感应加热设备概述课件

热处理原理、工艺及设备

PRINCIPLES,TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFOR

HEATTREATMENT第三部分热处理设备（4）Equipmentsfor

HeatTreatment热处理原理、工艺及设备

PRINCIPLES,TECHNO1§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。感应加热示意图感应加热示意图激光加热表面淬火§14感应加热设备随着科学技术的发展，表面2§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。热能来源：涡流热效应（主要热源）和磁滞热效应。§14感应加热设备优点：工艺简单，工件畸变小、氧化脱碳少，3§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感应加热设备组成4§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。

§14.1感应加热概述一、感应加热的基本原理将工件放在5§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§14.1感应加热概述趋肤效应（集肤效应）：涡流在工件6§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感应加热概述感应加热的物理过程7§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。§14.1感应加热概述透入式加热较传导式加热有如下特点8§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感应加热概述二、感应加热设备的分类9§14.1感应加热概述§14.1感应加热概述10§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。§14.1感应加热概述三、中高频电流的特点11§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感应加热概述涡流由表面向心部衰减规律（指数规12§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。§14.1感应加热概述当f很高时，电流大部分集中在导13§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。§14.1感应加热概述2、邻近效应14§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感应加热概述在感应器的导电管之间，如多匝感应15§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3、圆环效应16§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4、尖角效应17§14.1感应加热概述§14.1感应加热概述18§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5、电流捷径19§14.2感应加热设备一、工频感应加热设备§14.2感应加热设备一、工频感应加热设备20§14.2感应加热设备构成：供电系统＋工艺装备系统f=50Hz（或60Hz），电流透入深度δ>10mm（f=50Hz时，电流透入深度δ＝15mm），适用于大型工件，如冷轧辊、大车轮等大截面工件的表面淬火加热，也被广泛用于熔炼钢铁、铸铁及有色金属，还可以用于锻件锻造前的加热，热处理的正火或调质处理。特点：工频感应加热速度低，不易产生过热，整个加热过程易控制。§14.2感应加热设备构成：供电系统＋工艺装备系统21§14.2感应加热设备当温度高于居里点（700℃）时，δ＝75mm工频感应加热速度小于中、高频感应加热，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；§14.2感应加热设备当温度高于居里点（700℃）时，22§14.2感应加热设备二、中频感应加热设备f=500~10000Hz，又称音频感应加热设备，电流透入深度δ

≈5mm，用于中小型工件的淬火加热。中频发电机是使用较早而广泛的设备，其中可控硅变频器是一种较先进的设备，在工业中也得到迅速地发展和推广使用。§14.2感应加热设备二、中频感应加热设备23§14.2感应加热设备中频发电机组构成：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、感应器分类机械式晶闸管式§14.2感应加热设备中频发电机组构成：电动机、中频发24§14.2感应加热设备机械式中频变频装置（简称机式中频发电机）：能将50Hz工频电流转变成1000~8000Hz的中频电流优点：可靠耐用，维护费用低，可集中供电（一台机组可以供几台淬火机床轮流使用），变频机组利用率高；数台性能相近的中频装置可并联使用，提高输出功率。缺点：频率固定，使用范围受限，占地面积大，噪声大，耗水量大，电效率低（70%~75%），属淘汰产品，目前已停产。§14.2感应加热设备机械式中频变频装置（简称机式中频25§14.2感应加热设备晶闸管式（SCR）中频变频装置：亦称可控硅中频电源，有整流、滤波、逆变、控制及保护电路组成。感应淬火用的晶闸管中频电源频率一般为2.5~8kHz。优点：体积小、重量轻；无机械运动，噪声小；启动、停止方便；频率可根据零件需要调整，并在运行中自动跟踪，保持在最高功率因数下运行；安装容易；电效率可达90%。§14.2感应加热设备晶闸管式（SCR）中频变频装置：26§14.2感应加热设备§14.2感应加热设备27§14.2感应加热设备三、高频感应加热设备

高频感应加热设备实质上就是一种大功率的频率变换装置，它将50Hz的工频电流转换成几百千赫的高频电流，以满足感应加热的需要。电流频率越高，加热工件时电流透入深度越浅，涡流强度越大，热量越集中，因而加热速度越快，淬硬层也越薄，所以高频感应加热设备多用于要求淬硬层小于1mm的中、小型零件。§14.2感应加热设备三、高频感应加热设备28§14.2感应加热设备f

