20141015_感应淬火热处理

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2.4.2 淬火深度与频率 f 经验规律
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2.5 电阻率 ρ
电阻率（resistivity）是用来表示各种物质电阻特性的物理量。 某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20℃时）导线的电阻，叫 做这种材料的电阻率。 电阻率的单位：国际单位制中，电阻率的单位是欧姆· 米(Ω·m或ohmm)，常用单位是欧 姆· 平方毫米/米 电阻率的计算公式为：ρ=RS/L。 ρ为电阻率——常用单位Ω·m S为横截面积——常用单位㎡ R为电阻值——常用单位Ω L为导线的长度——常用单位 几种金属导体在20℃时的电阻率


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
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0.3 环状效应（也称圆环效应或环流效应）
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（圆环状或螺旋圆柱管状）的外侧没有电流流过。 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。 简单记忆：可模拟两端反向的临近效应，异向相吸，所有电流在圆环内侧
Q 0.24I 2 Rt

—感应电流有效值（安），R——工件电阻（欧），t——时间（秒）
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2.3 零件表面涡流强度 Ix
涡流热效应 Q总=Q+Q′，将零件表层加热， （Q′磁滞热效应，比涡流热效应小的多）


涡流强度随高频电磁场强度由零件表面向内层逐渐减小而相应减小的规律，称为表面 效应。

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0.4 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，为设计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。
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2.4.1 感应加热淬硬层的深度经验公式
感应加热淬火表层淬硬层的深度，取决于加热的厚度，而加热的厚度又取决于交流电 的频率，一般是频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系，有 如下经验公式： 20°C 时 δ=20/√f f为交流电流频率 800°C 时 δ=500/√f 感应器到工件表面的距离越近，越节省能量。但须考虑过近烧坏零件等

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
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0.3.1 邻近效应与环状效应 对比
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侧流动（指多匝线圈的临近效应）。 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，进而改善其耦合度。 当内孔直径小时则利用导磁体迫使电流沿感应器的外侧流动。
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1、中频感应淬火的设计原理及特点
中频感应淬火设备是利用电磁感应、集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理，使工件表 层快速加热，并快速冷却的热处理工艺。是将工件放在铜管制成的感应器内，当一定 频率的交流电通过感应器时，处于交变磁场中的工件产生感应电流，由于集肤效应和 涡流的作用工件表层的高密度交流电产生的电阻热，迅速加热工件表层，很快达到淬 火温度，随即喷水冷却，工件表层被淬硬。 感应加热时，工件截面上感应电流的分布状态与电流频率有关。电流频率越高，集肤 效应越强，感应电流集中的表层就越薄，这样加热层深度与淬硬深度也就越薄。淬硬 度根据客户的要求，可通过调节电流频率来获得不同的淬硬层深度。 中频感应淬火特点： 1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高 2.工件因不是整体加热，变形小 3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少 4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、 疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。 有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命 5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好 6.便于机械化和自动化 7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。
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2.1 电磁感应电势
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零件内产生感应电流，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。 感应线圈通交流电→交变磁场→表面感应电势 感应加热的原理如图1所示，感应电动势的瞬时值为： N 2 是工件的等效匝数 2 e= 瞬时电势V； φ—零件上感应电流商路所包围面积的总磁通，单位Wb，其数值随感应器中的电流强 度和零件材料的磁导率的增加而增大，并与零件和感应器之间的间隙有关。 dφ/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。 负号表示感应电势的方向与dφ ／dt的变化方向相反。
50300 / r f (mm)
从上式可以看出，当材料电阻率ρ 、百度文库对磁导率μr给定后， 透入深度△仅与频率f平方根成反比， 此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。 频率越高，工件的加热厚度就越薄
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0.5.1 导磁体
导磁体也称为磁场集中器，是由磁性材料制成的叠片或块状原件 感应器加装导磁体，利用导磁体的槽口效应，可调整电流在感应器上的流经部位 材料是通常是硅钢片，厚度通常为0.2~0.35mm （变压器硅钢片），导磁体表面需做绝缘处理，即涂漆或磷化处理。
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大纲
0、术语和定义 1、中频感应淬火的设计原理 2、计算公式 3、感应淬火的金相组织 4、感应淬火工艺参数设计 5、感应器的设计和研究 6、成本及效率相关 7、检验和试验 8、5S改进
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0.1 集肤效应 skin effect
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，又称表面效应。 简单记忆：交流电，沿表面。频率高，密度大
感应淬火热处理
Ted 2014-10-15
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大纲
0、感应淬火的五大效应 1、中频感应淬火的设计原理 2、计算公式 3、感应淬火的金相组织 4、感应淬火工艺参数设计 5、感应器的设计和研究 6、改进可能性 7、检验和试验 8、5S改进



d e N dt
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2.2 涡流强度及热量 I & Q
零件中感应出来的涡流的方向，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流回路的电抗，可表示为[7] I—涡流电流强度，A； Z—自感电抗，Ω； R—零件电阻，Ω； X—阻抗，Ω 由于Z值很小，所以I值很大。 零件加热的热量为 2

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0.2 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[10]。频率越高，两导体靠得越近，邻近效应就越显 著。 简单记忆为：异向相吸，同向相斥。
I I e
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2.4 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最大涡流强度的1/e(即 36.8% )，该处到表面的距离△称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平 方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量 (85～90%)集中在厚度为△的薄层中。透入深度△由下式确定：
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0.5 导磁体的槽口效应
一根矩形截面的铜导体，将其放在导磁体的槽口之中，当高频电流通过导体时， 电流将只在导磁体开口处的导体表面层流过，这一现象称为导磁体的槽口效应。 导磁体具有很高的磁导率，磁阻很小，通电导体产生的磁力线，将集中穿过槽口 底部的导磁体，显然在槽口底部的导体交链了最多的磁通，产生了最大的自感电动势， 同理在槽口开口处的导体产生了最小的自感电动势，于是高频电流被迫在这里流过。 利用导磁体的槽口效应，我们可以将高频电流驱逐到圆环感应器的外表面，这样 可以提高内孔表面的加热效率。 导磁体使磁通量向槽口集中，所以槽口通常朝向零件待淬火的位置
Ix表示离表面x处的涡流强度： I0-表面最大的涡流强度；x-到工件表面的距离；Δ-与工 x 件材料物理性质有关的系数。

当x=0时，Ix = I0 x 0 当x＞0时，Ix＜I0 当x=Δ时，工程规定，当涡流强度从表面向内层降低到表面最大涡流强度的36.8%(即) 时，由该处到表面的距离Δ称为电流透入深度。
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0、术语和定义 1、中频感应淬火的设计原理 2、计算公式 3、感应淬火的金相组织 4、感应淬火工艺参数设计 5、感应器的设计和研究 6、成本及效率相关 7、检验和试验 8、5S改进

2 / / 0 r f (mm)
式中: ρ——工件电阻率（Ω•m ）, μ。——真空磁导率4π×10(H/m). μ——工件磁导 率(H/m ), μr——工件相对磁导率， ω——角频率(rad/s )， f——频率(HZ)。 将μ。和π的数值代入，即可得公式: