淬火感应器的选用.设计与制造

1、一 基础知识和基本概念本章介绍了电磁感应、表面效应、邻近效应、圆环效应、导磁体槽口效应以及表面感应淬火的频率选择、比功率选择等多方面的基础知识和一些重要的概念。理解和掌握这些知识，对于表面淬火感应器的结构选择和设计是十分必要的，对于使用和维护感应加热设备的技术人员、工人也是需要这方面的知识。l 电磁感应与感应加热导体有电流通过时，在其周围就同时产生磁场。磁场强度的大小与方向，决定于导体中电流的大小和方向。对于螺管线圈的导体，当电流强度I 的单位为A 、线圈的高的单位为二时，磁场强度H 为： H= （A/m） （1）式中 n 线圈匝数。对于通有电流的长直导线而言，环绕其周围的磁力线是若干个同心圆

2、，当电流强度I 的单位为A 时，各同心圆上磁场强度H 为：H = （A/m） （2）式中r 导线周围各点到导线的垂直距离m。每根磁力线都是环绕电流的闭合线，无起点终点之分。磁力线的方向用右手螺旋法则确定。图1 是螺旋线圈及其磁力线分布示意图。图2 是单根长直导线中电流及其周围磁力线分布示意图。 图1 螺旋线圈及其磁力线分布示意图 图2 单根长直导线中的电流及其周围磁力线分布示意图磁场的强弱还可以用另一个物理量表示，即磁感应强度B , 它与磁场强度H 有关，也与介质的导磁特性有关，其表达式为：BH ( T ) ( 3 ) 式中 磁导率（H/m）。它表征磁介质被磁化程度的量，是衡量各种物质导磁性能

3、好坏的物理量。由实验确定真空的磁导率0为：04×10-7 ( H / m ) 为了便于比较各种物质的导磁性能，需要引入相对磁导率的概念。任何一物质的磁导率与真空磁导率0的比值叫相对磁导率r：r = /0 (4) = r0 (5)相对磁导率为无量纲的物理量，它说明在相同的条件下，任一物质的磁感应强度是真空中的多少倍。根据各种物质导磁性质的情况，可将物质分为三种类型。磁导率比真空的磁导率0稍大一点的物质称为顺磁性物质，如空气、铅、锡等，它们的相对磁导率r值在1.000 0031.000 014 之间，磁导率比真空的磁导率0略小一点的物质称为反磁性物质，如氢、铜、石墨、银、锌等，它们的相对

4、磁导率r值在0.999 9950.999 97之间。磁导率远大于真空的磁导率0的物质称为铁磁性物质，如铁、钢、铸铁、镍、钻等，它们的相对磁导率r大到几百至几千，而且不是常数。例如，钢的温度超过居里点（磁性转变点）770，其磁导率下降为1。在电流强度等条件相同的情况下，铁磁性物质中所产生的磁场比顺磁性物质和反磁性物质中的磁场强几千甚至几万倍以上。工厂中用于感应加热的零件材料一般都由铁磁物质构成。图3 是室温下工业纯铁与不同成分的钢的磁导率产随磁场强度H 的变化曲线。图3 室温下磁导率产与磁场强度H 的关系1一工业纯铁2一含C 0.3的钢3一含C 0.45的俐4一含C 0.6的例5一含C 0.83

5、的钢注：10e79.6A/m在磁场里，垂直穿过某一横截面积s 的磁力线根数叫做傲通量确，用下式表示：BS HS ( Wb) ( 6 ) 当线圈中通有交变电流时，在线圈的内部及其周围就产生一个交变磁场，置于线圈内部的工件就被交变磁场的磁力线所切割，于是在铁磁材料的工件上将有感应电动势产生，并在电动势作用下产生涡流（见图4）。图4 零件在交变磁场中产生涡流按电磁感应定律，感应电动势e可用下式求得：e= ( 7 ) 由于感应加热的电流是按正弦规律变化：I = Imsin2ft所以该电流所产生的磁通的变化也遵循正弦规律变化：=msin2ft =m2fcos2ft于是得感应电动势e： e=-m2fcos

6、2ft (8) 零件中涡流回路的阻抗Z 按下式计算：Z (9) 式中R涡流回路电阻，XL涡流回路感抗。则涡流强度i等于：i= （A） (10) 由于Z通常很小，i自然很大，使涡流回路产生很大热量，其热量可由焦耳一楞次定律确定：Q = i2Rt ( J ) (11) 进行感应加热主要依靠这种热量，其次磁性材料的“磁滞现象”也能引起一定的热效应。2 表面效应（集肤效应）当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀的，即各处电流密度相等。但是，当交流电通过圆柱导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，当电流频率相当高时，导体的中心可以没有电流，而全部集中在导体的表面层，这种现象称为高频

