第七章感应热处理设备-课十九

《第七章感应热处理设备-课十九》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章感应热处理设备-课十九（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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1本章主要内容： 9 1 9 1 感应热处理的基本原理感应热处理的基本原理 9 2 9 2 感应热处理设备的选择感应热处理设备的选择 9 3 9 3 感应器设计概要感应器设计概要 9 4 9 4 淬火机床及其它表面加热装置简介淬火机床及其它表面加热装置简介课十九 第七章第七章 感应加热设备感应加热设备 2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。 91 91感应热处理的基本原理感应热处理的基本原理一、感应加热基本原理一、感应加

2、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。3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。图91感应加热示意图 1零件；2感应器；3磁力线零件感应电流的方向与感应器中电流的方向相反。4感应电动势应电动势 的瞬时值为时值为 5由于工件内存在着电动势电动势 ，从而产产生闭闭合电电流，称 之为涡为涡 流。涡涡流的分布是不均匀的，由工件表面向心部 呈指数规规律衰减，距

3、离表面为为处处的强度为为式中：I0表面的涡涡流强度(A)； c光速(m / s)；工件材料的电电阻率(mm2/m)；工件材料的导导磁率(H/m)；(亨利/米） 距工件表面的距离(c m)； f 电电流的频频率(Hz)。二、中、高频电流的特点二、中、高频电流的特点1 1集肤效应集肤效应 6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. 2.邻邻邻邻近效近效应应应应 两个通过过交流电电流的导导 体彼此相距很近时时，则则每个 导导体内的电电流将重新分布， 如图图92所示。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。

4、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73.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圆环效应( (点击点击) )。圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环效应也越显著。 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。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。8一、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

5、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。92 92 感应热处理设备的选择感应热处理设备的选择9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50010000Hz的变频设备，它是

6、将50Hz的工频交流电转换成上述频率范围，淬硬层深度在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。 10(3)高频感应加热设备。利用电子管振荡器将工频转换成100300kHz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2070kHz的超音频感应加热设备和高频与超音频双频输出的设备。有关感应加热设备的频率和主要特征如表91所示。 1112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

7、，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13（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14（3）感应调质设备中频透热炉 15二、感应应加热设备频热设备频 率的选择选择 根据集肤效应应，工程上规规定当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

8、铁材料在800900范围内的透入电流深度为：感应应加热时热时 ，频频率越高，电电流透入深度热热越小，则则 淬硬层层深度也越浅。反之，加热设备频热设备频 率f 越小，热热越 大.则则越深。如果热热，加热时热热时热 量只集中于表层层，要 靠热传导传热热传导传热 ，加热热速度慢，生产产率低，过过渡层层大，但 设备设备 功率可以小。如果热热，加热热快，表面16辐射损失小,过渡层浅，根据经验经验 ，设备频设备频 率应应在一定的 范围围之内，即按(9 4)式可计计算出不同的电电流频频率和淬硬层层深度关系如表92所 示。17式中：P设备设备 的总总功率(kw) ； 设备设备 的效率(%)；F 工件的加热热面

9、积积(cm2 ) 。 工件单单位面积积功率是计计算工件加热总热总 功率和选择设选择设 备备的依据。它与淬硬层层深度、工件大小、加热时间热时间 、电电 流频频率和加热热方式等因素有关，其大小直接影响工件的 加热热速度和淬硬层层深度，对对尺寸较小的工件，宜采用单 位面积 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：18功率大一些，反之宜小一些。此外，加热热方式对单对单 位面 积积功率的选择选择 也有影响，如表93所示。我们们可以根据 表93所推荐的工件单单位面积积功率及工件的加热热面积积按

10、 (95)式求得设备设备 的总总功率。在选择设备选择设备 的总总功率时时，设备设备 的效率应应将变压变压 器效 率、感应应器效率和回路线传输线传输 效率等考虑进虑进 去，且总总功 率满满足工艺艺要求。表93 单单位面积积功率P0（kw/cm2）设备类设备类 型局部一次加热热移动连续动连续 加热热范围围常用范围围常用中频频0.22.00.81.51.04.0 2.33.50高频频0.54.00.82.01.04.0 2.03.5019三、感应加热设备的选择 1） 被加热的工件形状和尺寸 工件大、棒料、实材，应选用相对功率大，频率低的感应 加热设备；工件小、管材、板材、齿轮等，则选用相对功 率小，