=100~300kHz，电流透入深度δ<3mm，适用于大多数工件表面淬火。分类电子管式高频感应加热装置晶体管式高频变频装置§14.2感应加热设备f=100~300kHz，29§14.2感应加热设备电子管式高频感应加热装置结构晶闸管调压器升压变压器高压整流器电子管振荡器微机控制调压系统优点：在高频率甚至超高频率、大功率方面有独特优势缺点：耗能高、体积大、相对效率低、危险性大§14.2感应加热设备电子管式高频感应加热装置30§14.2感应加热设备晶体管式高频变频装置结构整流器逆变器控制电路优点：体积小、重量轻，整机效率高，节能节水，随时可以起动和停机，输出功率调节方便，反应迅速，准确可靠，故障率低，整机使用寿命长。§14.2感应加热设备晶体管式高频变频装置31§14.2感应加热设备§14.2感应加热设备32§14.2感应加热设备四、感应加热设备的选择电流透入深度δ：根据趋肤效应，工程上规定当Ix降至I0的1/e（0.368，e

=2.718）处的电流深度称为电流透入深度。钢铁材料热态电流的透入深度比冷态电流透入深度大几十倍，钢铁在800~900℃时δ

=500/f1/2感应加热时，f越大，δ热越小，则淬硬层深度x越浅；反之，f越小，δ热越大，则x越深。§14.2感应加热设备四、感应加热设备的选择33§14.2感应加热设备如果δ热<<x

，则加热时热量只集中于表层，要靠热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但功率小；如果δ热≥

x

，加热速度快，表面辐射损失小，过渡层浅，但功率大。生产经验：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2

例如：x

=2.0时,fmax=60000Hz,fmin

=4000Hz

f

最佳＝15000Hz

采用真空管式感应加热设备。§14.2感应加热设备如果δ热<<x，则加热时热量34§14.3感应加热器设计概要

感应器设计得是否合理会影响到加热层的形状和深度以及设备功率能否正常发挥等。因此，感应器的设计对提高产品质量和经济效益至关重要，应根据工件的形状、尺寸以及热处理技术要求来设计设计要求：确保工件表面被均匀加热，电热效益高，自身损耗小，具有一定的强度和使用寿命，制作简单，工作稳定可靠，操作方便，装卸便捷。§14.3感应加热器设计概要感应器设计得35§14.3感应加热器设计概要感应器的组成有效圈（产生磁场加热工件的有效部分）汇流排（将电源电流输向有效部分）连接板（夹持装置，将前两者与淬火变压器夹紧）供水装置（冷却前两者、喷水冷却工件）有时感应器还装有导磁体、磁屏蔽环（片）、定位圈和支撑装置。§14.3感应加热器设计概要感应器的组成36§14.3感应加热器设计概要§14.3感应加热器设计概要37§14.3感应加热器设计概要

感应器的设计主要包括：感应器有效圈的形状、尺寸、圈数，感应器有效圈与工件的间隙，汇流板的尺寸与连接方法，冷却方式等。其结构尺寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线圈的使用寿命等来考虑。§14.3感应加热器设计概要感应器的设计38§14.3感应加热器设计概要1、感应器有效圈与工件的间隙感应器与工件的间隙大小直接影响到感应器的功率因数。从提高热效应的角度出发，感应器有效圈与工件的间隙越小越好。间隙大，功率因数低；间隙小，功率因数高，电流透入深度浅，加热速度快。但间隙过小，操作不方便，易产生短路，降低使用寿命。间隙大小还受到设备的功率和淬硬层深度的影响，设备功率大则间隙大，设备功率小则间隙小。连续加热时要考虑移动，间隙也要大一些。§14.3感应加热器设计概要1、感应器有效圈与工件的间39§14.3感应加热器设计概要2、感应器有效圈的尺寸1）感应器有效圈的内径

外圆表面加热用的施感导体采用矩形或方形截面的铜管绕成。内径：D＝D0＋2a（mm）

D0

－工件的直径，mma－工件表面与施感导体内表面的间隙§14.3感应加热器设计概要2、感应器有效圈的尺寸40§14.3感应加热器设计概要2）感应器有效圈的高度感应器有效圈的高度会直接影响淬硬层分布。长轴件进行局部一次性加热：H

