热处理原理工艺及设备概述(PPT67页)

§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，仅在一薄层内进行加热。当电流透入深度大于 淬硬层深度后，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。
§14.1 感应加热概述
涡流由表面向心部衰减规律（指数规律）
Ix
I0
exp(
2
c
f x)
I0－表面涡流强度 c－光速 ρ－工件材料的电阻率 μ－工件材料的导磁率 x－距工件表面的距离 f－交流电频率
§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。
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。
§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。
感应加热示意图
热 处 理 原 理 工艺及 设备概 述(PPT67页 )
热处理原理、工艺及设备
PRINCIPLES, TECHNOLOGY AND EQUIPMENTS FOR HEAT TREATMENT
第三部分 热处理设备（4）
Equipments for Heat Treatment
热 处 理 原 理 工艺及 设备概 述(PPT67页 )
感应加热示意图
激光加热表面淬火
§14 感应加热设备
优点：工艺简单，工件畸变小、氧化脱碳少， 生产效率高，节能，环境污染少，可以实现局 部、快速处理，工艺过程容易实现机械化和自 动化。
特点：零件加热不依靠外部热源（如传导、对 流、辐射），而是交流电源通过感应器对零件 表面产生交变电流，工件表面形成闭合回路， 依靠金属本身电阻来实现加热。
§14.1 感应加热概述
❖ 趋肤效应（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表示磁通量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
பைடு நூலகம்
§14.1 感应加热概述
§14.1 感应加热概述
5、 电流捷径 电流在流动时，往往是沿电阻小的部位进行，
有时感应器的厚度有变化时，应考虑电流走捷 径对加热的影响。
§14.1 感应加热概述
在感应器的导电管 之间，如多匝感应 器的匝与匝之间存 在邻近效应，感应 器与加热工件之间 也存在邻近效应， 在感应器的设计中 ，巧妙利用邻近效 应可提高感应器的 效率。
§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。 圆环效应有利于感应器对外圆柱 零件的表面感应加热，但不利于 对工件内孔进行加热。
§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。
§14.1 感应加热概述
透入式加热较传导式加热有如下特点 电流透入深度大于淬硬层深度后，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。
热能来源：涡流热效应（主要热源）和磁滞热 效应。
§14 感应加热设备
组成
感应加热电源 淬火机床 感应器 设备冷却和淬火冷却介质循环系统
分类
装置频率：超高频、高频、超音频、中频、工 频
变频方式：电子管变频、机式变频、晶体管变 频、固体电路逆变及工频加热装置
§14.1 感应加热概述
§14.1 感应加热概述
二、感应加热设备的分类 工频感应加热设备 中频感应加热设备 高频感应加热设备
§14.1 感应加热概述
§14.1 感应加热概述
三、中高频电流的特点 1、趋肤效应 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， 这种现象称趋肤效应（或称表面效应)。 电流的频率越高，集肤效应越显著。
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。
§14.1 感应加热概述
2、邻近效应 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邻近效应。 导体内电流的频率越高，邻近效应越明显。