熱處理原理工藝及設(shè)備課件

熱處理原理、工藝及設(shè)備

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HeatTreatment第三部分熱處理設(shè)備（4）Equipmentsfor

HeatTreatment1熱處理原理、工藝及設(shè)備

Principles,Techno§14感應(yīng)加熱設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面熱處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。表面熱處理可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期和改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)組織水平。目前應(yīng)用最廣泛的表面熱處理是感應(yīng)熱處理，它可應(yīng)用于淬火、回火、正火、調(diào)質(zhì)、透熱等，適用于機(jī)械化大生產(chǎn)，可通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)無人操作。感應(yīng)加熱示意圖感應(yīng)加熱示意圖激光加熱表面淬火2§14感應(yīng)加熱設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱的物理基礎(chǔ)將工件放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過交變電流時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場，由交變磁場激發(fā)的感應(yīng)電勢將在工件的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流又稱渦流。因?yàn)楣ぜ牧系碾娮韬苄?，所以不大的感?yīng)電勢便造成強(qiáng)度很大的渦流，從而釋放出大量的焦耳熱，使工件表面層溫度迅速升高。

3§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理將工件放在§14.1感應(yīng)加熱概述集膚效應(yīng)：渦流在工件表面最大，由表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減的現(xiàn)象。感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值：e＝-d?/dt(V)

式中：d?/dt表示磁通?對時(shí)間的變化率，負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢方向與d?/dt方向相反。電流透入深度：工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強(qiáng)度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于表面最大渦流強(qiáng)度的0.368倍時(shí)，該處到表面的距離稱為電流透入深度。對于碳鋼：δ=500·f-1/2(mm)f－電流頻率4§14.1感應(yīng)加熱概述集膚效應(yīng)：渦流在工件表面最大，由§14.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程感應(yīng)加熱開始時(shí)，工件處于室溫，電流透入深度很小，僅在此薄層內(nèi)進(jìn)行加熱。但溫度超過A2點(diǎn)后，表面由鐵磁性變?yōu)轫槾判?，表面電流密度下降，而在緊靠順磁體層的鐵磁體處，電流密度劇增，此處迅速被加熱，溫度也很快升高。由此，工件截面內(nèi)最大密度的渦流由表面向心部逐漸推移，同時(shí)自表面向心部依次加熱。這種加熱方式稱為透入式加熱。與此同時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，熱量向工件內(nèi)部傳遞，加熱層厚度增厚，這時(shí)工件內(nèi)部的加熱和普通加熱相同，稱為傳導(dǎo)式加熱。5§14.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程5§14.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點(diǎn)表面的溫度超過A2點(diǎn)以后，最大密度的渦流流向內(nèi)層，表層加熱速度開始變慢，不易過熱，而傳導(dǎo)式加熱隨著加熱時(shí)間的延長，表面繼續(xù)加熱容易過熱；加熱迅速，熱損失小，熱效率高；熱量分布較陡，淬火后過渡層較窄，使表面壓應(yīng)力提高。6§14.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點(diǎn)§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類工頻應(yīng)加熱設(shè)備

f＝50Hzδ>10mm，適用于大型工件（如冷軋輥）中頻感應(yīng)加熱設(shè)備

f＝500~10000Hzδ≈5mm，適用于中小型工件高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