11、频率高的感应加热设备。 2） 需要加热的深度和面积 加热深度深，面积大，整体加热，应选用功率大，频率低 的感应加热设备；加热深度浅，面积小，局部加热，选用 相对功率小，频率高的感应加热设备。 3） 所需的加热速度 需要的加热速度快，应选用功率相对较大，频率相对较高 的感应加热设备。 4）设备的连续工作时间 连续工作时间长，相对选用功率略大的感应加热设备。 20 5）感应部件与设备的连线距离 连线长，甚至需要使用水冷电缆连接，应相对选用功率较 大的感应加热设备。 6）工艺要求 一般来说，淬火、焊接等工艺，相对可以功率选小一些， 频率选高一些；退火、回火等工艺，相对功率选大一些， 频率选低一些；红

12、冲、热煅、熔炼等，需要透热效果好的 工艺，则功率应选得更大，频率选得更低。 7）工件的材料 金属材料中熔点高的相对选用功率大一些，熔点低的相对 选用功率小一些；电阻率小的选用功率大一些，电阻率大 的选用功率小一些。等等。 以上这些基本知识，必须综合分析和应用，才能用的好， 用的巧，用的自如。这不但是每个感应加热设备的专业技 术人员必须掌握的，也需要使用者、欲用者尽量了解和掌 握的。 21 1）无需整体加热，可有选择性地进行局部加热，工件变 形小，电能消耗少。 2）加热速度快，工件表面氧化、脱碳比较轻，大多数被 加工件无须进行气体保护。 3）可根据需要通过调整设备的工作频率和功率，对表面 淬硬层

13、进行控制。从而使淬硬层的马氏体组织较细，硬度 、强度、韧性都较高。 4）经感应加热方式热处理后的工件，表面硬层下有较厚 的韧性区域，具有较好的压缩内应 力，使工件在抗疲劳 和破断能力都更高。 5）加热设备便于安装在生产线上，易于实现机械化和自 动化，便于管理，可有效地减少运输，节约人力，提高生 产效率。 四、感应式加热的主要优点和缺点：22 6）一机多用。即可完成淬火、退火、回火、正火、调质 等，又可完成焊接、熔炼、热装配、热拆卸及透热成形等 工作。 7）使用方便、操作简单、可随时开启或停止。且无须预 热。 8）即可手动操作，也可半自动和全自动操作；即可长时 间地连继工作，亦可即用即停随机使用

14、。有利于设备在供 电低谷电价优惠期的使用。 9）电能利用率高，环保节能，安全可靠，工人工作条件 好，国家提倡。 虽然，它也存在着一些缺点。如，设备比较复杂，一 次投入的成本相对较高，感应部件（感应圈）互换性和适 应性较差，不宜于在一些形状复杂的工件上应用等。但它 的综合指标好，优点明显多于缺点。所以，感应式加热是 目前金属加工的一种主要工艺。是取代煤炭加热、油料加 热、燃气加热，以及电炉加热、电烘箱加热等加热方式的 理想选择。 23感应器设计的是否合理会影响到加热层的形状和深度以及设备功率能否正常发挥等。因此，感应器的设计对提高产品质量和经济效益至关重要。一、感应器结构尺寸的设计感应器的设计需

15、根据工件的形状、尺寸以及热处理技术要求来设计，由施感导体(感应圈)和汇流板两部分组成。感应圈用壁厚1.01.5mm紫铜管制成，多为矩形内通冷却水。汇流板用厚23mm紫铜板制成，一端焊在感应圈上，另一端接到变压器次级线圈上，以向感应圈输人电流 ，如图93所示。感应器的设计主要包括感应圈的93 感应器设计概要感应器设计概要24形状、尺寸、圈数，感应圈与工件的间隙，汇流板的尺寸与连接方法，冷却方式等。其结构尺寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线圈的使用寿命等综合考虑。图93中、高频感应器结构示意图 （a)中频感应器； (b)高频感应器 1施感导体；2汇流排；3接线座；4冷却水管；5喷水管251.感应器与工件的间隙感应器与工件的间隙大小，直接影响到感应器的功率因数。间隙大，功率因数低；间隙小，则功率因数高，电流透人深度浅，加热速度快。但间隙过小，操作不方便，易产生短路，降低使用寿命。间隙的大小还受到设备的功率和淬硬层深度的影响，设备功率大则间隙应大，功率小则应小。中频加热应比高频大，连续加热因考虑移动也应 大一些。感应器与工件间隙尺寸推荐范围如表94所示.工件直经经（mm）