7、电流的表面效应，如图5 所示。产生表面效应的根本原因是交流电通过导体时产生与外加电动势方向相反的自感电动势，而自感电动势在圆柱导体中心最强、表面最弱，因此使电流趋向表面。图5 高颇电流的表面效应由于表面效应的作用，导体横截面上的电流密度从表面到中心按指数规律递减，距表面z 处的电流I 二由式（12）确定：Iz (12)式中I0表面电流的最大值；c光速；导体材料的磁导率；导体材料的电阻率；f电流频率。在工程上，以Iz的幅值降到I0的1 /e (e= 2.178，则1/e36.79%）处的深度为电流透入深度，并用表示（见图5)，用式（13）进行计算。= (mm) (13)由式（13）可知，电流透入

8、深度与、f有关，当增大，、f减小时，f将增大。铁磁性的工件放在感应器中，感应器通入高频交流电流，于是在工件表面出现涡流。涡流是由进入工件的交变磁场引起的，而磁场从工件的表面到心部也是按指数曲线衰减，因此涡流的最大值也集中在工件的表面，这也同样称做表面效应。由式（11）可知，热量Q与涡流强度i的平方成正比，所以热量的最大值也发生在工件的表面层。由理论计算得知，电流透入深度J 层内所发生的热量占涡流所发生全部热量的86.5%。到表面的距离图6 涡流的分布和表层热量的关系。图6 表示了涡流的分布与表面层所发生热量的关系。钢铁材料在感应加热过程中，其P 和产是变化的。电阻率P 同磁场强度无关，但却随温

9、度上升而增大。磁导率I ，不仅与磁场强度有关（见图3 ) ，而且与材料的温度有关，当温度上升到居里点时减小到1。例如，含C0.8 %的碳钢从室温20升高到800时，电阻率由2010-5·cm升高到80010-4·cm，而磁导率由20100 降到800=l。从式（13）可以看出，当电流频率f 不变时，由于和的变化可以有不同的电流透入深度，材料在室温下的电流透入深度称为冷态电流透入深度，用20或冷表示。由子此时和基本是定值，20只与频率f有关： 紫铜的冷态电流透入深度：20 （mm） ( 14 ) 结构钢的冷态电流透入深度：20 （mm） ( 15 )材料在高温时的电流透入深度

10、称为热态电流透入深度，例如1000 时的热态电流透入深度用1000或热表示。这是感应淬火选择频率时的重要参数。此时由于与已是定值，所以1000也只与频率f有关，对于结构钢可用式（16）、式（17）计算： 1000 ( mm ) ( 16 ) 800 ( mm ) ( 16 ) 图7 是钢的和与温度的关系曲线。图7 钢的、与温度的关系示意图表1 是不同材料在不同温度不同电流频率下的电流透入深度。表1 各种材料在率同电涟级率卞的电流透入深度材料温度电阻率×106·cm磁导率H/m在下列电流频率时（Hz）电流投入深度（mm）501032.5×1038×1031

11、50×103250×103500×103结构钢2010602.80.640.40.220.050.040.03奥氏体钢2020132.27.154.52.50.580.460.32结构钢和奥氏体钢1000130185.519.012.06.71.551.20.85铝202.9112.02.71.70.950.210.170.12铝60011.3124.05.43.41.70.420.340.24紫铜202.019.52.11.340.750.160.130.095黄铜207.0118.74.22.571.480.320.260.19黄铜65014.7127.46.

12、13.862.160.470.390.273 邻近效应两邻近的导体，例如两汇流排或感应线圈与被感应加热的零件，在有电流通过的情况下，由于电流磁场的相互作用，在导体上的电流将重新分布，这种现象被称为邻近效应。图8 反向及同向交变电流所表现的邻近效应a）反向电流b）同向电流如图8a 所示的两根矩形截面的导体通有大小相等、方向相反的交变电流，其邻近效应的表现为电流在两导体内侧的表面层流过，导流层的厚度就是电流透入深度。在磁场方面的表现是，两导体之间磁场强度增强，两导体的外侧磁场强度减弱。产生这种邻近效应的原因是两导体之间的总磁通不仅通过中间的空气，也从导体内部通过，所以各条电流线交链的磁通量不同，导

13、体外侧的电流线交链的磁通比内侧的多，因此感应电动势外侧比内侧大，致使电流从导体内侧通过。如图8b 所示的两根矩形截面的导体通有大小相等、方向相同的交变电流，其邻近效应的表现为，电流在导体外侧的表面层流过，导流层的厚度就是电流透入深度。在磁场方面的表现是，两导体内侧磁场互相抵消，强度最弱，而导体外侧磁场叠加，强度最强。产生这种效应的原因是两导体内侧电流线所交链的磁通大于导体外侧电流线所交链的磁通，因此导体内侧的感应电动势大于外侧的感应电动势，使电流趋于外表面。邻近效应不局限于两矩形截面的导体，两圆形截面的载流导体同样也会出现邻近效应，其表现形式与矩形截面的载流导体时的情况相同。同轴电缆导体上电流