f＝100~300kHzδ<3mm，適用于大多數(shù)工件表面淬火7§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類7§14.1感應(yīng)加熱概述8§14.1感應(yīng)加熱概述8§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點(diǎn)1、集膚效應(yīng)定義：當(dāng)交變電流通過施感導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的表面的電流密度最大，越向?qū)w內(nèi)部電流密度越小，這種現(xiàn)象稱集膚效應(yīng)(或稱表面效應(yīng))。電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著。9§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點(diǎn)9§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)律）I0－表面渦流強(qiáng)度c－光速ρ－工件材料的電阻率u－工件材料的導(dǎo)磁率x－距工件表面的距離f－交流電頻率10§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時(shí)，電流大部分集中在導(dǎo)體表面，心部已無電流，這樣導(dǎo)致導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)體發(fā)熱顯著增加。因此，感應(yīng)器的施感導(dǎo)體常采用空心的銅管制成，管內(nèi)通水冷卻，以降低施感導(dǎo)體溫度。11§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時(shí)，電流大部分集中在導(dǎo)§14.1感應(yīng)加熱概述2、臨近效應(yīng)定義：當(dāng)兩個(gè)載有高頻電流的導(dǎo)體彼此相距很近時(shí)，每個(gè)導(dǎo)體內(nèi)的電流將重新分布。如果兩個(gè)導(dǎo)體中電流方向相同，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相背的一面，如果兩個(gè)導(dǎo)體中電流方向相反，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相鄰的一面。這種電流向一側(cè)集中的現(xiàn)象叫臨近效應(yīng)。導(dǎo)體內(nèi)電流的頻率越高，鄰近效應(yīng)越明顯。12§14.1感應(yīng)加熱概述2、臨近效應(yīng)12§14.1感應(yīng)加熱概述13§14.1感應(yīng)加熱概述13§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)定義：當(dāng)高頻電流流過環(huán)形導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體橫截面上的分布將發(fā)生變化，此時(shí)電流僅僅集中在圓環(huán)的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應(yīng)。圓環(huán)的曲率半徑越小，徑向?qū)挾仍酱?，圓環(huán)效應(yīng)也越明顯；電流的頻率越大，圓環(huán)效應(yīng)也越顯著。14§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)14§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)加熱圓柱體的外表面時(shí)，圓環(huán)效應(yīng)與鄰近效應(yīng)一致，感應(yīng)器中的電流與工件表面靠近。但是對于加熱內(nèi)孔的感應(yīng)器來說，圓環(huán)效應(yīng)與臨近效應(yīng)不一致，圓環(huán)效應(yīng)使電流在感應(yīng)器施感導(dǎo)體內(nèi)側(cè)流過，因而電流距內(nèi)孔表面較遠(yuǎn)，鄰近效應(yīng)減弱，使加熱效率降低。15§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)加熱圓柱體的外表面時(shí)，圓環(huán)效應(yīng)§14.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)定義：當(dāng)用感應(yīng)器加熱不規(guī)則形狀工件表面時(shí)，工件的尖角部位的加熱強(qiáng)度遠(yuǎn)較其它光滑平坦部位強(qiáng)烈，往往會(huì)造成過熱(例如，齒輪的齒頂部位)，這種現(xiàn)象稱做尖角效應(yīng)。尖角效應(yīng)是由于磁力線易于在尖角處集中，感應(yīng)渦流較強(qiáng)的緣故。為了克服這一現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)形狀不規(guī)則的工件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大尖角或凸出部位與感應(yīng)器之間的間隙。16§14.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)16§14.1感應(yīng)加熱概述17§14.1感應(yīng)加熱概述17§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備18§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備18§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)f=50Hz（或60Hz）f=50Hz時(shí)，δ＝15mm當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)（700℃）時(shí)，δ＝75mm工頻感應(yīng)加熱速度小于中、高頻感應(yīng)加熱，特別是在居里點(diǎn)以上時(shí)，加熱速度更低，因而熱應(yīng)力較小，熱應(yīng)力引起的變形與開裂的可能性也較小，造成過熱的危險(xiǎn)性也較小。不需要變頻設(shè)備，設(shè)備簡單，投資較低；19§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)19§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備f=50~10000Hz，又稱音頻感應(yīng)加熱設(shè)備目前主要有中頻發(fā)電機(jī)和可控硅（晶閘管）變頻器兩種。中頻發(fā)電機(jī)是使用較早而廣泛的設(shè)備，可控硅變頻器是一種較先進(jìn)的設(shè)備，它有許多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中也得到迅速地發(fā)展和推廣使用。中頻發(fā)電機(jī)組構(gòu)成：電動(dòng)機(jī)＋中頻發(fā)電機(jī)＋激磁用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)＋電容器＋降壓變壓器＋感應(yīng)器20§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備20§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備21§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備21§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

