感应加热表面淬火

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1、论文表面感应淬火0引言随着经济和生产技术的飞速发展，汽车、拖拉机、航空、仪表、冶金、国防等工业对零件 的要求越来越高。热处理可以提高零件性能，延长使用寿命，因此，在同民经济中起着重要 的作用，并成为生产过程中一个不可缺少的环节。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。正确选择表面淬火工艺必须了解零件的工作情况和服役条件，零件 的结构、形状及使用的材料等各个方面，从生产和使用角度去考虑解决方案原则是从实际出 发且经济有效。当前，表面淬火技术的理论和应用技术发展很快。在基础研究方面，最活跃的钡域是应用 计算机模拟计算感应加热温度场、磁场

2、的变化等，在这方面已取得了许多成果，发表了大量 的文献。同时我国从国外引进了大量的表面淬火设备、技术和软件等，使我国的表面淬火技 术水平得到了很大的提高。今后，如果能够将感应加热的热效应和温度场、磁场等随时间变 化，并结合表面加热相变、冷却相变、残余应为分布、零件变形与性能预测等用软件统一起 来2，应用于生产领域，必然也会推动其他表面淬火技术的进步，表面淬火技术将会发展到一 个更高的层次。本文主要对感应淬火的原理及目前研究的现状做简单的介绍。1.感应加热表面淬火的概括感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产 生感应电流，又根据交流电的集肤效应。以涡流形式将零

3、件表面快速加热，而后急冷的淬火 方法。它在热处理领域中占有重要地位，这一技术已经在我国被广泛应用。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 （25008000Hz）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； 使用中频时.感应电流透人深度（约510 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

4、），主要用于冷轧辊表面淬火。感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，因此，受到普遍的重视和广泛应用。 与传统热处理相比，它有以下的优点。1）感应加热属于内热源直接加热，热损失小，因此加热速度快，热效率高。2）加热过程中，由于加热时间短，零件表面氧化脱碳少，与其他热处理相比，零件 废品率极低。3）感应加热淬火后零件表面的硬度高，心部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺L 敏感性，故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。4）感应加热设备紧凑，占地面积小，使用简便（即操作方便）。5）生产过程清洁，无高温，劳动条件好。6）能进行选择性加热。7）感应加热表面淬火的机械零件脆件小，同时还能提高零件的

5、力学性能（如屈服点、 抗拉强度、疲劳强度），同样经过感应加热表面淬火的钢制零件的淬火硬度也高于普通加热 炉的淬火硬度。8）感应加热设备可放置在加工生产线上，通过电气参数对过程进行精确的工艺控制。9）和用感应加热淬火，可用普通碳素结构钢代替合金结构钢 制作零件而不降低零件质量，所以，在某些条件下可以代替工艺复 杂的化学热处理。10）感应加热小便应用于零件的表面淬火，还可以用于零件的 内孔淬火，这是传统热处理所不能达到的。然而，感应加热表面淬火也有其本身的不足。1）设备与淬火工艺匹配比较麻烦，因为电参数常发生变化。2）需要淬火的零件要有一定的感应器与其相对应。3）要求使用专业化强的淬火机床。4）设

6、备维修比较复杂。2感应加热的原理感应加热是将零件置于感应器内，当有一定的电流频率的交流电通过感应器时，在零件 表面就有感应电流产生，此电流分布在表面，井以涡流的形式出现，迅速加热表面使其达到 淬火温度，然后切断电源，并将零件急速冷却，实现感应如热表面淬火。2.1电磁感应将零件置于感应器内，当感应器中有变变电流通过时，在感应器内部和周围产生与电流 频率相同的交变磁场，周围分布变化的磁力线，磁力线切割零件，因此，在零件内就相应地 产生感应电势，而在零件表面产生感应电流，这种现象称为电磁感应。当感应器内通入突变电流件内产生 感应电流，此电流在零件内形成闭合同路，其方向与通入的电源电流方向相反，呈涡状