=L+8~10(mm)L－淬硬区的长度短轴零件进行局部一次性加热：H

=L-2a(mm)a－感应器有效圈与工件间隙，mm当轴形件淬硬层较长时，可采用多匝感应器。§14.3感应加热器设计概要2）感应器有效圈的高度41§14.3感应加热器设计概要3）感应器有效圈的管壁厚度管壁厚度应根据电流在铜质导体中的趋肤效应以及感应器自身的强度要求来确定。感应器有效圈壁厚没有通水冷却时，其厚度为8~10mm，通水冷却时，厚度按下表选取。感应器的冷却出水温度不能大于60℃。频率/Hz感应器管壁厚度/mm10003.0~4.025002.08000~100001.5250000~40000001.0§14.3感应加热器设计概要3）感应器有效圈的管壁厚度42§14.3感应加热器设计概要3、感应器的圈数当工件直径较小，而淬硬区又较长时，可采用双圈或多圈感应器，有较高的热效率。多圈感应器可以改善汇流板与感应器间的电压分配，增加感应器上的电压。但圈数也不宜过多，过多时阻抗增加，功率因数下降，效率低。§14.3感应加热器设计概要3、感应器的圈数43§14.3感应加热器设计概要4、冷却水路冷却水管的尺寸与电流频率、电流透入深度、加热方式和散热条件有关。采用同时加热法时，要另设喷水圈或淬火槽进行淬火冷却。采用连续加热淬火法时，可采用自喷式感应器，当要求喷水量较大时，在感应器下方另设独立喷水圈。5、汇流板尺寸汇流板－感应圈两端与电源的连接部分。§14.3感应加热器设计概要4、冷却水路44§14.3感应加热器设计概要二、导磁体和屏蔽作用1、导磁体圆环效应使电流集中于感应器内侧，有利于加热圆柱零件。对于加热圆筒形零件内表面，则应在感应器上设置导磁体将电流从内侧驱赶到外侧，以加强邻近效应，改变加热区温度分布，提高热效率。§14.3感应加热器设计概要二、导磁体和屏蔽作用45§14.3感应加热器设计概要2、电磁屏蔽对工件上不需要加热的凸台或尖角处加上铜环或铁磁材料环，在环中因漏磁而产生涡流，涡流所产生的磁场方向与感应加热的磁场方向相反，使磁力线不能穿过那些不需要加热的部位，而起到屏蔽作用。

例如：对键槽、油孔打入铜钉进行屏蔽，避免工件加热时产生的过热或裂纹。§14.3感应加热器设计概要2、电磁屏蔽46§14.3感应加热器设计概要§14.3感应加热器设计概要47§14.4感应器的效率一、感应器的效率指感应器的输入功率与用于加热工件的有用功率之比η＝Pa/Pη－感应器的效率，%Pa－工件表面吸收功率（kW）P－输入感应器功率（kW）工件表面吸收功率Pa是计算工件加热总功率和选择设备的依据。