高頻感應(yīng)加熱設(shè)備實(shí)質(zhì)上就是一種大功率的頻率變換裝置，它將50Hz的工頻電流轉(zhuǎn)換成幾百千赫的高頻電流，以滿足感應(yīng)加熱的需要。電流頻率越高，加熱工件時(shí)電流透入深度越淺，渦流強(qiáng)度越大，熱量越集中，因而加熱速度越快，淬硬層也越薄，所以高頻感應(yīng)加熱設(shè)備多用于要求淬硬層小于1mm的中、小型零件。22§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備22§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備23§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備23§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備高頻感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：陽極升壓變壓器＋高壓整流器＋電子管式高頻振蕩器＋高頻降壓變壓器（淬火變壓器）高頻技術(shù)發(fā)展方向：電子管式向晶體管式改變24§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備高頻感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：陽極升壓變§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇電流透入深度δ：根據(jù)集膚效應(yīng)，工程上規(guī)定當(dāng)Ix降至I0的1/e（e＝2.718）處的電流深度稱為電流透入深度。鋼鐵材料熱態(tài)電流的透入深度比冷態(tài)電流透入深度大幾十倍，鋼鐵在800~900℃時(shí)δ＝500/f1/2感應(yīng)加熱時(shí)，δ熱越小，則淬硬層深度x越淺；反之，f越小，δ熱越大，則x越深。25§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇25§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果時(shí)δ熱<<x，則加熱時(shí)熱量只集中于表層，要靠熱傳導(dǎo)傳熱，加熱速度慢，生產(chǎn)率低，過渡層大，但功率可??；如果時(shí)δ熱≥x，加熱速度快，表面輻射損失小，過渡層淺，但功率大。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2例如：x＝2.0時(shí),fmax＝60000Hz,fmin＝4000Hzf最佳＝15000Hz所以采用真空管或機(jī)式感應(yīng)加熱設(shè)備。26§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果時(shí)δ熱<<x，則加熱時(shí)熱§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備五、感應(yīng)加熱設(shè)備功率的確定工件單位面積功率P0＝P·η/F(kW/cm2)

P－設(shè)備的總功率，kWη－設(shè)備的效率，%F－工件的加熱面積，cm2工件單位面積功率P0是計(jì)算工件加熱總功率和選擇設(shè)備的依據(jù)。P0與淬硬層深度、工件大小、加熱時(shí)間、電流頻率和加熱方式等因素有關(guān)，其大小直接影響工件的加熱速度和淬硬層深度。27§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備五、感應(yīng)加熱設(shè)備功率的確定27§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備對尺寸較小的工件，宜采用P0大一些，反之宜小一些。此外，加熱方式對P0的選擇也有影響。在選擇總功率P時(shí)，設(shè)備的效率應(yīng)將變壓器效率、感應(yīng)器效率和回路線傳輸效率等考慮進(jìn)去，且總功率滿足工藝要求。28§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備對尺寸較小的工件，宜采用P0大一§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要

感應(yīng)器設(shè)計(jì)得是否合理會(huì)影響到加熱層的形狀和深度以及設(shè)備功率能否正常發(fā)揮等。因此，感應(yīng)器的設(shè)計(jì)對提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。一、感應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)感應(yīng)器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)工件的形狀、尺寸以及熱處理技術(shù)要求來設(shè)計(jì)，由施感導(dǎo)體（感應(yīng)圈）和匯流板兩部分組成。29§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要感應(yīng)器設(shè)計(jì)得§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要30§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要30§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要

感應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括：感應(yīng)線圈的形狀、尺寸、圈數(shù)，感應(yīng)圈與工件的間隙，匯流板的尺寸與連接方法，冷卻方式等。其結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)中、高頻電流的特點(diǎn)以及感應(yīng)線圈的使用壽命等等來考慮。31§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要感應(yīng)器的設(shè)計(jì)§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要1、感應(yīng)器與工件的間隙

感應(yīng)器與工件的間隙大小直接影響到感應(yīng)器的功率因數(shù)。間隙大，功率因數(shù)低；間隙小，功率因數(shù)高，電流透入深度淺，加熱速度快。但間隙過小，操作不方便，易產(chǎn)生短路，降低使用壽命。間隙大小還受到設(shè)備的功率和淬硬層深度的影響，設(shè)備功率大則間隙大，設(shè)備功率小則間隙小。中頻加熱應(yīng)比高頻大，連續(xù)加熱因要考慮移動(dòng)也要大一些。32§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要1、感應(yīng)器與工件的間隙32§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2、感應(yīng)器的尺寸1）感應(yīng)器的內(nèi)徑

外圓表面加熱用的施感導(dǎo)體采用矩形或方形截面的銅管繞成。內(nèi)徑：D＝D0＋2a（mm）

D0－工件的直徑，mma－工件表面與施感導(dǎo)體內(nèi)表面的間隙33§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2、感應(yīng)器的尺寸33§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2）感應(yīng)器的高度

施感導(dǎo)體的高度會(huì)直接影響淬硬層分布。長軸件進(jìn)行局部一次性加熱：H＝L＋8~10(mm)