14、的分布也决定于邻近效应。同轴电缆，是由中间的圆柱形导体和其外部套着的管子组成，两者中轴线重合，见图9 所示。图中两条电路，其中电路1 由内导体轴线和外导体外表面组成，电路2 由内导体表面和外导体内壁组成。当然电路的末端联在一起，使电路闭合。很明显，沿电路1 中的电流线将比沿电路2 中的电流线交链更多的磁通，具有更大的感应电动势，使电流阻抗增加，于是电流只在电路2 通过，形成了同轴电缆的邻近效应。同轴电缆在输送高频或中频电能时，远比矩形截面或其他截面的导线阻抗小，材料利用率高。图9 同轴电缆中的邻近效应邻近效应在感应线圈与被感应加热的零件之间也有表现。图10 是邻近效应对涡流分布的影响。图a 表

15、明有效导体是单根圆管用于加热平板时，平板上的涡流呈圆弧状，并与圆管导体相对应，图b 表明有效导体是单根方管时，平板上的涡流层是平直的；图c是圆环感应器用于加热实心圆柱零件时，间隙各处均等，有效圈上的电流层和零件表面的涡流层均是平直而均等的，图d 表明圆环感应器内零件放斜了，造成间隙各处不等，在间隙小的地方感应器上的高频电流层及零件上的涡流层都比较厚，而间隙大的地方两者都比较薄。图10 邻近效应在感应加热时的表现a）单很圆管导线加热平板 b）单根方管导线加热平板c）圆环感应器间隙均等时加热零件 d）圈环感应器间晾不等时加热零件导体之间的距离越小，邻近效应越强烈（图11 ) ，电流频率越高，邻近效

16、应越强烈。高、中频供电系统的母线和电缆及感应器汇流排的设计都要充分利用邻近效应，在保证绝缘强度的情况下，其间距越小越好，可以明显地减少回路阻抗。图11 导体间的距离对邻近效应的影响4 圆环效应圆环形的导体通入高频（或中频）交变电流时所产生的磁场在环内空间集中，环外分散，见图12。环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体自身，这样就使环形导体外侧交链的磁通多于内侧，子是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电流透入深度层中流过，这种现象称为高频电流的圆环效应。图12 圆环效应用圆环效应也可以解释螺旋管形多匝线圈中的电流分布情况，电流将沿螺旋管形多匝线圈的内侧电流透入深度

17、的层中流过。如果在螺旋管形线圈中放入一个圆柱形的钢质工件，如图13。当线圈中通入高频电流，由于圆环效应的作用，电流将沿线圈的内侧流过。由于磁通集中于线圈内部，在圆柱形工件上产生感应电动势，即产生电流i2，其方向与i1相反。由于邻近效应的影响，电流i2将沿工件的表面流过，在工件本身则表现为表面效应。图13 多匝螺旋管形线圈中置入圆柱形工件时的电流分布常用的圆柱形零件表面淬火的感应器是单匝的，当高频电流通入感应器时，由于圆环效应的作用，高频电流沿感应器内侧流过，见图14，所产生的磁通穿过工件表面，并形成感应电流使工件加热。图14 单匝外圆淬火感应器圆环效应还可看成一端连在一起的具有大小相等、方向相

18、反的两个载流导体的邻近效应。借助圆环效应原理我们用来解释，置于同一圆环导体之中和导体之外的圆柱工件和圆筒工件的加热效率不同的原因，见图15。在圆柱工件与圆筒工件和线圈的藕合距离完全相同时，圆柱工件加热剧烈，升温很快，而圆筒则加热缓和，升温很慢。由于圆柱工件充分利用了加热线圈的圆环效应，磁通密集，而圆筒则远离线圈电流，磁通稀疏的缘故。图15 圆环线圈之内和之外置入圆柱工件和圆筒工件与淬火工件的电流分布bl一俐捧加热宽度 b2一间原a一钢筒加热宽度 一磁力线5 导磁休的槽口效应我们把一根载有交变电流的矩形截面的铜制导体放在由“”型硅钢片叠起的导磁体的槽口之中，由于硅钢片最高相对磁导率r= 7500

