第七章感应热处理设备-课十九
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§ 9—1感应热处理的基本原理 一、感应加热基本原理
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。
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。
有关感应加热设备的频率和主要特征如表9—1所示。
11
12
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，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
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500~10000Hz的变频设备，它是将
50Hz的工频交流电转换成上述频率范围，淬硬层
范围之内，即
1.5 104
2
f
2.5 105
2
(9 — 4）
按(9— 4)式可计算出不同的电流频率和淬硬层深度关系如表9—2所 示。
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：
P0
P
F
(kW / cm2 )
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（3）感应调质设备
15
中频透热炉
二、感应加热设备频率的选择
根据集肤效应，工程上规定当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δ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，钢铁材料在800~900℃范围内的透入电流深度
为：
热
ห้องสมุดไป่ตู้
500 f
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
课十九 第七章 感应加热设备
本章主要内容： § 9 —1 感应热处理的基本原理 § 9 —2 感应热处理设备的选择 § 9 —3 感应器设计概要 § 9— 4 淬火机床及其它表面加热装置简介
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。
(9 — 5）
式中：P—设备的总功率(kw) ；
η —设备的效率(%)；
F —工件的加热面积(cm2 ) 。
工件单位面积功率是计算工件加热总功率和选择设备
的依据。它与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频
零件感应电流 的方向与感应 器中电流的方 向相反。
图9—1感应加热示意图 1—零件；2—感应器；3—磁力线
感应电动势的瞬时值为
e d （V）
dt
（9 — 1）
式中：
d — 是磁通对时间的变化率，
dt
负号表示感应电动势方向与 d 方向相反。
dt
二、中、高频电流的特点 1．集肤效应
由于工件内存在着电动势，从而产生闭合电流，称之 为涡流。涡流的分布是不均匀的，由工件表面向心部呈指 数规律衰减，距离表面为χ处的强度为
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。
3.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(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。
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
（mm）
（9 — 3）
感应加热时，频率越高，电流透入深度δ热越小，则淬 硬层深度χ也越浅。反之，加热设备频率f 越小，δ热越大. 则χ越深。如果δ热<<χ，加热时热量只集中于表层，要靠 热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但设备
功率可以小。如果δ热≥χ，加热快，表面
辐射损失小,过渡层浅，根据经验，设备频率应在一定的
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.邻近效应 两个通过交流电流的导 体彼此相距很近时，则每个 导体内的电流将重新分布， 如图9—2所示。
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。
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。
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(3)高频感应加热设备。 利用电子管振荡器将工频转换成100~300kHz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20~70kHz的超音频感应加热设 备和高频与超音频双频输出的设备。
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。
§9—2 感应热处理设备的选择
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
Ix
I0 exp(
2
c
f x) （A）（9 — 2）
式中：I0—表面的涡流强度(A)； c—光速(m / s)； ρ—工件材料的电阻率(Ω﹒mm2/m)；
μ—工件材料的导磁率(H/m)；(亨利/米）
χ—距工件表面的距离(c m)； f —电流的频率(Hz)。
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。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
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。
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。
有关感应加热设备的频率和主要特征如表9—1所示。
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12
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，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
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（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
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500~10000Hz的变频设备，它是将
50Hz的工频交流电转换成上述频率范围，淬硬层
范围之内，即
1.5 104
2
f
2.5 105
2
(9 — 4）
按(9— 4)式可计算出不同的电流频率和淬硬层深度关系如表9—2所 示。
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：
P0
P
F
(kW / cm2 )
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（3）感应调质设备
15
中频透热炉
二、感应加热设备频率的选择
根据集肤效应，工程上规定当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δ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，钢铁材料在800~900℃范围内的透入电流深度
为：
热
ห้องสมุดไป่ตู้
500 f
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
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课十九 第七章 感应加热设备
本章主要内容： § 9 —1 感应热处理的基本原理 § 9 —2 感应热处理设备的选择 § 9 —3 感应器设计概要 § 9— 4 淬火机床及其它表面加热装置简介
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。
(9 — 5）
式中：P—设备的总功率(kw) ；
η —设备的效率(%)；
F —工件的加热面积(cm2 ) 。
工件单位面积功率是计算工件加热总功率和选择设备
的依据。它与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频
零件感应电流 的方向与感应 器中电流的方 向相反。
图9—1感应加热示意图 1—零件；2—感应器；3—磁力线
感应电动势的瞬时值为
e d （V）
dt
（9 — 1）
式中：
d — 是磁通对时间的变化率，
dt
负号表示感应电动势方向与 d 方向相反。
dt
二、中、高频电流的特点 1．集肤效应
由于工件内存在着电动势，从而产生闭合电流，称之 为涡流。涡流的分布是不均匀的，由工件表面向心部呈指 数规律衰减，距离表面为χ处的强度为
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。
3.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(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。
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
（mm）
（9 — 3）
感应加热时，频率越高，电流透入深度δ热越小，则淬 硬层深度χ也越浅。反之，加热设备频率f 越小，δ热越大. 则χ越深。如果δ热<<χ，加热时热量只集中于表层，要靠 热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但设备
功率可以小。如果δ热≥χ，加热快，表面
辐射损失小,过渡层浅，根据经验，设备频率应在一定的
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.邻近效应 两个通过交流电流的导 体彼此相距很近时，则每个 导体内的电流将重新分布， 如图9—2所示。
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。
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100~300kHz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20~70kHz的超音频感应加热设 备和高频与超音频双频输出的设备。
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。
§9—2 感应热处理设备的选择
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
Ix
I0 exp(
2
c
f x) （A）（9 — 2）
式中：I0—表面的涡流强度(A)； c—光速(m / s)； ρ—工件材料的电阻率(Ω﹒mm2/m)；
μ—工件材料的导磁率(H/m)；(亨利/米）
χ—距工件表面的距离(c m)； f —电流的频率(Hz)。
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。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