1、1Equipments for Heat Treatment2 随着科学技术的发展，表面热处理技术得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、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，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。可通过计算机控制实现无人操作。感应加热示意图感应加
2、热示意图感应加热示意图感应加热示意图激光加热表面淬火激光加热表面淬火3一、感应加热的基本原理一、感应加热的基本原理感应加热的物理基础感应加热的物理基础v将工件放在感应器中，当感应将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在其内器中通过交变电流时，在其内部产生交变磁场，由交变磁场部产生交变磁场，由交变磁场激发的感应电势将在工件的表激发的感应电势将在工件的表面产生面产生感应电流感应电流，这种电流又，这种电流又称称涡流涡流。因为工件材料的电阻。因为工件材料的电阻很小，所以不大的感应电势便很小，所以不大的感应电势便造成强度很大的涡流，从而释造成强度很大的涡流，从而释放出大量的焦耳热，使工件表放出大
3、量的焦耳热，使工件表面层温度迅速升高。面层温度迅速升高。4v集肤效应：集肤效应：涡流在工件表面最大，由表面向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。心部呈指数规律衰减的现象。v感应电动势的瞬时值：感应电动势的瞬时值：e-d/dt (V)式中：式中：d/dt表示磁通表示磁通对时间的变化率，负对时间的变化率，负号表示感应电动势方向与号表示感应电动势方向与d/dt方向相反。方向相反。v电流透入深度：电流透入深度：工程上规定，当涡流强度从工程上规定，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表面向内层降低到其数值等于表面最大涡流强度的强度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电倍
4、时，该处到表面的距离称为电流透入深度。流透入深度。对于碳钢：对于碳钢：=500f-1/2 (mm)f电流频率电流频率5感应加热的物理过程感应加热的物理过程v感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度很小，仅在此薄层内进行加热。但温度超过很小，仅在此薄层内进行加热。但温度超过A2点点后，表面由铁磁性变为顺磁性，表面电流密度下后，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，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
5、由表面向心部逐渐推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。这种加热方式移，同时自表面向心部依次加热。这种加热方式称为称为透入式加热透入式加热。与此同时，由于热传导的作用，。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。件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。6透入式加热较传导式加热有如下特点透入式加热较传导式加热有如下特点v表面的温度超过表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡点以后，最大密度的涡流流向内层，表层加热速度开始变慢，不流流向内层，表层加热
6、速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延易过热，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；长，表面继续加热容易过热；v加热迅速，热损失小，热效率高；加热迅速，热损失小，热效率高；v热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高。面压应力提高。7二、感应加热设备的分类二、感应加热设备的分类工频应加热设备工频应加热设备 f50Hz 10mm，适用于大型工件，适用于大型工件（如冷轧辊）（如冷轧辊）中频感应加热设备中频感应加热设备 f50010000Hz 5mm，适用于中小，适用于中小型工件型工件高频感应加热设备高频感应加热设备 f1003
7、00kHz 3mm，适用于大多数，适用于大多数工件表面淬火工件表面淬火89三、中高频电流的特点三、中高频电流的特点1、集肤效应、集肤效应定义：定义：当交变电流通过施感导体时，当交变电流通过施感导体时，导体的导体的表面的电流密度最大表面的电流密度最大，越向导体内部电流密，越向导体内部电流密度越小，这种现象称度越小，这种现象称集肤效应集肤效应(或称或称表面效表面效应应)。电流的频率越高，集肤效应越显著。电流的频率越高，集肤效应越显著。10涡流由表面向心部衰减规律（涡流由表面向心部衰减规律（指数规律指数规律）vI0表面涡流强度表面涡流强度vc光速光速v工件材料的电阻率工件材料的电阻率vu u工件材料
8、的导磁率工件材料的导磁率vx x距工件表面的距离距工件表面的距离vf f交流电频率交流电频率)2exp(0 xfcIIx11当当f 很高时，电流大部分集中在导体表面，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。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，以降低施感导体铜管制成，管内通水冷却，以降低施感导体温度。温度。122、临近效应、临近效应定义：定义：当两个载有高频电流的导体彼此相距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