7、流通, 故又称涡流6零件就通过涡流使之加热到淬火温度。感应加热的原理如图1所示，感应电动势的瞬时值为：式中e一瞬时电势，V；零件上感应电流商路所包围面积的总磁通，Wb,其数值随感应器中的电流强度和零件 材料的破导率的增加而增大，并与零件和感应器之间的间隙有关。dd/dt为磁通变化率，其绝对值等于感应电势。电流额率越高，磁通变化率越大，使感应 电势P相应也就越大。中的负号表示感应电势的方向与d巾/dt的变化方向相反。零件中感应出来的祸渣的方向，在每一瞬时和感应器中的电流方向相反，涡流强度决定于 感应电势及零件内涡潍回路的电抗，可表示为式中I 涡流电流强度，A;Z 一自感电抗，Q；R零件电阻，Q；

8、X一阻抗，Q 由于Z值很小，所以I值很大。 零件加热的热量为Q二0. 24FJ?/式中 Q热能，J；t加热时间，s；对铁磁材料（如钢铁）而占，涡流加热产生的热效应可使零件，温度迅速提咼。钢铁零件 是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交变磁场中，零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变 而改变。在交变磁场的作用下，磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热，因而 也对零件加热起一定作用，这就是磁滞热效应。这部分热量比涡流加热的热效应小得多。钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点A2（768C）以下存在，在A2以上，因钢铁零件失去 磁性，所以磁滞热效应不存在奇因此，对钢铁零件而言，在A2点以下，加热速度比

9、在a2点以 上时快。2.2.1表面效应（集肤效应）当一个金属零件通过直流电时，在金属零件的截面上电流的分布是均匀的；当金属零件通 过交流电时，沿金属零件截面的电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在金属零件的最表 面，如图2所示。这种交变电流的频率越高，电流向表面集中的现象就越严重。这种电流通 过导体时，沿导体表面电流密度最大，越中心电流密度越小的现象称为高频电流的集肤效应8， 又称表面效应。xs因此，零件感应加热时 可表示为在金的分布布从表面向中心里指数衰减（图2）式中I。一零件表面最大的电流（涡流）强度，A；Ix距零件表面某一距离的电流（涡流）强度，A ；X到零件表面的距离，cm；A电流透人

10、深度，cm,它是与材料物理性质有关的系数由上式可知：x = 0时，1=1 当x0时I VI ；x = A 时I =1 /e = 0 .3681X oxoxo0工程上规定，当电流（涡流）强度从表面向内部降低到表面最大电流（涡流）强度的0. 368 （即lo/e）时，则该处到表面的距离就称为电流透人深度。这样规定是由于分布在金属零件表面的电流（涡流），只在零件表面深度为的薄层中通 过，但它并不能全部用于将零件表面加热，而是有一部分热量被传到零件内部或心部损耗了, 此外，还有一部分热量向零件周同的空间热辐射损失了。由于涡流所产生的热量与电流（涡 流）强度的平方成正比，凼此由表面向内部的热量降低速率比

11、涡流降低速率快得多。2.2.2邻近效应两个相邻载有高频电流的金属导体相互靠近时，由于磁场的相互影响，磁力线将发生重 新分布，导致电流的重新分布，如图3所示。两个载流导体的电流方向相同时.电流从两导 体的外侧流过，即导体相邻表面的电流密度最小；反之，如果两个载流导体的电流方向相反 时，电流从两导。体的内侧流过，即导体相邻表面的电流密度最大，这种现象就称为高频电 流的邻近效应io。频率越高，两导体靠得越近，邻近效应就越显著。图3高频感应的邻近效应图4零件中涡流沿感应器形状分布的情况邻近效应在感臆加热中宥很大的实际意义。由于感应器内的高频电流与零件的感应电流方 向总是相反，因此，对感应加热有利。但另