19、，远超过铜和空气的相对磁导率，磁阻很小，所以磁通力求在硅钢片导磁体内通过。导磁体的槽口底部通过了全部磁通，靠上面的磁力线一部分通过导体，而另一部分通过空气闭合。显然，这样分布的磁通，使槽口底部导体交链了较多的磁通，产生的自感电动势较大，电流较小，而槽口上部的导体只交链穿过空气的磁力线，交链磁通很少，自感电动势很小，电流则较大。图16 表示了置于导磁体槽口之中的矩形截面的导体上的电流分布情况及磁场强度分布的情况，我们把这一现象称为导磁体的槽口效应或者导磁体的趋流效应。图16 导磁体的槽口效应及导体中电流和磁场的分布H-磁场强度I-电流密度导磁体槽口深度越大，电流频率越高，则导磁体的槽口效应越强烈

20、。利用导磁体的槽口效应可以把导体中的电流驱逐到导体的任何位置，以提高感应器的加热效率。图17 是将型硅钢片导磁体槽口向外加在圆环导体上，使圆环导体上的电流趋于外表面，在该感应器用于内孔加热时，强化了邻近效应，提高了内孔的加热效率。图18 是导磁体槽口向下加在圆环导体上，使圆环导体上的电流趋于下表面，抵消圆环效应，在该感应器用于平面加热时，强化邻近效应，提高平面加热的效率。 图17 导磁体槽口向外的内 图18 导磁体槽口向下的孔加热感应器平面加热感应器 1一导体2一导磁体3一淬火工件6 透入式加热和传导式加热感应加热由于设备频率和功率的限制存在着两种加热方式，即透入式加热和传导式加热。当零件的淬

21、火加热层小于电流热透入深度热时，且零件得到的比功率为合适值时，零件可以进行透入式加热。当零件的淬火加热层大于电流热透入深度热时，且零件得到的比功率小于合适值时，零件的感应加热是传导式加热。透入式加热时，当感应线圈刚刚接通电流，涡流在零件表面层按冷态电流透入状态分布（图19 曲线1 ) ，越趋近表面涡流强度越大，表面升温也快，在表面层瘟度超过居里点失去磁性时，加热层就分为两层，即表面的失磁层和里面与其毗连的未失磁层。图19 钢板感应加热时涡流强度的变化( f= 200kHz ) 1一加热开始（20oC ) 2一加热中间3一加热到800 失磁层内材料的磁导率急剧下降至1 ，造成涡流强度I明显下降，

22、因而最大的涡流强度出现在两层交界处，使交界处的升温速度大于表面的升温速度，交界线不断地向内纵深推移，直到热透入深度达到热为止。透入式加热层的温度分布见图20a，图中T 为淬火温度，T为表面过热度，为淬火加热层（全奥氏体层），n为加热过渡层。从图中可知，加热过渡层远小于淬火加热层，一般n( 0.250.3 ）。传导式加热一般是使用电流频率较高设备时出现，此时，电流热透入深度较小，所以当失去磁性的高温层超过热态电流透入深度热以后，涡流完全按照热态分布。在继续加热时，热量基本上是依靠厚度为热的表层析出。由于热传导的作用，加热层的厚度不断增加，因此零件截面上的温度梯度很小，温度曲线平缓。由图20b可知

23、，传导式加热过热度T比较大，与透入式加热相比，其加热过渡层n明显增厚，这对淬火性能是不利的。传导式加热其淬火加热层、比功率P0、表面过热度T及钢的热导率久存在下列关系：P0=或 T= (18)式中30W / ( mK) ( 1000 时钢的平均热导率）由式（18 ）可知，增大比功率P0，表面过热度T也增加，此时加热时间可以缩短，反之，减小P0T也减小，加热时间就将增加。由图20 温度分布曲线可知，两种加热方式的热效率完全不同。透入式加热淬火，加热层内过热度T很小，热量向心部散失也很小，因此热效率较高。而传导式加热淬火，加热层内过热度T很大，热量向心部传导很多，使心部升温，因此热效率很低。 图2

24、0两种感应加热方式的温度分布曲线a）透入式加热b）传导式加热一悴火加热层n一加热过渡层传导式加热的热效率（热）动按式（19 ）计算：热= （19）式中z 热流扩展深度。因abc与ab1c1相似，故得Z= (20)将式（20）代入式（19）得热= 由于过热度T 与2 倍的淬火温度比值是很小的，可以忽略，于是得到：热= （21）式中K剩余热量系数。由于淬火温度T 不能很低，过热度T又不能太大，所以通常K都比较大。例如，淬火温度T = 900 时，过热度T=100 ，则K = 4 . 5 ，那么热效率热20 %，即在感应加热时，传导式加热热效率是相当低的。从图20a 可见，透入式加热不存在很大的剩余