§14.4感应器的效率一、感应器的效率48§14.4感应器的效率Pa与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频率和加热方式等因素有关，其大小直接影响工件的加热速度和淬硬层深度。在选择总功率P时，设备的效率应将变压器效率、感应器效率和回路线传输效率等考虑进去，且总功率满足工艺要求。§14.4感应器的效率Pa与淬硬层深度、工件大小、加热49§14.4感应器的效率2、感应器的效率不应低于80%，提高感应器的效率应注意以下几点：1、感应器的有效圈、汇流排及连接板应该使用纯铜制造，这样对电流阻碍作用小，电效率高，无氧铜是首选材料。2、感应加热时，感应器与工件之间总有一定的间隙，总有部分磁力线不经过被加热工件的表面，而从间隙中通过，对工件不起加热作用，这就是漏磁。间隙越大，漏磁越大。§14.4感应器的效率2、感应器的效率不应低于80%，50§14.4感应器的效率3、磁力线穿过了工件，并转换成了热能，但这部分热能并没有被用于工件所需要加热的地方，而是加热了其他不应该被加热的部分，称为磁力线的逸散。为了提高感应器的效率，在感应器形状和尺寸的设计时，应充分考虑磁力线的分布。采用导磁体是克服磁力线逸散的有效途径。§14.4感应器的效率3、磁力线穿过了工件，并转换成了51§14.4感应器的效率4、根据工件的直径（或厚度）正确选择感应电流的频率，这是提高感应器效率的根本保证，工件直径（或厚度）与电流透入深度之比将决定电效率，两者关系见下表：工件直径/电流透入深度864210.60.4感应器效率（%）948565301041§14.4感应器的效率4、根据工件的直径（或厚度）正确52§14.4感应器的效率5、尽量采用矩形纯铜管代替圆形管制作感应器。矩形管和圆形管在截面上的电流分布不同。当间隙相同时，圆形管的漏磁和磁力线逸散非常严重，而矩形管比圆形管效率高10%。§14.4感应器的效率5、尽量采用矩形纯铜管代替圆形管53§14.4感应器的效率6、感应器的总阻抗由有效圈阻抗、连接板及汇流排阻抗、感应器与淬火变压器的接触阻抗组成。淬火变压器的输出电压一定时，电压在感应器上的分配是按阻抗的大小成正比分配。为提高感应器效率，有效圈长度与感应有效圈高度比值在5~10之间比较合适，如果小于5，应用多匝感应器。§14.4感应器的效率6、感应器的总阻抗由有效圈阻抗、54§14.4感应器的效率7、感应器的连接板与淬火变压器的接触要好。接触电阻增大时，会导致接触面发热、氧化、并使接触电阻进一步增大而形成恶性循环。8、在需要对很小面积的零件加热或需要提高对零件的某一局部加热功率时，可以在感应器上加装集流器（强流器），使感应器获得更大的功率，并传递到被加热的工件上。集流器可固定在感应器上，也可做成分离型，方便与被加热工件定位，使得感应器难以进入的零件部位得到加热。§14.4感应器的效率7、感应器的连接板与淬火变压器的55§14.5淬火机床淬火机床是感应热处理设备的重要组成部分，感应热处理要实现机械化、自动化，要保持稳定的热处理质量，减轻劳动强度，改善作业环境，就必须配备合适的感应淬火机床。分类按生产方式：通用型、专用型、生产线按感应电源的不同：高频、中频、工频淬火机床按处理工件类型的不同：轴类、齿轮、导轨、平面淬火机床、棒料生产线按主要传动形式：液压式、全机械式淬火机床按处理工件的装夹方式：立式、卧式淬火机床§14.5淬火机床淬火机床是感应热处理设备的重要组成部分56§14.5淬火机床构成机架：主要基础件，足够刚性、结构简单、宜采用铸铁件或型钢焊接，应考虑防锈和积水的排放。升降机构：便于装卸工件旋转部件：为使感应加热均匀，圆形工件加热时应旋转工件夹紧装置控制仪表：工作台上有位移表、转速表、淬火冷却介质流量计、水压计、测温计等。此外，还有淬火冷却介质管路及循环冷却系统，及必要的抽油烟、挡水和照明装置§14.5淬火机床构成57§14.5淬火机床立式淬火机床卧式淬火机床§14.5淬火机床立式淬火机床卧式淬火机床58§14.6其它表面加热装置一、火焰表面加热装置1、火焰表面热处理：用火焰加热工件的某些部位，使零件表面迅速被加热到预定温度，然后根据零件技术要求进行不同速度的冷却，以获得所需的组织性能。优点：加热温度高、速度快、时间短、设备简单，对操作场所要求不高，使用方便。缺点：工艺参数不易控制，往往依靠经验，热处理质量不易保证，易出现过热，不适合处理重要零件。§14.6其它表面加热装置一、火焰表面加热装置59§14.6其它表面加热装置2、火焰表面加热的方法固定（静止）位置加热法工件旋转加热法推进加热法联合加热法§14.6其它表面加热装置2、火焰表面加热的方法60§14.6其它表面加热装置3、火焰表面加热气源通常是氧乙炔混合气体，通过喷嘴燃烧对工件表面加热。常用气源还有：人工煤气、液化石油气、天然气、丙烷等。§14.6其它表面加热装置3、火焰表面加热气源61§14.6其它表面加热装置4、火焰淬火的主要装置喷射器、喷嘴、淬火机床、冷却装置，喷嘴形状直接影响火焰淬火的质量。1)喷射器：使可燃气体与氧按一定比例混合，形成火焰。一般分为射吸式和等压式两种。§14.6其它表面加热装置4、火焰淬火的主要装置62§14.6其它表面加热装置2）喷嘴：长期在高温下使用，需用高熔点合金或陶瓷材料制造。喷嘴形成的火焰应该与淬火部位的外形一致。平形：平面加热翘形：凹槽表面加热环形：滚轮、轴类及其他外圆表面或内圆表面加热角形：机床、导轨等角形工件的表面加热钳形：专门加热齿轮及类似形状的零件§14.6其它表面加热装置2）喷嘴：长期在高温下使用，63§14.6其它表面加热装置3）淬火机床火焰淬火时，为了满足产品的技术要求，火焰必须稳定地沿着工件表面移动，因此需配备专门淬火机床。相当部分的淬火机床是用普通的金属切削机床改装的，往往也能满足工艺要求。§14.6其它表面加热装置3）淬火机床64§14.6其它表面加热装置二、激光表面加热装置利用激光加热金属材料表面实现热处理。1）特点具有极高的功率密度，可使表面温度瞬时上升到相变点、熔点甚至沸点以上。激光加热结束后，由于加热时工件基体仍保持较低温度，被加热区域通过工件本身的热传导迅速冷却，可实现淬火的热处理效果。§14.6其它表面加热装置二、激光表面加热装置65§14.6其它表面加热装置2）组成激光器：由工作物质、激励系统和光学谐振腔组成。导光系统：将激光器输出的光束经光学元件导向工作台，聚焦后照射到被加工工件上。加工机床控制系统辅助设备安全防护装置：激光具有强大的能量，极易对人体产生一定的伤害。§14.6其它表面加热装置2）组成66§14.6其它表面加热装置§14.6其它表面加热装置67饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国符合国家和国际撒的方大哥给飞得更高是个搜狗是归属感是搞后呵呵敢死队敢死队敢死队好地方个地方豆腐花哈哈动画的发挥和家具风格就国防军广泛几个房间房管局房管局法国加工费交付给交付给交付给警方根据高房价法国警方交付给饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国68饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国符合国家和国际撒的方大哥给飞得更高是个搜狗是归属感是搞后呵呵敢死队敢死队敢死队好地方个地方豆腐花哈哈动画的发挥和家具风格就国防军广泛几个房间房管局房管局法国加工费交付给交付给交付给警方根据高房价法国警方交付给饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国69饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国符合国家和国际撒的方大哥给飞得更高是个搜狗是归属感是搞后呵呵敢死队敢死队敢死队好地方个地方豆腐花哈哈动画的发挥和家具风格就国防军广泛几个房间房管局房管局法国加工费交付给交付给交付给警方根据高房价法国警方交付给饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国70饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国符合国家和国际撒的方大哥给飞得更高是个搜狗是归属感是搞后呵呵敢死队敢死队敢死队好地方个地方豆腐花哈哈动画的发挥和家具风格就国防军广泛几个房间房管局房管局法国加工费交付给交付给交付给警方根据高房价法国警方交付给饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国71饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国符合国家和国际撒的方大哥给飞得更高是个搜狗是归属感是搞后呵呵敢死队敢死队敢死队好地方个地方豆腐花哈哈动画的发挥和家具风格就国防军广泛几个房间房管局房管局法国加工费交付给交付给交付给警方根据高房价法国警方交付给饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国72饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国符合国家和国际撒的方大哥给飞得更高是个搜狗是归属感是搞后呵呵敢死队敢死队敢死队好地方个地方豆腐花哈哈动画的发挥和家具风格就国防军广泛几个房间房管局房管局法国加工费交付给交付给交付给警方根据高房价法国警方交付给饭卡打开巴士风格反对广泛的的非官是大苏打发的发非官方共和国73热处理原理、工艺及设备