12、一方面，由于邻近效应，只有当感应器与零件间 隙处处相等时，涡流在零件表面上的分布于是均匀的，如图3所示。对圆柱形零件，为实现 均匀加热，通常借用淬火机床，使零件在加热过程中以一定速度旋转以，消除临近效应的影 响，实现均匀加热。当零件加热区有特殊要求时，就要直接运用交流电的邻近效应来设计感应器的形状，即感 应器的形状应与零件加热区的形状相似，如图4所示。零件上感应产牛的涡流是沿着符合于 感应器形状的路径流过的。零件仅在此区域被局部加热，加热区就好像感应器的影于一样。 因此，为取得较好的加热效果，在设计感应器形状与结构时，必须考虑感应器与零件加热区 形状相似。2.2.3环状效应（也称圆环效应或环流

13、效应）高频电流通过圆柱形状、圆环状或螺旋圆柱管状件时，最大的电流密度分布集中在圆柱 状（圆环状或螺旋圆柱管状）零件的内侧，即圆环内侧的电流密度最大，这种现象称为环状 效应，如图5所示。当电流频率高时，电流只在圆柱状（圆环状或螺旋圆柱管状）内侧表面 流动，圆柱杖（圆环状或螺旋圆柱管状）的外侧没有电流流过。在感应加热中，感应器形状大多星圆柱状、圆环状或螺旋圆柱管状。在环状效应的作用下, 高频电流聚集在感应器内侧，这对零件表面进行感应加热是十分有利的。在这种情况下加热, 热量损失少，热效率高，加热速度快ii。但存进行内扎加热时，由于环状效应的作用，增大 了感应器与零件的实际间隙，如图6所示。在这种情

14、况下加热，热量损失多，热效率低，力口 热速度慢。在实际乍产过程中，为了弥补环状效应和间隙增大所造成的损失，常在加热内孔 （或加热平面）时，在感应器上安装导磁体，如图7所示。加上导磁体，感应加热时的电流 被推向感应器的外侧。与零件表面靠近，从而减小了感应器与零件间的实际间隙。因此，可 以减少热量损失，提高加热效率。图5高频电流的环状效应图6加热内孔时高频电流和涡流的相对位置环状效应的大小，与电流频率和圆环状的曲率半径有关。频率越高，曲率半径越小，环 状效应越显著12。由此可见，加热圆筒形零件的外表面时，邻近效应与环状效应是一致的，都将使感应器 中的电流描感应器的内侧流动，这样就减小了感应器与零件

15、之间的间隙丽有效地提高了耦合 度。相反，在加热零件内孔或内壁时，邻近效应与环状效应恰好相反。环状效应使电流滑感 应器内侧流动。而邻近效应则促使电流向外惘流动。感应器直径越小，环状效应越强。因此, 在其他条件不变的情况下，内孔直径越小。耦合度就越差，高频感应加热的效率也将越低。 为了改善这种情况，对于内孔较小的零件，应采取措施使感应器中的电流沿靠近零件内孔或内 壁一侧流动。生产上常用的是将感应器绕成晒匝，利用两匝间的邻近效应将电流尽可能地向 感应器的端面推移，执而改善其耦合度。当内孔直径小时则利用导磁体米迫使电流沿感应器 的外侧流动。2.2.4尖角效应将尖角（棱角）或形状不规则的零件故在卿环形的感应器中，如果零件的高度小于感应 器高度，感应加热时，在零件拐角处的尖角部位或棱角部分由于涡流强度大，加热激烈，在 极短时间内升高温度，并造成过热，这种现象称为尖角效应13。由于尖角效应的存在，为设 升和制造感应器提供依据，即对有尖角或形状不规则的零件，必须考虑在感应器t-有曲率半 径应适当加大感应器和零件的间隙。3钢感应加热时的相变特点传统热处理是外热源加热（一般是在炉子中加热，属于缓慢加热），对零件进行淬火加热， 可以根据铁一碳相图相应地确定出其加热温度，并在制定工艺时确定出加热、保温和冷却三 个阶段。然而，感麻加热