25、热量三角形，因此热效率较高，一般可达到3040 % , 在加热相同零件时，透入式加热能耗只是传导式加热能耗的一半。在设备频率很高，淬火层深度又较深时，即热，加热效率很低。这时，提高比功率P0，能使T增加，加热时间减短，提高热效率。但P0过大，将造成零件表面严重过热，降低零件的机械性能，甚至造成废品。两种加热方式的几项指标比较列于表2 。研究该表，我们可以得出以下几点结论，l）在频率较高、热透入深度较小时，使用很小的比功率仍能造成较大的表面过热度；2）由于频率高，势必只能是用较小的比功率值，然而比功率越小，加热时间越长，电能消耗越多。表2 两种加热方式指标比较淬火层深度（mm）频率300kHz热

26、1.095mm频率2kHz热13.4mm加热时间（s）比功率（kW/cm2）电能消耗(W·h/cm2)加热时间（s）比功率（kW/cm2）电能消耗(W·h/cm2)表面过热度（）表面过热度（）100501005010050202020234591522283560901100.50.40.30.250.250.200.150.1251.251.651.851.952.53.33.73.92.53.44.35.11.351.301.050.950.941.131.231.35加热方式传导式加热透入式加热7 电流频率的选择在表面效应一节中我们已经了解，不同频率的电流在钢中的透热

27、深度是不同的，频率越高投入深度越浅，频率越低，透入深度越深。尤其是电流热透入深度，直接影响工件的加热方式和淬火的质量。因此，对于感应淬火和感应器设计，选择合适的电流频率是十分重要的。我们可以用式（17）计算出国产高、中频设备加热刚才工件时，热透入深度800，并列于表3。表3 各种频率的电流热透入深度频段高频超音频中频频率（Hz）5008003005002003001002003040842.51800（mm）0.70.560.90.71.10.91.61.12.92.55.67.91015.8在感应加热表面淬火的卖践中，为了得到高的生产率和良好的淬火效果（表面硬度高、残余压缩应力大、并使淬火过

28、渡层¼淬火层Ds) ，必须采取透入式加热方式，使淬火层Ds小于电流热透入深度800，而且最好是：Ds=½800 (22)圆柱形零件表面淬火时，淬火层Ds与频率f 之间的关系可用下面的公式计算：最高频率 fmax (23)最低频率 fmin (24)最合适频率 f= (25)式中Ds淬火层深度（mm）。利用公式（23）、式（24）、式（25）我们可以算出不同淬火层深度所需要的电流频率，并列入表4 中。表4 各种淬火层深度所需频率淬火层（mm）11.55234568最高频率（kHz )25011062.52715.61073.9最低频率（kHz )156.737.51.70.9

29、40.60.420.23最佳频率（kHz )6027156.73.82.41.70.94日本资料（图21 ）列出，圆柱形零件根据淬火层深度选择频率的数据，也有一定的参考价值。 图21 圆柱形零件的淬火层深度与频率的关系圆柱形零件在选择频率时，还应该考虑到零件直径的影响。据苏联学者研究，当电流热透入深度等于零件直径的30 时，感应加热的效率较低，最高不超过70 % ，而当电流热透入深度小于或等于直径的10 时，效率可达到80 以上。根据我们的经验将零件直径与电流频率之间的关系列于表5 。表5表面淬火零件直径与电流频率之间的关系零件直径（mm )1030255045100电流频率（kHz )200

30、3008.02.5齿轮感应淬火的频率选择是比较复杂的。齿轮形状复杂，要选择最佳频率，使其加热均匀，是很困难的，而模数m、齿数Z 及齿宽B 等参数的变化，都影响最佳频率的选择。齿轮淬火方法也是多种多样的，例如，全齿同时加热淬火法、全齿连续加热淬火法、单齿加热淬火法、沿齿沟连续加熟淬火法等等。而每种方法都有各自的选择频率的方法或经验。对于中、小模数齿轮和齿轮轴，采用全齿同时加热淬火或全齿连续加热淬火时，推荐使用苏联学者研究的经验公式（26 ) ： 最佳频率 f= ( kHz ) (26) 这一公式的计算结果与图22是接近的。图22 齿轮的棋数与频率的关系我国一些工厂在生产实践中积累的经验也可借鉴。

31、对模数2.54 之间的齿轮，使用较低的比功率时，可用200 ? 300 kHz 的高频设备，对模数46 的齿轮，可使用4080kHz 的超音频设备，对模数68 的齿轮，可使用2.58kHz 的中频设备，对模数m>8的大齿轮，可采用沿齿沟连续悴火法，选用高频或中频均能实现。齿轮淬火后，所使用的颇率是否合适，观察淬火层的分布情况即可一目了然。如图23 所示，当频率很高时，只有齿顶淬火，而频率适中时，齿顶和齿根都有淬火层，齿心部冲火层凸起，使心部保留适量的未经淬火的组织，增加了齿轮的韧性，频率较低时，齿部完全淬火，齿根悴火层平直，频率很低时，齿顶不能淬火。图23 同模数的齿轮用不同频率淬火而呈

