高中频感应淬火炉的工程设计方案方法.docVIP

高、中频感应加热淬火炉的工程设计方法 田志明 张利元 王玉 摘 要：本文主要论述了电磁感应加热在金属零件淬火热处理中的应用，叙述了零件感应淬火的工程规范，整个设备特别是高频电源的工程设计方法，对高频电源加热装置主要的元器件和负载进线了一定的论述。 关键词：感应加热 淬火 高频电源 金属热处理 1 引言 高、中频感应加热电源装置多用于机器金属零部件的热处理，大量应用于汽车和其它机器制造业。实践表明，感应热处理是最经济、最节能的热处理方法。《金属热处理》杂志1987年就报导了我国某地区单项热处理工序能耗综合测定结果：在13项各种热处理工艺的耗能数值比较后，高中频感应淬火耗能数值低到2~20倍。在热处理生产中能耗占可变成本的80％，因此感应热处理节能的经济效果是十分显著的。 感应热处理加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒。感应加热的零件升温速度可以达到200℃/s，甚至更高，因此其奥氏体晶粒更为细小。淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火得到高度弥散的回火组织，由于晶界的强化作用，使零件的强度与韧性得到提高。 感应加热表面淬火的零件，由于淬火层中马氏体比容增大，能形成相当大的残余压应力，其最大值可达539~784MPa，实践证明零件的疲劳强度与其表面压应力值有明显的对应关系，即压应力大，疲劳强度和疲劳寿命提高。 感应加热金属零部件淬火处理目的是增加其表面硬度，原理是：把工频电能转化为高频交变电流，并输入线圈中，在线圈内部及周围产生一个交变磁场，置于线圈内部的金属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产生感应电动势E，并在电动势作用下零件内出现涡流，涡流强度表面最大，由理论计算得知，电流透入深度层内所发生的热量占涡流发热总量的86.5％。由表面向心部按指数曲线衰减，这就是表面层被淬火热处理的过程。 图1 感应淬火装置图 a) 轴承淬火 b) 齿轮淬火 c) 工件淬火 图2 工件淬火照片 2 感应热处理工艺规范 感应热处理工艺规范制定包括：频率选择，加热方法和加热功率的确定，加热时间或连续淬火移动速度的选择，冷却介质和冷却参数的选择等。这里主要说明频率和功率的选择方法。 (1) 电流频率的选择 电流的频率决定加热透入深度，工件的加热方式、淬火质量和感应器设计。不同频率的电流在钢中的透入深度是不同的，频率越高电流透入深度越浅，频率越低透入深度越深。具体参考表1 表1 各种频率的电流热透入深度（钢） 频段 高频 超音频 中频 频率（Hz） 500~800 300~500 200~300 100~200 30~40 8 4 2.5 1 透热深度（mm） 0.7~0.56 0.9~0.7 1.1~0.9 0.7~0.5 2.9~2.5 5.6 0.79 10 15.8 表2 各种硬化层深度所需的电流频率（钢） 透热深度（mm） 1 1.5 2 3 4 5 6 8 最高频率（kHz） 250 110 62.5 27 15.6 10 7 3.9 最低频率（kHz） 15 6.7 3.75 1.7 0.94 0.6 0.42 0.23 最佳频率 （kHz） 60 27 15 6.7 3.8 2.4 1.7 0.94 为保证良好的感应加热表面淬火质量，一般是硬化层Ds小于电流透热深度，常选 圆柱形零件表面淬火时，硬化层Ds与频率f之间的关系可用下面的公式计算： 最高频率 最低频率 最佳频率 式中 Ds——硬化层深度(mm)。 除此之外，零件直径、硬化层深度和电流频率也有关系。 表3 零件直径、硬化层深度和电流频率关系（钢） 硬化层深度 (mm) 零件直径(mm) 电流频率（kHz） 1.0 3.0 10 20~200 200 0.4~1.3 6~25 好 好 1.3~2.5 11~16 中 好 好 16~25 中 好 好 好 25~51 好 中 中 51 中 好 好 差 差 2.6~5.1 19~51 好 好 差 差 50~100 好 好 中 100 好 中 差 (2) 功率密度与加热淬火的最大面积 比功率亦称功率密度，是感应加热表面淬火的一个重要参数。它表示单位时间向零件单位加热面积上输送