L－淬硬區(qū)的長度短軸零件進(jìn)行局部一次性加熱：H＝L－2a(mm)

a－感應(yīng)器與工件間隙，mm當(dāng)軸形件淬硬層較長時(shí)，可采用多圈感應(yīng)器。34§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2）感應(yīng)器的高度34§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要3、施感導(dǎo)體的圈數(shù)

當(dāng)工件直徑較小，而淬硬區(qū)又較長時(shí)，可采用雙圈或多圈施感導(dǎo)體，有較高的熱效率。多圈感應(yīng)器可以改善匯流板與施感導(dǎo)體間的電壓分配，增加施感導(dǎo)體上的電壓。但圈數(shù)也不宜過多，過多時(shí)使阻抗增加，功率因數(shù)下降，效率低。35§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要3、施感導(dǎo)體的圈數(shù)35§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要4、冷卻水路冷卻水管的尺寸與電流頻率、電流透入深度、加熱方式和散熱條件有關(guān)。采用同時(shí)加熱法時(shí)，要另設(shè)噴水圈或淬火槽進(jìn)行淬火冷卻。采用連續(xù)加熱淬火法時(shí)，可采用自噴式感應(yīng)器，當(dāng)要求噴水量較大時(shí)，在感應(yīng)器下方另設(shè)獨(dú)立噴水圈。5、匯流板尺寸匯流板：感應(yīng)圈兩端與電源的連接部分。36§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要4、冷卻水路36§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要二、導(dǎo)磁體和屏蔽作用1、導(dǎo)磁體圓環(huán)效應(yīng)使電流集中于感應(yīng)器內(nèi)側(cè)，有利于加熱圓柱零件。對于加熱圓筒形零件內(nèi)表面，則應(yīng)在感應(yīng)器上設(shè)置導(dǎo)磁體將電流從內(nèi)側(cè)驅(qū)趕到外側(cè)，以加強(qiáng)臨近效應(yīng)，改變加熱區(qū)溫度分布，提高熱效率。37§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要二、導(dǎo)磁體和屏蔽作用37§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2、電磁屏蔽對工件上不需要加熱的凸臺(tái)或尖角處加上銅環(huán)或鐵磁材料環(huán)，在環(huán)中因漏磁而產(chǎn)生渦流，渦流所產(chǎn)生的磁場方向與感應(yīng)加熱的磁場方向相反，使磁力線不能穿過那些不需要加熱的部位，而起到屏蔽作用。例如：對鍵槽、油孔打入銅釘進(jìn)行屏蔽，避免工件加熱時(shí)產(chǎn)生的過熱或裂紋。38§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2、電磁屏蔽38§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要39§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要39§14.4淬火機(jī)床按生產(chǎn)方式分類：通用機(jī)床、專用機(jī)床和生產(chǎn)線三大類。構(gòu)成：機(jī)架、升降部件、零件裝夾及移動(dòng)部件、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、上下料機(jī)構(gòu)、工藝參數(shù)及程序控制機(jī)構(gòu)等。40§14.4淬火機(jī)床按生產(chǎn)方式分類：通用機(jī)床、專用機(jī)床和§14.5其它表面加熱裝置一、火焰表面加熱裝置41§14.5其它表面加熱裝置一、火焰表面加熱裝置41§14.5其它表面加熱裝置42§14.5其它表面加熱裝置42§14.5其它表面加熱裝置二、激光表面加熱裝置43§14.5其它表面加熱裝置二、激光表面加熱裝置43熱處理原理、工藝及設(shè)備

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HeatTreatment44熱處理原理、工藝及設(shè)備

Principles,Techno§14感應(yīng)加熱設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面熱處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。表面熱處理可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期和改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)組織水平。目前應(yīng)用最廣泛的表面熱處理是感應(yīng)熱處理，它可應(yīng)用于淬火、回火、正火、調(diào)質(zhì)、透熱等，適用于機(jī)械化大生產(chǎn)，可通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)無人操作。感應(yīng)加熱示意圖感應(yīng)加熱示意圖激光加熱表面淬火45§14感應(yīng)加熱設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，表面§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理感應(yīng)加熱的物理基礎(chǔ)將工件放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過交變電流時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場，由交變磁場激發(fā)的感應(yīng)電勢將在工件的表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流又稱渦流。因?yàn)楣ぜ牧系碾娮韬苄?，所以不大的感?yīng)電勢便造成強(qiáng)度很大的渦流，從而釋放出大量的焦耳熱，使工件表面層溫度迅速升高。