32、现的淬火层情况a）频率过高b）频率适中 c）频率较低d ）频率很低应该说明，上述图表和公式所给出的频率数值并不是一个精确的或唯一的数值，它只是一个能获得良好淬火质量的频率带，也就是一定的频率范围。一般频率相差不很大时，淬火结果没有明显差异，即使有些差异，通过其他参数的调整也可以得到相同或相近的结果。8 比功率和同时加热淬火的最大面积比功率也称功率密度。比功率的定义是，感应加热时，零件所获得的功率PL与其加热面积SL的比值，多用P0代表，数学表达式为：P0= （kW/cm2） ( 27 ) 比功率是感应加热表面淬火时的一个重要参数，它表示单位时间内向零件单位加热面积上输送能量的大小。在合理的比功

33、率条件下，零件才能进行表层加热和快速加热。它对加热方式的影响有时超过频率的影响。比功率概念的理论依据是：1 cm3的钢由20缓慢加热到奥氏体转变温度所需要的热量为5000 J/ cm3而感应加热是快速加热，特别是透热式加热，一般加热时间为26s，就完成相变过程，升温速度为150500/s，这时必定提高相变点。有资料表明，40 钢加热速度分别为0.02、10、100和1000/s时，其相变终了的温度分别是800、840、870 和950。感应加热的淬火温度通常比普通淬火温度提高100 是很正常的。因此，感应加热与缓慢加热相比，其单位体积钢的相变所需热量增加1/8 1/7 ，也是有根据的。这样，1

34、 cm3的钢由室温用感应加热到900950，所需热量约为5667J。现在，用短时间（没有热传导的情况下）将工件表面层 cm的厚度感应加热到淬火温度，所需的单位功率是：P0= （kW/cm2） ( 28 )设淬火层厚度：=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5cm加热时间：他=2、3、4、5、6s求得比功率P0列于表6 表6 用式（28）计算出的P0值(cm)P0(kW/cm2)t(s)0.10.20.30.40.520.2830.5670.851.131.4230.190.380.570.760.944540.280.420.570.7150.340.450.5760.380.47注：空格处P

35、0大低，实践中很少使用。表6 所示的比功率值是理论数值，在实际生产中由于各种因素影响了感应器的加热效率以及为了追求高的生产率，采用的比功率值比理论值要大一些。表7 是实际生产中应用的比功率P0。有关资料介绍了轴类零件表面淬火时采用的比功率数值（表8) ，也有实用价值。表7 生产实际应用的比功率值比功率淬火方式同时加热淬火连续加热淬火比功率范围常用比功率比功率范围常用比功率中频淬火0.52.00.81.51.04.023.5高频淬火0.53.50.82.01.04.023.5表8 轴类导件衰面淬火的比功率频率（kHz）淬火层深度（mm）比功率低值最佳值高值5000.41.11.12.31.10.

36、51.60.81.91.2101.52.32.33.03.04.01.20.80.81.61.61.62.52.32.132.33.03.04.04.05.01.60.80.82.31.61.62.62.12.115.07.07.09.00.80.81.61.61.91.9选择比功率的具体数值时，要考虑以下因素对于轴类零件淬火，当面积较小、形状简单、淬火层较浅、原始组织比较细密、化学成分为中碳或者中碳低合金钢，可选用比功率范围的上限。反之，应该选用下限。例如形状复杂的零件（齿轮及花键轴等）、铸铁零件以及原始组织粗大或有组织偏析的零件，均应选用较小的比功率。内孔表面淬火和零件的平面淬火均应采用较

37、大的比功率。严格说，上述的比功率应称为零件比功率。它是零件加热时单位面积上的功率值。如何核算实际加热时的零件比功率呢？对于机械式中频设备：P0= （kW/cm2） ( 29 )式中Pj中频功率表的指示值，p中频淬火变压器效率，一般p8；g中频淬火感应器效率，一般g0.8。对于电子管式高频设备（该设备没有功率表）: P0= （kW/cm2） ( 30 )式中Uc槽路电压（kV)； Iao振荡管阳极电流（A )；r阳极电流利用系数，一般r = 1.7 ；n振荡管个数；p高频淬火变压器效率，一般p0.7；g高频淬火感应器效率，一般g0.7。 根据比功率的定义，还可引伸出一个重要概念，即同时加热淬火的

