高周波热处理(High-frequency induction hardening)

高週波熱處理

(High-frequency induction hardening)

前言

熱處理是藉著加熱與冷卻的操作，使金屬的組織改變,提升金屬本身的機械性質。熱處理可改善材料的特性，其中特性包括：強度、硬度、韌性、耐疲勞性、耐磨耗性、耐腐蝕性等等。

高週波熱處理是指一種利用感應對工件進行加熱的熱處理，因加熱的關係故應用在焠火、回火、正常化、退火、固體熔化、滲碳、熔接等，而一般業界運用於表面硬化，稱為高週波表面淬火，將高週波感應電流，容易集中在工件表面的特性，將表面急速加熱，然後淬火，而達表面硬化。

感應加熱原理

感應加熱原理是將磁性材料放入變化磁場內，會因電磁感應在物件內產生所謂渦電流(eddy current)；如圖 1 所示。用此渦電流對工件進行加熱。

圖 1 渦電流

如圖 2 所示，將金屬圓棒放入圓筒形線圈中，對線圈通以高週波電流，則線圈內

側產生交變磁束，電磁感應在金屬棒內產生電動勢，此電動勢使渦電流產生，又稱感應電流。渦電流的方向和線圈電流之方向相反。因為電流的頻率愈高，反向的電流愈接近，電阻降低，此稱近接效應，這兩種反向電流也隨著週波數的增高而分別向表面集中，此稱表皮效果(skin effect)；因此可使表面急速加熱，工件中心仍保持低溫或因熱傳導關係使中心溫度少量提升，此即利用高週波電流加熱的方法。

圖 2 電磁感應現象

渦電流的分佈呈指數函數的關係，如圖3 所示。設表面及表面下Xcm

處的電流密度為i。及ix，集中於金屬圓棒表面層附近的感應電流分佈

可表示為：

-x/δ

｜ix︱=｜io︱．E

電流的穿透深度與週波數f，導磁係數μs, 電阻係數ρ有關，如下式：

δ=5.03x103√ρ/(μs．f) (cm) 式中，

δ=穿透深度(cm) (penetration depth)

ρ=電阻係數(μΩ．cm)

f=週波數(Hz, 周/秒)

μs=比導磁係數

圖 3

高週波電流的表面加熱，影響因素(1)頻率，即週波數；(2)加熱時間；(3)外觀尺寸、形狀；(4)工件最大吸收電流等等。

如圖4 表示頻率(週波數)400kHz(δ=1.3mm)與20kHz(δ=3.4mm)，加熱時間6 秒，適當的電力密度使表面溫度達900°C 時的硬度(選擇高週波電力，以加熱時間6.0s 達成表面溫度900°C)分佈。頻率f(週波數)固定、加熱時間延長，使能量傳送時間增加而加熱層變大，硬化層也變大。

圖4 γ鐵週波數變化所致淬火硬度分佈的變化

圖5 所示是頻率f及加熱電力固定加熱時間變化的硬度分佈之變化情形。

加熱感應線圈

感應線圈在表面淬火的工件局部感應出高週波電流的線圈，形狀如圖6 ，通常ψ

5~10mm 銅管製作，將加熱物加熱，將物件放入此治具管圈中使高週波電流流入管圈。

圖 6：平面加熱時的形態及斷面圖。

A：被加熱工件 B：感應子 C：加熱層

感應線圈分為單卷管圈(如圖2-7)和多卷管圈。加熱面積小時，使用單卷管圈，反之，面情寬長時最好用多卷管圈，不過，管圈長度達直徑4 倍以上時，不易均勻加熱，原則上宜從一方開始逐步淬火---移動淬火方式。

圖 7：單卷管圈

多卷管圈如圖 8 所示。A．C 為普通的線圈，軸或圓物體的加熱，B 四角體加熱，D 為pan cake 餅式管圈，用於平面焠火；E用於斜齒輪，F 孔內面的加熱，G、H、I 為特殊型的管圈。

圖 2- 8：多卷管圈

感應線圈管線徑約ψ3~8mm，材質為銅，多卷管圈相互間的間隙要小，防止管圈因振動而接觸。管圈與高週波設備的導線為了減少其間的電感，應盡量減少間隙，提高管圈能率，比較圖9 的A 與B，可知B 管圈的加熱能率良好。

圖 9

結論

各種形狀工件作高週波淬火時，淬火影響因素在高週波電力、週波數、冷卻液及加熱線圈的外型設計。淬火工件外型單純時線圈的設計容易。不過，汽車引擎零件如：凸輪、曲柄，外型與尺寸複雜就有難度。