热处理原理工艺及设备课件

感应加热示意图
感应加热示意图
激光加热表面淬火 2
§14.1 感应加热概述
一、感应加热的基本原理
➢ 感应加热的物理基础
❖将工件放在感应器中，当感应 器中通过交变电流时，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表 面产生感应电流，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。
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§14.1 感应加热概述
❖ 集肤效应：涡流在工件表面最大，由表面向 心部呈指数规律衰减的现象。
❖ 感应电动势的瞬时值：e＝-dø/dt (V)
式中：dø/dt表示磁通ø对时间的变化率，负号 表示感应电动势方向与dø/dt方向相反。
❖ 电流透入深度：工程上规定，当涡流强度从
表面向内层降低到其数值等于表面最大涡流 强度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电 流透入深度。
对于碳钢：δ=500·f -1/2 (mm)
f－电流频率
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§14.1 感应加热概述
➢ 感应加热的物理过程
❖感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度 很小，仅在此薄层内进行加热。但温度超过A2点 后，表面由铁磁性变为顺磁性，表面电流密度下 降，而在紧靠顺磁体层的铁磁体处，电流密度剧 增，此处迅速被加热，温度也很快升高。由此， 工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推 移，同时自表面向心部依次加热。这种加热方式 称为透入式加热。与此同时，由于热传导的作用， 热量向工件内部传递，加热层厚度增厚，这时工 件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。
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§14.1 感应加热概述
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§14.2 感应加热设备
一、工频感应加热设备
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§14.2 感应加热设备
➢ 构成：供电系统＋工艺装备系统 ➢ f = 50Hz（或60Hz）
f = 50Hz时，δ＝15mm ➢ 当温度高于居里点（700℃）时，δ＝75mm ➢ 工频感应加热速度小于中、高频感应加热，
➢ 导体内电流的频率越高，邻近效应越明显。
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§14.1 感应加热概述
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§14.1 感应加热概述
3、圆环效应
➢ 定义：当高频电流流过环形导体时，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。
➢ 圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环 效应也越明显；
➢ 电流的频率越大，圆环效应也越显著。
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§14.1 感应加热概述
➢ 当加热圆柱体的外表面时，圆环效应与邻近 效应一致，感应器中的电流与工件表面靠近。 但是对于加热内孔的感应器来说，圆环效应 与临近效应不一致，圆环效应使电流在感应 器施感导体内侧流过，因而电流距内孔表面 较远，邻近效应减弱，使加热效率降低。
变频器两种。中频发电机是使用较早而广泛 的设备，可控硅变频器是一种较先进的设备， 它有许多优点，在工业中也得到迅速地发展 和推广使用。 ➢ 中频发电机组构成：电动机＋中频发电机＋ 激磁用电动机和发电机＋电容器＋降压变压 器＋感应器
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§14.1 感应加热概述
➢ 当f 很高时，电流大部分集中在导体表面， 心部已无电流，这样导致导体的有效电阻增 加，导体发热显著增加。 因此，感应器的施感导体常采用空心的 铜管制成，管内通水冷却，以降低施感导体 温度。
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§14.1 感应加热概述
2、临近效应
➢ 定义：当两个载有高频电流的导体彼此相距 很近时，每个导体内的电流将重新分布。如 果两个导体中电流方向相同，则最大电流密 度将出现在两导体相背的一面，如果两个导 体中电流方向相反，则最大电流密度将出现 在两导体相邻的一面。这种电流向一侧集中 的现象叫临近效应。
热处理原理、工艺及设备
Principles, Technology and Equipments for quipments for Heat Treatment
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§14 感应加热设备
随着科学技术的发展，表面热处理技术得 到了广泛的应用。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。目前应用最广泛的表面热处 理是感应热处理，它可应用于淬火、回火、 正火、调质、透热等，适用于机械化大生产， 可通过计算机控制实现无人操作。
特别是在居里点以上时，加热速度更低，因 而热应力较小，热应力引起的变形与开裂的 可能性也较小，造成过热的危险性也较小。 ➢ 不需要变频设备，设备简单，投资较低；
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§14.2 感应加热设备
二、中频感应加热设备
➢ f = 50~10000Hz，又称音频感应加热设备 ➢ 目前主要有中频发电机和可控硅（晶闸管）
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§14.1 感应加热概述
➢ 透入式加热较传导式加热有如下特点 ❖表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡 流流向内层，表层加热速度开始变慢，不 易过热，而传导式加热随着加热时间的延 长，表面继续加热容易过热； ❖加热迅速，热损失小，热效率高； ❖热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表 面压应力提高。
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§14.1 感应加热概述
4、尖角效应
➢ 定义：当用感应器加热不规则形状工件表面 时，工件的尖角部位的加热强度远较其它光 滑平坦部位强烈，往往会造成过热(例如，齿 轮的齿顶部位)，这种现象称做尖角效应。
➢ 尖角效应是由于磁力线易于在尖角处集中， 感应涡流较强的缘故。
➢ 为了克服这一现象，在设计形状不规则的工 件时，应适当加大尖角或凸出部位与感应器 之间的间隙。
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§14.1 感应加热概述
二、感应加热设备的分类
➢ 工频应加热设备
f＝50Hz δ>10mm，适用于大型工件 （如冷轧辊）
➢ 中频感应加热设备
f＝500~10000Hz 型工件
δ≈5mm，适用于中小
➢ 高频感应加热设备
f＝100~300kHz 工件表面淬火
δ< 3mm，适用于大多数
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§14.1 感应加热概述
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§14.1 感应加热概述
三、中高频电流的特点
1、集肤效应 ➢ 定义：当交变电流通过施感导体时，导体的
表面的电流密度最大，越向导体内部电流密 度越小，这种现象称集肤效应(或称表面效 应)。 ➢ 电流的频率越高，集肤效应越显著。
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§14.1 感应加热概述
➢ 涡流由表面向心部衰减规律（指数规律）
❖I0－表面涡流强度 ❖c－光速 ❖ρ－工件材料的电阻率 ❖u－工件材料的导磁率 ❖x－距工件表面的距离 ❖f－交流电频率