38、最大面积Smax。它是决定零件加热方法的重要参数。Smax= (31)式中PB变频设备的额定功率（kW)；p淬火变压器效率，按式（29）和式（30）选取；g淬火感应器效率，按式（29）和式（30）选取；P0min表面淬火比功率最小值，按表7 选取。按式（31）计算得出几种国产高、中频设备在使圆环感应器的条件下，同时加热淬火及连续加热淬火的最大面积（连续加热淬火的最大面积是指被圆环感应器包围的那一部分零件的面积）, 并列于表9 中。 表9 在几种设备上，两时加热淬火及连续加热淬火的最大面积电源种类电源设备的额定功率PB同时加热淬火面积连续加热淬火Smax最大面积Smax最大直径dmax机械式中频

39、发电机( 2.5kHz 和8 kHz）1001286420.4160204.8102.432.620025612840.825032016050.9电子管式高频设备( 100300kHz )6058.829.49.4100984915.62001969831.2注：连续淬火所用圆环感应器的有效圈高度为1cm，淬火面积宽度按1cm计算。近期的日文资料也有相近内容的介绍，也有参考价值。图24 是轴类零件同时加热悴火时，设备容量与被加热面积的关系。图25是轴类零件连续加热淬火时，设备容量与被加热面积的关系。图24 同时加热淬火时，设备容量与被加热面积的关系设备种类（图略）图25 连续加热淬火时，设备

40、容量与被加热面积的关系两种加热淬火方法所用设备的输出总效率均按70计算。同时加热淬火，P0取0.350.38kW /cm2；连续加热淬火，P0取2.02.2kW/cm2。据我们的经验判断升其前者偏低，而后者偏高。9 同时加热淬火法、连续加热淬火法和纵向加热整体淬火法（一）同时加热淬火法：当工件的淬火面积SL小于或等于变频设备的同时加热淬火的最大面积Smax时，可以选用同时加热淬火法。同时加热淬火法是将工件整体或一部分置于感应器之中或邻近位置，感应器接通高频或中频电流，使工件感应加热，待加热温度达到淬火温度后，切断电流，立即或间隔一段时间，对加热部分进行冷却，使该部位达到淬火目的的方法。同时加热

41、淬火法操作简单、控制容易，并能实现自行回火，具有高效、节能等优点，因此被广泛采用。用同时加热淬火法，要确定以下几个工艺参数：零件感应加热所需要的功率PL用式（32）计算：PL = P0SL( kW) ( 32 )式中P0零件比功率，根据电源设备种类，从表7 利表8 中选取；SL零件淬火面积（cm2）。确定设备输出功率Pj用式（33）计算Pj= ( kw) (33)式中，p和g分别为淬火变压器和感应器效率，根据电源设备种类，按式（29）和式（30）选取。实际变频设备输出功率的核对，机械式中频设备可以直接察看功率表，电子管式高频设备的实际输出功率可用式（34）计算得出。Pj= （34）式中各符号意

42、义与式（30 ）中相同。同时加热淬火的加热时间TH一般用图表法来确定。图26是统计我国某大型工厂多年生产经验和检验卡片而绘制的比功率P0、淬火层深度Ds与同时加热淬火的加热时间TH 的关系曲线。即在已知P0和Ds的前提下，通过该曲线查得TH 。使用条件是轴类零件、圆环感应器（间隙为23mm）、8000Hz机械式中频发电机。图26 使用8000Hz中频发电机同时加热淬火的P0DsTH “关系图图27 是日本资料介绍的轴类零件同时加热淬火的频率f ( Hz）、比功率P0（W/cm2）、淬火层深度Ds ( mm）及加热时间TH ( s）之间的关系曲线，即在已知f、P0和Ds的情况下求得TH0图27

43、同时加热淬火的fP0DsTH 关系图比功率ABCDEFGH加热时间曲线abcdefgh频率1061055*1041045*103103102苏联学者对感应热处理的工艺曲线有系统的研究，取得了成套的研究成果。下面介绍K.3.舍别列克夫斯基教授发表的一套曲线。图25 ，图29 ，图30 分别是使用2.5kHz、5kHz、250kHz 同时加热淬火的零件直径D、淬火层深度Ds、比功率P0及加热时间TH的关系曲线图28 频率2.5kHz 时，轴类零件同时加热淬火的DDsP0TH关系图（虚线为P0，实线为TH，线端数值为Ds)图29 频率为8 kHz 时，轴类零件同时加热悴火的D一Ds一P0TH关系图（

44、虚线为P0、实线为TH、线端数值为Ds )D ( cm ) 图30频率为250kHz 时，轴类零件同时加热悴火的D一Ds一P0TH 关系图（虚线为P0、实线为TH、线端数值为Ds) 当读者仔细研究这些曲线后会发现，相同的条件可能得不完全相同的结果，我认为可能是这些曲线的制作和使用条件不尽相同的缘故吧，也许相当数量的工程曲线均有这类问题，好在它们能够给读者一个参考数值，经过读者的试用和修正之后，可以得到一个准确的工艺参数，以减少读者的摸索时间和试验次数。同时加热悴火的冷却时间T 可用经验公式或试验法来确定。同时加热淬火的冷却方式一般采用喷射冷却。限制喷射冷却时间，可以在保证零件得到适当的淬火硬度