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HeatTreatment热处理原理、工艺及设备

PRINCIPLES,TECHNO74§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。感应加热示意图感应加热示意图激光加热表面淬火§14感应加热设备随着科学技术的发展，表面75§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。热能来源：涡流热效应（主要热源）和磁滞热效应。§14感应加热设备优点：工艺简单，工件畸变小、氧化脱碳少，76§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感应加热设备组成77§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。

§14.1感应加热概述一、感应加热的基本原理将工件放在78§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§14.1感应加热概述趋肤效应（集肤效应）：涡流在工件79§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感应加热概述感应加热的物理过程80§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。§14.1感应加热概述透入式加热较传导式加热有如下特点81§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感应加热概述二、感应加热设备的分类82§14.1感应加热概述§14.1感应加热概述83§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。§14.1感应加热概述三、中高频电流的特点84§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感应加热概述涡流由表面向心部衰减规律（指数规85§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。§14.1感应加热概述当f很高时，电流大部分集中在导86§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。§14.1感应加热概述2、邻近效应87§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感应加热概述在感应器的导电管之间，如多匝感应88§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3、圆环效应89§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4、尖角效应90§14.1感应加热概述§14.1感应加热概述91§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5、电流捷径92§14.2感应加热设备一、工频感应加热设备§14.2感应加热设备一、工频感应加热设备93§14.2感应加热设备构成：供电系统＋工艺装备系统f=50Hz（或60Hz），电流透入深度δ>10mm（f=50Hz时，电流透入深度δ＝15mm），适用于大型工件，如冷轧辊、大车轮等大截面工件的表面淬火加热，也被广泛用于熔炼钢铁、铸铁及有色金属，还可以用于锻件锻造前的加热，热处理的正火或调质处理。特点：工频感应加热速度低，不易产生过热，整个加热过程易控制。§14.2感应加热设备构成：供电系统＋工艺装备系统94§14.2感应加热设备当温度高于居里点（700℃）时，δ＝75mm工频感应加热速度小于中、高频感应加热，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；§14.2感应加热设备当温度高于居里点（700℃）时，95§14.2感应加热设备二、中频感应加热设备f=500~10000Hz，又称音频感应加热设备，电流透入深度δ