46§14.1感應(yīng)加熱概述一、感應(yīng)加熱的基本原理將工件放在§14.1感應(yīng)加熱概述集膚效應(yīng)：渦流在工件表面最大，由表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減的現(xiàn)象。感應(yīng)電動(dòng)勢的瞬時(shí)值：e＝-d?/dt(V)

式中：d?/dt表示磁通?對時(shí)間的變化率，負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢方向與d?/dt方向相反。電流透入深度：工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強(qiáng)度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于表面最大渦流強(qiáng)度的0.368倍時(shí)，該處到表面的距離稱為電流透入深度。對于碳鋼：δ=500·f-1/2(mm)f－電流頻率47§14.1感應(yīng)加熱概述集膚效應(yīng)：渦流在工件表面最大，由§14.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程感應(yīng)加熱開始時(shí)，工件處于室溫，電流透入深度很小，僅在此薄層內(nèi)進(jìn)行加熱。但溫度超過A2點(diǎn)后，表面由鐵磁性變?yōu)轫槾判?，表面電流密度下降，而在緊靠順磁體層的鐵磁體處，電流密度劇增，此處迅速被加熱，溫度也很快升高。由此，工件截面內(nèi)最大密度的渦流由表面向心部逐漸推移，同時(shí)自表面向心部依次加熱。這種加熱方式稱為透入式加熱。與此同時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，熱量向工件內(nèi)部傳遞，加熱層厚度增厚，這時(shí)工件內(nèi)部的加熱和普通加熱相同，稱為傳導(dǎo)式加熱。48§14.1感應(yīng)加熱概述感應(yīng)加熱的物理過程5§14.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點(diǎn)表面的溫度超過A2點(diǎn)以后，最大密度的渦流流向內(nèi)層，表層加熱速度開始變慢，不易過熱，而傳導(dǎo)式加熱隨著加熱時(shí)間的延長，表面繼續(xù)加熱容易過熱；加熱迅速，熱損失小，熱效率高；熱量分布較陡，淬火后過渡層較窄，使表面壓應(yīng)力提高。49§14.1感應(yīng)加熱概述透入式加熱較傳導(dǎo)式加熱有如下特點(diǎn)§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類工頻應(yīng)加熱設(shè)備

f＝50Hzδ>10mm，適用于大型工件（如冷軋輥）中頻感應(yīng)加熱設(shè)備

f＝500~10000Hzδ≈5mm，適用于中小型工件高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