45、和淬火层深度的同时，保证零件得到自行回火。对于中碳钢和中碳低合金钢制作简单零件，可以使用水进行喷射淬火。如果零件加热时使用正常的比功率值，喷射压为0.10.3MPa 、水温为1530 ，同时加热淬火的冷却时间Tc可用式（35 ）计算：Tc= ( 12) TH (35) 对于形状复杂的零件例如，花键轴之拳的零件，用水喷射冷却，由于冷却能力太强容易产生淬火裂纹。因此，要采用合成淬火介质，例如聚乙烯醇、聚醚、聚二醇等聚合物的水溶液为淬火介质。这些淬火介质浓度和成分另有资料介绍，乒这里不多赘述。它们的鳖冷却能力如图31 所示。由图31可见，各种合成淬火介质的冷却能力均低于水，所以使用它们的冷却时间比水

46、的冷却时间要长一些。图31 各种淬火介质的喷射冷却速度一些形状复杂或成分复杂的工件，在感应加热终了，要间隔一段时间再进行淬火冷却，以达到热形满足要求，温度均匀和减少裂纹之目的。间隔的时间称为间隙时间，间隙时间一般通过实验来确定。（二）连续加热淬火法：当零件的淬火面积SL大于变频设备的同时加热淬火的最大面积Smax（见表9）时，应采用连续加热淬火法。连续加热淬火法是将工件置于感应器之中或邻近位置，使感应器与工件发生相对运动，感应器接通高频或中频电流，将工件感应加热到淬火温度，同时感应器或喷水器喷出淬火介质，使工件已经达到淬火温度的部分得以淬火，直到工件的淬火面积全部完成淬火之时，先切断感应器电流

47、，后停止淬火介质喷射。连续加热淬火法的最大特点是可以使用较小容量的变频设备处理大型工件，因此也被广泛地采用。连续加热淬火法要确定以下几个工艺参数：零件感应加热所需要的功率PL用式（36）计算：PL = P0SLG （36 ) 式中P0零件比功率，根据电源设备种类，从表7 中选取( kw / cm2) , SLG 零件被感应器所容纳的面积（cm2）。确定设备输出功率Pj用式（33）计算：Pj= (kW) 式中p和g分别是淬火变压器和感应器效率，根据电源设备种类，按式（29）和式（30）选取。变频设备的实际输出功率是否与Pj相一致，核对方法与同时加热淬火法相同。连续加热淬火工件与感应器的相对移动速

48、度V是连续加热淬火法的重要工艺参数，用图表法查取。图32 是统计我国某大型工厂的生产记录和检验卡片而绘制的发电机输出功率Pj、零件直径D、淬火层深度Ds和移动速度V的关系曲线。即在已知零件直径和淬火层深度的条件下查得Pj和V。该曲线的使用条件为轴类零件、圆环感应器（间隙35mm）及2500 ( Hz）的中频电机。图33 和图34 是美国资料，也有一定的参考价值。图33 和图34 中Pj0是设备比功率，它乘以pg等于P0。与图32 比较，在相同的比功率下，美国资料给出的V是比较大的，这是由于美国淬火机床的精度和控制技术水平高，使感应器零件之间达到最紧密的藕合，加热效率很高的缘故。图32 使用25

49、00Hz中频电机连续加热淬火的PjDDsV的关系图图33 连续加热悴火在3000Hz ( DS = 4 5mm ) 和10000Hz（Ds= 2.53.8mm）时的Pjo一V关系图图34 在Pjo=3 . 82kW / cm2时连续加热淬火的Ds一V关系图13000Hz，零件D=5cm 210000Hz，零件D=3.8cm 3500kHz，零件D=1.27cm 连续加热淬火的移动速度V相当于同时加热淬火法中的加热时间TH。如将连续加热感应器（高度为h）用于同时加热淬火，其加热时间为TH，那么连续加热淬火的V可用下式求得：V= （mm/s） (37)连续加热淬火的冷却时间，一般指加热终了后再继续冷却210s，以保证加热终端的充分冷却。连续加热淬火的零件在淬火过程中已经冷透，一般需要回火处理，以适当地降低硬度和残余应力，减少变形和开裂。连续加热淬火零件的回火多采用炉中回火和感应回火两种方法。炉中回火规范可参照普通热处理的低温回火规范，但加热温度应该适当降低，加热时间适当缩短。感应