≈5mm，用于中小型工件的淬火加热。中频发电机是使用较早而广泛的设备，其中可控硅变频器是一种较先进的设备，在工业中也得到迅速地发展和推广使用。§14.2感应加热设备二、中频感应加热设备96§14.2感应加热设备中频发电机组构成：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、感应器分类机械式晶闸管式§14.2感应加热设备中频发电机组构成：电动机、中频发97§14.2感应加热设备机械式中频变频装置（简称机式中频发电机）：能将50Hz工频电流转变成1000~8000Hz的中频电流优点：可靠耐用，维护费用低，可集中供电（一台机组可以供几台淬火机床轮流使用），变频机组利用率高；数台性能相近的中频装置可并联使用，提高输出功率。缺点：频率固定，使用范围受限，占地面积大，噪声大，耗水量大，电效率低（70%~75%），属淘汰产品，目前已停产。§14.2感应加热设备机械式中频变频装置（简称机式中频98§14.2感应加热设备晶闸管式（SCR）中频变频装置：亦称可控硅中频电源，有整流、滤波、逆变、控制及保护电路组成。感应淬火用的晶闸管中频电源频率一般为2.5~8kHz。优点：体积小、重量轻；无机械运动，噪声小；启动、停止方便；频率可根据零件需要调整，并在运行中自动跟踪，保持在最高功率因数下运行；安装容易；电效率可达90%。§14.2感应加热设备晶闸管式（SCR）中频变频装置：99§14.2感应加热设备§14.2感应加热设备100§14.2感应加热设备三、高频感应加热设备

高频感应加热设备实质上就是一种大功率的频率变换装置，它将50Hz的工频电流转换成几百千赫的高频电流，以满足感应加热的需要。电流频率越高，加热工件时电流透入深度越浅，涡流强度越大，热量越集中，因而加热速度越快，淬硬层也越薄，所以高频感应加热设备多用于要求淬硬层小于1mm的中、小型零件。§14.2感应加热设备三、高频感应加热设备101§14.2感应加热设备f

=100~300kHz，电流透入深度δ<3mm，适用于大多数工件表面淬火。分类电子管式高频感应加热装置晶体管式高频变频装置§14.2感应加热设备f=100~300kHz，102§14.2感应加热设备电子管式高频感应加热装置结构晶闸管调压器升压变压器高压整流器电子管振荡器微机控制调压系统优点：在高频率甚至超高频率、大功率方面有独特优势缺点：耗能高、体积大、相对效率低、危险性大§14.2感应加热设备电子管式高频感应加热装置103§14.2感应加热设备晶体管式高频变频装置结构整流器逆变器控制电路优点：体积小、重量轻，整机效率高，节能节水，随时可以起动和停机，输出功率调节方便，反应迅速，准确可靠，故障率低，整机使用寿命长。§14.2感应加热设备晶体管式高频变频装置104§14.2感应加热设备§14.2感应加热设备105§14.2感应加热设备四、感应加热设备的选择电流透入深度δ：根据趋肤效应，工程上规定当Ix降至I0的1/e（0.368，e

=2.718）处的电流深度称为电流透入深度。钢铁材料热态电流的透入深度比冷态电流透入深度大几十倍，钢铁在800~900℃时δ

=500/f1/2感应加热时，f越大，δ热越小，则淬硬层深度x越浅；反之，f越小，δ热越大，则x越深。§14.2感应加热设备四、感应加热设备的选择106§14.2感应加热设备如果δ热<<x

，则加热时热量只集中于表层，要靠热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但功率小；如果δ热≥

x

，加热速度快，表面辐射损失小，过渡层浅，但功率大。生产经验：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2