f＝100~300kHzδ<3mm，適用于大多數(shù)工件表面淬火50§14.1感應(yīng)加熱概述二、感應(yīng)加熱設(shè)備的分類7§14.1感應(yīng)加熱概述51§14.1感應(yīng)加熱概述8§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點(diǎn)1、集膚效應(yīng)定義：當(dāng)交變電流通過施感導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體的表面的電流密度最大，越向?qū)w內(nèi)部電流密度越小，這種現(xiàn)象稱集膚效應(yīng)(或稱表面效應(yīng))。電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著。52§14.1感應(yīng)加熱概述三、中高頻電流的特點(diǎn)9§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)律）I0－表面渦流強(qiáng)度c－光速ρ－工件材料的電阻率u－工件材料的導(dǎo)磁率x－距工件表面的距離f－交流電頻率53§14.1感應(yīng)加熱概述渦流由表面向心部衰減規(guī)律（指數(shù)規(guī)§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時(shí)，電流大部分集中在導(dǎo)體表面，心部已無電流，這樣導(dǎo)致導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)體發(fā)熱顯著增加。因此，感應(yīng)器的施感導(dǎo)體常采用空心的銅管制成，管內(nèi)通水冷卻，以降低施感導(dǎo)體溫度。54§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)f很高時(shí)，電流大部分集中在導(dǎo)§14.1感應(yīng)加熱概述2、臨近效應(yīng)定義：當(dāng)兩個(gè)載有高頻電流的導(dǎo)體彼此相距很近時(shí)，每個(gè)導(dǎo)體內(nèi)的電流將重新分布。如果兩個(gè)導(dǎo)體中電流方向相同，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相背的一面，如果兩個(gè)導(dǎo)體中電流方向相反，則最大電流密度將出現(xiàn)在兩導(dǎo)體相鄰的一面。這種電流向一側(cè)集中的現(xiàn)象叫臨近效應(yīng)。導(dǎo)體內(nèi)電流的頻率越高，鄰近效應(yīng)越明顯。55§14.1感應(yīng)加熱概述2、臨近效應(yīng)12§14.1感應(yīng)加熱概述56§14.1感應(yīng)加熱概述13§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)定義：當(dāng)高頻電流流過環(huán)形導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體橫截面上的分布將發(fā)生變化，此時(shí)電流僅僅集中在圓環(huán)的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫圓環(huán)效應(yīng)。圓環(huán)的曲率半徑越小，徑向?qū)挾仍酱?，圓環(huán)效應(yīng)也越明顯；電流的頻率越大，圓環(huán)效應(yīng)也越顯著。57§14.1感應(yīng)加熱概述3、圓環(huán)效應(yīng)14§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)加熱圓柱體的外表面時(shí)，圓環(huán)效應(yīng)與鄰近效應(yīng)一致，感應(yīng)器中的電流與工件表面靠近。但是對于加熱內(nèi)孔的感應(yīng)器來說，圓環(huán)效應(yīng)與臨近效應(yīng)不一致，圓環(huán)效應(yīng)使電流在感應(yīng)器施感導(dǎo)體內(nèi)側(cè)流過，因而電流距內(nèi)孔表面較遠(yuǎn)，鄰近效應(yīng)減弱，使加熱效率降低。58§14.1感應(yīng)加熱概述當(dāng)加熱圓柱體的外表面時(shí)，圓環(huán)效應(yīng)§14.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)定義：當(dāng)用感應(yīng)器加熱不規(guī)則形狀工件表面時(shí)，工件的尖角部位的加熱強(qiáng)度遠(yuǎn)較其它光滑平坦部位強(qiáng)烈，往往會(huì)造成過熱(例如，齒輪的齒頂部位)，這種現(xiàn)象稱做尖角效應(yīng)。尖角效應(yīng)是由于磁力線易于在尖角處集中，感應(yīng)渦流較強(qiáng)的緣故。為了克服這一現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)形狀不規(guī)則的工件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大尖角或凸出部位與感應(yīng)器之間的間隙。59§14.1感應(yīng)加熱概述4、尖角效應(yīng)16§14.1感應(yīng)加熱概述60§14.1感應(yīng)加熱概述17§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備61§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備一、工頻感應(yīng)加熱設(shè)備18§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)f=50Hz（或60Hz）f=50Hz時(shí)，δ＝15mm當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)（700℃）時(shí)，δ＝75mm工頻感應(yīng)加熱速度小于中、高頻感應(yīng)加熱，特別是在居里點(diǎn)以上時(shí)，加熱速度更低，因而熱應(yīng)力較小，熱應(yīng)力引起的變形與開裂的可能性也較小，造成過熱的危險(xiǎn)性也較小。不需要變頻設(shè)備，設(shè)備簡單，投資較低；62§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：供電系統(tǒng)＋工藝裝備系統(tǒng)19§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備f=50~10000Hz，又稱音頻感應(yīng)加熱設(shè)備目前主要有中頻發(fā)電機(jī)和可控硅（晶閘管）變頻器兩種。中頻發(fā)電機(jī)是使用較早而廣泛的設(shè)備，可控硅變頻器是一種較先進(jìn)的設(shè)備，它有許多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中也得到迅速地發(fā)展和推廣使用。中頻發(fā)電機(jī)組構(gòu)成：電動(dòng)機(jī)＋中頻發(fā)電機(jī)＋激磁用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)＋電容器＋降壓變壓器＋感應(yīng)器63§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備二、中頻感應(yīng)加熱設(shè)備20§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備64§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備21§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備