9、流将重新分布。如很近时，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在两导体相邻的一面。这种电流向一侧集中的现象叫的现象叫临近效应临近效应。导体内电流的频率越高，邻近效应越明显。导体内电流的频率越高，邻近效应越明显。13143、圆环效应、圆环效应定义：定义：当高频电流流过环形导体时，电流在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
10、化，此时导体横截面上的分布将发生变化，此时电流电流仅仅集中在圆环的内侧仅仅集中在圆环的内侧，这种现象叫圆环效，这种现象叫圆环效应。应。圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环效应也越明显；效应也越明显；电流的频率越大，圆环效应也越显著。电流的频率越大，圆环效应也越显著。15当加热圆柱体的外表面时，圆环效应与邻近当加热圆柱体的外表面时，圆环效应与邻近效应一致，感应器中的电流与工件表面靠近。效应一致，感应器中的电流与工件表面靠近。但是对于加热内孔的感应器来说，圆环效应但是对于加热内孔的感应器来说，圆环效应与临近效应不一致，圆环效应使电流在感应与临近效应不一致，圆
11、环效应使电流在感应器施感导体内侧流过，因而电流距内孔表面器施感导体内侧流过，因而电流距内孔表面较远，邻近效应减弱，使加热效率降低。较远，邻近效应减弱，使加热效率降低。164、尖角效应、尖角效应定义：定义：当用感应器加热不规则形状工件表面当用感应器加热不规则形状工件表面时，工件的时，工件的尖角部位的加热强度尖角部位的加热强度远较其它光远较其它光滑平坦部位强烈，往往会造成过热滑平坦部位强烈，往往会造成过热(例如，齿例如，齿轮的齿顶部位轮的齿顶部位)，这种现象称做，这种现象称做尖角效应尖角效应。尖角效应是由于尖角效应是由于磁力线易于在尖角处集中磁力线易于在尖角处集中，感应涡流较强的缘故。感应涡流较强
12、的缘故。为了克服这一现象，在设计形状不规则的工为了克服这一现象，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件时，应适当加大尖角或凸出部位与感应器之间的间隙。之间的间隙。1718一、工频感应加热设备一、工频感应加热设备19构成：构成：供电系统供电系统工艺装备系统工艺装备系统f=50Hz（或（或60Hz）f=50Hz时，时，15mm当温度高于居里点（当温度高于居里点（700）时，）时，75mm工频感应加热速度小于中、高频感应加热，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而
13、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。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；不需要变频设备，设备简单，投资较低；20二、中频感应加热设备二、中频感应加热设备f=5010000Hz，又称，又称音频感应加热设备音频感应加热设备目前主要有目前主要有中频发电机中频发电机和和可控硅（晶闸管）可控硅（晶闸管）变频器变频器两种。两种。中频发电机是使用较早而广泛中频发电机是使用较早而广泛的设备，可控硅变频器是一种较先进的设备，的设备，可控硅变频器是一种较先进的设备，它有许多优点，在工业中也得到迅速地发展它有许多优点，在工业中也得到迅速地发
14、展和推广使用。和推广使用。中频发电机组构成：中频发电机组构成：电动机电动机中频发电机中频发电机激磁用电动机和发电机电容器降压变压激磁用电动机和发电机电容器降压变压器感应器器感应器2122三、高频感应加热设备三、高频感应加热设备 高频感应加热设备实质上就是一种高频感应加热设备实质上就是一种大功率大功率的频率变换装置的频率变换装置，它将，它将50Hz的工频电流转换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，因深度越浅，涡流强度越大，热量越集中
15、，因而加热速度越快，淬硬层也越薄，所以高频而加热速度越快，淬硬层也越薄，所以高频感应加热设备多用于要求淬硬层感应加热设备多用于要求淬硬层小于小于1mm的的中、小型零件。中、小型零件。2324高频感应加热设备构成：高频感应加热设备构成：阳极升压变压器阳极升压变压器高压整流器高压整流器电子管式高频振荡器电子管式高频振荡器高频降高频降压变压器（淬火变压器）压变压器（淬火变压器）高频技术发展方向：高频技术发展方向：电子管式向晶体管式改电子管式向晶体管式改变变25四、感应加热设备的选择四、感应加热设备的选择电流透入深度电流透入深度：根据集肤效应，工程上规定根据集肤效应，工程上规定当当Ix降至降至I0的的
16、1/e（e2.718）处的电流深度称）处的电流深度称为为电流透入深度电流透入深度。v钢铁材料热态电流的透入深度比冷态电流透入深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，钢铁在度大几十倍，钢铁在800900时时500/f1/2v感应加热时，感应加热时，热热越小，则淬硬层深度越小，则淬硬层深度x越浅；反越浅；反之，之，f 越小，越小，热热越大，则越大，则x越深。越深。26v如果时如果时热热 x，则加热时热量只集中于表层，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，要靠热传导传热，加热速度慢，生产率低，过渡层大，但功率可小；过渡层大，但功率可小；v如果时如果时热热 x
17、，加热速度快，表面辐射损失，加热速度快，表面辐射损失小，过渡层浅，但功率大小，过渡层浅，但功率大。v生产经验：生产经验：1.5104/x2 f 2.5105/x2 例如：例如：x2.0时时,fmax60000Hz,fmin4000Hz f 最佳最佳15000Hz 所以采用真空管或机式感应加热设备。所以采用真空管或机式感应加热设备。27五、感应加热设备功率的确定五、感应加热设备功率的确定工件单位面积功率工件单位面积功率P0P/F (kW/cm2)vP设备的总功率，设备的总功率，kWv设备的效率，设备的效率，%vF工件的加热面积，工件的加热面积，cm2v工件单位面积功率工件单位面积功率P0是计算工