例如：x

=2.0时,fmax=60000Hz,fmin

=4000Hz

f

最佳＝15000Hz

采用真空管式感应加热设备。§14.2感应加热设备如果δ热<<x，则加热时热量107§14.3感应加热器设计概要

感应器设计得是否合理会影响到加热层的形状和深度以及设备功率能否正常发挥等。因此，感应器的设计对提高产品质量和经济效益至关重要，应根据工件的形状、尺寸以及热处理技术要求来设计设计要求：确保工件表面被均匀加热，电热效益高，自身损耗小，具有一定的强度和使用寿命，制作简单，工作稳定可靠，操作方便，装卸便捷。§14.3感应加热器设计概要感应器设计得108§14.3感应加热器设计概要感应器的组成有效圈（产生磁场加热工件的有效部分）汇流排（将电源电流输向有效部分）连接板（夹持装置，将前两者与淬火变压器夹紧）供水装置（冷却前两者、喷水冷却工件）有时感应器还装有导磁体、磁屏蔽环（片）、定位圈和支撑装置。§14.3感应加热器设计概要感应器的组成109§14.3感应加热器设计概要§14.3感应加热器设计概要110§14.3感应加热器设计概要

感应器的设计主要包括：感应器有效圈的形状、尺寸、圈数，感应器有效圈与工件的间隙，汇流板的尺寸与连接方法，冷却方式等。其结构尺寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线圈的使用寿命等来考虑。§14.3感应加热器设计概要感应器的设计111§14.3感应加热器设计概要1、感应器有效圈与工件的间隙感应器与工件的间隙大小直接影响到感应器的功率因数。从提高热效应的角度出发，感应器有效圈与工件的间隙越小越好。间隙大，功率因数低；间隙小，功率因数高，电流透入深度浅，加热速度快。但间隙过小，操作不方便，易产生短路，降低使用寿命。间隙大小还受到设备的功率和淬硬层深度的影响，设备功率大则间隙大，设备功率小则间隙小。连续加热时要考虑移动，间隙也要大一些。§14.3感应加热器设计概要1、感应器有效圈与工件的间112§14.3感应加热器设计概要2、感应器有效圈的尺寸1）感应器有效圈的内径

外圆表面加热用的施感导体采用矩形或方形截面的铜管绕成。内径：D＝D0＋2a（mm）

D0

－工件的直径，mma－工件表面与施感导体内表面的间隙§14.3感应加热器设计概要2、感应器有效圈的尺寸113§14.3感应加热器设计概要2）感应器有效圈的高度感应器有效圈的高度会直接影响淬硬层分布。长轴件进行局部一次性加热：H

=L+8~10(mm)L－淬硬区的长度短轴零件进行局部一次性加热：H

=L-2a(mm)a－感应器有效圈与工件间隙，mm当轴形件淬硬层较长时，可采用多匝感应器。§14.3感应加热器设计概要2）感应器有效圈的高度114§14.3感应加热器设计概要3）感应器有效圈的管壁厚度管壁厚度应根据电流在铜质导体中的趋肤效应以及感应器自身的强度要求来确定。感应器有效圈壁厚没有通水冷却时，其厚度为8~10mm，通水冷却时，厚度按下表选取。感应器的冷却出水温度不能大于60℃。频率/Hz感应器管壁厚度/mm10003.0~4.025002.08000~100001.5250000~40000001.0§14.3感应加热器设计概要3）感应器有效圈的管壁厚度115§14.3感应加热器设计概要3、感应器的圈数当工件直径较小，而淬硬区又较长时，可采用双圈或多圈感应器，有较高的热效率。多圈感应器可以改善汇流板与感应器间的电压分配，增加感应器上的电压。但圈数也不宜过多，过多时阻抗增加，功率因数下降，效率低。§14.3感应加热器设计概要3、感应器的圈数116§14.3感应加热器设计概要4、冷却水路冷却水管的尺寸与电流频率、电流透入深度、加热方式和散热条件有关。采用同时加热法时，要另设喷水圈或淬火槽进行淬火冷却。采用连续加热淬火法时，可采用自喷式感应器，当要求喷水量较大时，在感应器下方另设独立喷水圈。5、汇流板尺寸汇流板－感应圈两端与电源的连接部分。§14.3感应加热器设计概要4、冷却水路117§14.3感应加热器设计概要二、导磁体和屏蔽作用1、导磁体圆环效应使电流集中于感应器内侧，有利于加热圆柱零件。对于加热圆筒形零件内表面，则应在感应器上设置导磁体将电流从内侧驱赶到外侧，以加强邻近效应，改变加热区温度分布，提高热效率。§14.3感应加热器设计概要二、导磁体和屏蔽作用118§14.3感应加热器设计概要2、电磁屏蔽对工件上不需要加热的凸台或尖角处加上铜环或铁磁材料环，在环中因漏磁而产生涡流，涡流所产生的磁场方向与感应加热的磁场方向相反，使磁力线不能穿过那些不需要加热的部位，而起到屏蔽作用。