高頻感應(yīng)加熱設(shè)備實(shí)質(zhì)上就是一種大功率的頻率變換裝置，它將50Hz的工頻電流轉(zhuǎn)換成幾百千赫的高頻電流，以滿足感應(yīng)加熱的需要。電流頻率越高，加熱工件時(shí)電流透入深度越淺，渦流強(qiáng)度越大，熱量越集中，因而加熱速度越快，淬硬層也越薄，所以高頻感應(yīng)加熱設(shè)備多用于要求淬硬層小于1mm的中、小型零件。65§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備三、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備22§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備66§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備23§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備高頻感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：陽極升壓變壓器＋高壓整流器＋電子管式高頻振蕩器＋高頻降壓變壓器（淬火變壓器）高頻技術(shù)發(fā)展方向：電子管式向晶體管式改變67§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備高頻感應(yīng)加熱設(shè)備構(gòu)成：陽極升壓變§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇電流透入深度δ：根據(jù)集膚效應(yīng)，工程上規(guī)定當(dāng)Ix降至I0的1/e（e＝2.718）處的電流深度稱為電流透入深度。鋼鐵材料熱態(tài)電流的透入深度比冷態(tài)電流透入深度大幾十倍，鋼鐵在800~900℃時(shí)δ＝500/f1/2感應(yīng)加熱時(shí)，δ熱越小，則淬硬層深度x越淺；反之，f越小，δ熱越大，則x越深。68§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備四、感應(yīng)加熱設(shè)備的選擇25§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果時(shí)δ熱<<x，則加熱時(shí)熱量只集中于表層，要靠熱傳導(dǎo)傳熱，加熱速度慢，生產(chǎn)率低，過渡層大，但功率可??；如果時(shí)δ熱≥x，加熱速度快，表面輻射損失小，過渡層淺，但功率大。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2例如：x＝2.0時(shí),fmax＝60000Hz,fmin＝4000Hzf最佳＝15000Hz所以采用真空管或機(jī)式感應(yīng)加熱設(shè)備。69§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備如果時(shí)δ熱<<x，則加熱時(shí)熱§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備五、感應(yīng)加熱設(shè)備功率的確定工件單位面積功率P0＝P·η/F(kW/cm2)

P－設(shè)備的總功率，kWη－設(shè)備的效率，%F－工件的加熱面積，cm2工件單位面積功率P0是計(jì)算工件加熱總功率和選擇設(shè)備的依據(jù)。P0與淬硬層深度、工件大小、加熱時(shí)間、電流頻率和加熱方式等因素有關(guān)，其大小直接影響工件的加熱速度和淬硬層深度。70§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備五、感應(yīng)加熱設(shè)備功率的確定27§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備對尺寸較小的工件，宜采用P0大一些，反之宜小一些。此外，加熱方式對P0的選擇也有影響。在選擇總功率P時(shí)，設(shè)備的效率應(yīng)將變壓器效率、感應(yīng)器效率和回路線傳輸效率等考慮進(jìn)去，且總功率滿足工藝要求。71§14.2感應(yīng)加熱設(shè)備對尺寸較小的工件，宜采用P0大一§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要

感應(yīng)器設(shè)計(jì)得是否合理會(huì)影響到加熱層的形狀和深度以及設(shè)備功率能否正常發(fā)揮等。因此，感應(yīng)器的設(shè)計(jì)對提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。一、感應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)感應(yīng)器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)工件的形狀、尺寸以及熱處理技術(shù)要求來設(shè)計(jì)，由施感導(dǎo)體（感應(yīng)圈）和匯流板兩部分組成。72§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要感應(yīng)器設(shè)計(jì)得§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要73§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要30§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要

感應(yīng)器的設(shè)計(jì)主要包括：感應(yīng)線圈的形狀、尺寸、圈數(shù)，感應(yīng)圈與工件的間隙，匯流板的尺寸與連接方法，冷卻方式等。其結(jié)構(gòu)尺寸主要根據(jù)中、高頻電流的特點(diǎn)以及感應(yīng)線圈的使用壽命等等來考慮。74§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要感應(yīng)器的設(shè)計(jì)§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要1、感應(yīng)器與工件的間隙

感應(yīng)器與工件的間隙大小直接影響到感應(yīng)器的功率因數(shù)。間隙大，功率因數(shù)低；間隙小，功率因數(shù)高，電流透入深度淺，加熱速度快。但間隙過小，操作不方便，易產(chǎn)生短路，降低使用壽命。間隙大小還受到設(shè)備的功率和淬硬層深度的影響，設(shè)備功率大則間隙大，設(shè)備功率小則間隙小。中頻加熱應(yīng)比高頻大，連續(xù)加熱因要考慮移動(dòng)也要大一些。75§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要1、感應(yīng)器與工件的間隙32§14.3感應(yīng)加熱器設(shè)計(jì)概要2、感應(yīng)器的尺寸1）感應(yīng)器的內(nèi)徑

外圓表面加熱用的施感導(dǎo)體采用矩形或方形截面的銅管繞成。內(nèi)徑：D＝D0＋2a（mm）