TH。如將連續(xù)加熱感應(yīng)器（高度為h）用于同時加熱淬火，其加熱時間為TH，那么連續(xù)加熱淬火的V可用下式求得：V= （mm/s） (37)連續(xù)加熱淬火的冷卻時間，一般指加熱終了后再繼續(xù)冷卻210s，以保證加熱終端的充分冷卻。連續(xù)加熱淬火的零件在淬火過程中已經(jīng)冷透，一般需要回火處理，以適當(dāng)?shù)亟档陀捕群蜌堄鄳?yīng)力，減少變形和開裂。連續(xù)加熱淬火零件的回火多采用爐中回火和感應(yīng)回火兩種方法。爐中回火規(guī)范可參照普通熱處理的低溫回火規(guī)范，但加熱溫度應(yīng)該適當(dāng)降低，加熱時間適當(dāng)縮短。感應(yīng)