18、件加热总功率和选是计算工件加热总功率和选择设备的依据。择设备的依据。vP0与淬硬层深度、工件大小、加热时间、电流频与淬硬层深度、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。的加热速度和淬硬层深度。28v对尺寸较小的工件，宜采用对尺寸较小的工件，宜采用P0大一些，反大一些，反之宜小一些。此外，加热方式对之宜小一些。此外，加热方式对P0的选择的选择也有影响。也有影响。在选择总功率在选择总功率P时，设备的效率应将变压器效时，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率、感应器效率和回路线传输效
19、率等考虑进去，且总功率满足工艺要求。去，且总功率满足工艺要求。29 感应器设计得是否合理会影响到加热层的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。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因此，感应器的设计对提高产品质量和经济效益至关重要。效益至关重要。一、感应器结构尺寸的设计一、感应器结构尺寸的设计 感应器的设计需要根据工件的形状、尺寸感应器的设计需要根据工件的形状、尺寸以及热处理技术要求来设计，由以及热处理技术要求来设计，由施感导体施感导体（感应圈）（感应圈）和和汇流板汇流板两部分组成。两部分组成。3031 感应器的设计主要
20、包括：感应器的设计主要包括：感应线圈的形状、感应线圈的形状、尺寸、圈数，感应圈与工件的间隙，汇流板尺寸、圈数，感应圈与工件的间隙，汇流板的尺寸与连接方法，冷却方式等的尺寸与连接方法，冷却方式等。其结构尺。其结构尺寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线圈的使用寿命等等来考虑。圈的使用寿命等等来考虑。321、感应器与工件的间隙、感应器与工件的间隙 感应器与工件的间隙大小直接影响到感应器感应器与工件的间隙大小直接影响到感应器的功率因数。的功率因数。间隙大，功率因数低；间隙小，功率因数高，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
21、小，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。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，设备功率小则影响，设备功率大则间隙大，设备功率小则间隙小。中频加热应比高频大，连续加热因间隙小。中频加热应比高频大，连续加热因要考虑移动也要大一些。要考虑移动也要大一些。332、感应器的尺寸、感应器的尺寸1）感应器的内径）感应器的内径 外圆表面加热用的施感导体采用矩形或方形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。截面的铜管绕成。内径：内径：DD02a （mm）D
22、0 工件的直径，工件的直径，mm a工件表面与施感导体内表面的间隙工件表面与施感导体内表面的间隙342）感应器的高度）感应器的高度 施感导体的高度会直接影响淬硬层分布。施感导体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：长轴件进行局部一次性加热：HL810 (mm)L淬硬区的长度淬硬区的长度短轴零件进行局部一次性加热：短轴零件进行局部一次性加热：HL2a (mm)a感应器与工件间隙，感应器与工件间隙，mm当轴形件淬硬层较长时，可采用多圈感应器。当轴形件淬硬层较长时，可采用多圈感应器。353、施感导体的圈数、施感导体的圈数 当工件直径较小，而淬硬区又较长时，可采当工件直径较小，而淬硬区
23、又较长时，可采用用双圈或多圈施感导体双圈或多圈施感导体，有较高的热效率。，有较高的热效率。多圈感应器可以改善汇流板与施感导体间的多圈感应器可以改善汇流板与施感导体间的电压分配，增加施感导体上的电压。电压分配，增加施感导体上的电压。但圈数也不宜过多，过多时使阻抗增加，功但圈数也不宜过多，过多时使阻抗增加，功率因数下降，效率低。率因数下降，效率低。364、冷却水路、冷却水路冷却水管的尺寸与电流频率、电流透入深度、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。加热方式和散热条件有关。v采用同时加热法时，要另设喷水圈或淬火采用同时加热法时，要另设喷水圈或淬火槽进行淬火冷却。槽进行淬火
24、冷却。v采用连续加热淬火法时，可采用自喷式感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，在感应器下应器，当要求喷水量较大时，在感应器下方另设独立喷水圈。方另设独立喷水圈。5、汇流板尺寸、汇流板尺寸 汇流板：感应圈两端与电源的连接部分。汇流板：感应圈两端与电源的连接部分。37二、导磁体和屏蔽作用二、导磁体和屏蔽作用1、导磁体、导磁体 圆环效应使电流集中于感应器内侧，有利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，以加强临近
25、效应，改变加热侧驱赶到外侧，以加强临近效应，改变加热区温度分布，提高热效率。区温度分布，提高热效率。382、电磁屏蔽、电磁屏蔽 对工件上不需要加热的凸台或尖角处加上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。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。免工件加热时产生的过热或裂纹。3940按生产方式分类：通用机床、专用机床按生产方式分类：通用机床、专用机床和生产线三大类。和生产线三大类。构成：构成：机架、升降部件、零件装夹及移机架、升降部件、零件装夹及移动部件、传动机构、上下料机构、工艺动部件、传动机构、上下料机构、工艺参数及程序控制机构等。参数及程序控制机构等。41一、火焰表面加热装置一、火焰表面加热装置4243二、激光表面加热装置二、激光表面加热装置