例如：对键槽、油孔打入铜钉进行屏蔽，避免工件加热时产生的过热或裂纹。§14.3感应加热器设计概要2、电磁屏蔽119§14.3感应加热器设计概要§14.3感应加热器设计概要120§14.4感应器的效率一、感应器的效率指感应器的输入功率与用于加热工件的有用功率之比η＝Pa/Pη－感应器的效率，%Pa－工件表面吸收功率（kW）P－输入感应器功率（kW）工件表面吸收功率Pa是计算工件加热总功率和选择设备的依据。

§14.4感应器的效率一、感应器的效率121§14.4感应器的效率Pa与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频率和加热方式等因素有关，其大小直接影响工件的加热速度和淬硬层深度。在选择总功率P时，设备的效率应将变压器效率、感应器效率和回路线传输效率等考虑进去，且总功率满足工艺要求。§14.4感应器的效率Pa与淬硬层深度、工件大小、加热122§14.4感应器的效率2、感应器的效率不应低于80%，提高感应器的效率应注意以下几点：1、感应器的有效圈、汇流排及连接板应该使用纯铜制造，这样对电流阻碍作用小，电效率高，无氧铜是首选材料。2、感应加热时，感应器与工件之间总有一定的间隙，总有部分磁力线不经过被加热工件的表面，而从间隙中通过，对工件不起加热作用，这就是漏磁。间隙越大，漏磁越大。§14.4感应器的效率2、感应器的效率不应低于80%，123§14.4感应器的效率3、磁力线穿过了工件，并转换成了热能，但这部分热能并没有被用于工件所需要加热的地方，而是加热了其他不应该被加热的部分，称为磁力线的逸散。为了提高感应器的效率，在感应器形状和尺寸的设计时，应充分考虑磁力线的分布。采用导磁体是克服磁力线逸散的有效途径。§14.4感应器的效率3、磁力线穿过了工件，并转换成了124§14.4感应器的效率4、根据工件的直径（或厚度）正确选择感应电流的频率，这是提高感应器效率的根本保证，工件直径（或厚度）与电流透入深度之比将决定电效率，两者关系见下表：工件直径/电流透入深度864210.60.4感应器效率（%）948565301041§14.4感应器的效率4、根据工件的直径（或厚度）正确125§14.4感应器的效率5、尽量采用矩形纯铜管代替圆形管制作感应器。矩形管和圆形管在截面上的电流分布不同。当间隙相同时，圆形管的漏磁和磁力线逸散非常严重，而矩形管比圆形管效率高10%。§14.4感应器的效率5、尽量采用矩形纯铜管代替圆形管126§14.4感应器的效率6、感应器的总阻抗由有效圈阻抗、连接板及汇流排阻抗、感应器与淬火变压器的接触阻抗组成。淬火变压器的输出电压一定时，电压在感应器上的分配是按阻抗的大小成正比分配。为提高感应器效率，有效圈长度与感应有效圈高度比值在5~10之间比较合适，如果小于5，应用多匝感应器。§14.4感应器的效率6、感应器的总阻抗由有效圈阻抗、127§14.4感应器的效率7、感应器的连接板与淬火变压器的接触要好。接触电阻增大时，会导致接触面发热、氧化、并使接触电阻进一步增大而形成恶性循环。8、在需要对很小面积的零件加热或需要提高对零件的某一局部加热功率时，可以在感应器上加装集流器（强流器），使感应器获得更大的功率，并传递到被加热的工件上。集流器可固定在感应器上，也可做成分离型，方便与被加热工件定位，使得感应器难以进入的零件部位得到加热。§14.4感应器的效率7、感应器的连接板与淬火变压器的128§14.5淬火机床淬火机床是感应热处理设备的重要组成部分，感应热处理要实现机械化、自动化，要保持稳定的热处理质量，减轻劳动强度，改善作业环境，就必须配备合适的感应淬火机床。分类按生产方式：通用型、专用型、生产线按感应电源的不同：高频、中频、工频淬火机床按处理工件类型的不同：轴类、齿轮、导轨、平面淬火机床、棒料生产线按主要传动形式：液压式、全机械式淬火机床按处理工件的装夹方式：立式、卧式淬火机床§14.5淬火机床淬火机床是感应热处理设备的重要组成部分129§14.5淬火机床构成机架：主要基础件，足够刚性、结构简单、宜采用铸铁件或型钢焊接，应考虑防锈和积水的排放。升降机构：便于装卸工件旋转部件：为使感应加热均匀，圆形工件加热时应旋转工件夹紧装置控制仪表：工作台上有位移表、转速表、淬火冷却介质流量计、水压计、测温计等。此外，还有淬火冷却介质管路及循环冷却