1、表面感应淬 火的研究综述引言：随着经济和生产技术的飞速发展，汽车、拖拉机、航空、仪表、冶金、国防等工业对零件的要求越来越高。热处理可以提高零件性能，延长使用寿命，因此，在同民经济中起着重要的作用，并成为生产过程中一个不可缺少的环节。 表面淬火是热处理的一种工艺，仪对零件的表面进行处理，以达到改善零件表面的性能，而保持心部的性能不变。正确选择表面淬火工艺必须了解零件的工作情况和服役条件，零件的结构、形状及使用的材料等各个方面1，从生产和使用角度去考虑解决方案原则是从实际出发且经济有效。 当前，表面淬火技术的理论和应用技术发展很快。在基础研究方面，最活跃的钡域是应用计算机模拟计算感应加热温度场、磁
2、场的变化等，在这方面已取得了许多成果，发表了大量的文献。同时我国从国外引进了大量的表面淬火设备、技术和软件等，使我国的表面淬火技术水平得到了很大的提高。今后，如果能够将感应加热的热效应和温度场、磁场等随时间变化，并结合表面加热相变、冷却相变、残余应为分布、零件变形与性能预测等用软件统一起来2，应用于生产领域，必然也会推动其他表面淬火技术的进步，表面淬火技术将会发展到一个更高的层次。本文主要对感应淬火的原理及目前研究的现状做简单的介绍。1.感应加热表面淬火的原理 表面淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。齿轮，凸轮，曲轴及各种轴类等零件在扭曲，弯曲等交
3、变载荷下工作，并承受摩擦和冲击，其表面要比心部承受更高的应力。因此，零件的表面要求具有较高的强度，硬度和耐磨性，要求心部具有一定的强度，足够的塑性和韧性。采用表面淬火工艺可以达到这种表硬心韧的性能要求。它在热处理领域中占有重要地位，这一技术已经在我国被广泛应用。 感应加热表面淬火的使用频率不同，可以分为超高频(27MHz)、高频(200-250kHz)、中频(25008000Hz) 和工频 (50Hz)。由于电流频率不同，加热时感应电流透人深度不同。使用高频时，感应电流透入深度很小（约 0.5mm） ，主要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火3；使用中频时感应电流透人深度（约 510 mm）t
4、 主要用于中、小模数的齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火；使用超高频时，感应电流透人深度极小，主要用于锯齿、刀刃、薄件的表面淬火；使用工频时，电流透人深度较大(超过 10mm)，主要用于冷轧辊表面淬火。感应加热表面淬火是表面淬火方法中比较好的一种，因此，受到普遍的重视和广泛应用。2 感应加热表面淬火的优缺点：与传统热处理相比，感应加热表面淬火有以下的优点4。 1）感应加热属于内热源直接加热，热损失小，因此加热速度快，热效率高。 2）加热过程中，由于加热时间短，零件表面氧化脱碳少，与其他热处理相比，零件废品率极低。 3）感应加热淬火后零件表面的硬度高，心部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺 L敏感性，故
5、冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。 4）感应加热设备紧凑，占地面积小，使用简便（即操作方便） 。5）生产过程清洁，无高温，劳动条件好。 6）能进行选择性加热。 7）感应加热表面淬火的机械零件脆件小，同时还能提高零件的力学性能（如屈服点、抗拉强度、疲劳强度） ，同样经过感应加热表面淬火的钢制零件的淬火硬度也高于普通加热炉的淬火硬度。 8）感应加热设备可放置在加工生产线上，通过电气参数对过 程进行精确的工艺控制。9）和用感应加热淬火，可用普通碳素结构钢代替合金结构钢 制作零件而不降低零件质量，所以，在某些条件下可以代替工艺复 杂的化学热处理。 10）感应加热小便应用于零件的表面淬火，还可以
6、用于零件的内孔淬火，这是传统热处理所不能达到的。 然而，感应加热表面淬火也有其本身的不足5。 1）设备与淬火工艺匹配比较麻烦，因为电参数常发生变化。2）需要淬火的零件要有一定的感应器与其相对应。 3）要求使用专业化强的淬火机床。 4）设备维修比较复杂。3 感应加热的原理 感应加热是将零件置于感应器内，当有一定的电流频率的交流电通过感应器时，在零件表面就有感应电流产生，此电流分布在表面，井以涡流的形式出现，迅速加热表面使其达到淬火温度，然后切断电源，并将零件急速冷却，实现感应如热表面淬火。 2.1 电磁感应 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
7、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。 感应加热的原理如图 1 所示，感应电动势的瞬时值为： 式中 e 瞬时电势， V； 零件上感应电流商路所包围面积的总磁通，Wb，其数值随感应器中的电流强度和零件材料的破导率的增加而增大，并与零件和感应器之间的间隙有关。 d/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
8、P 相应也就越大。中的负号表示感应电势的方向与 d 巾dt 的变化方向相反。 零件中感应出来的祸渣的方向，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潍回路的电抗，可表示为7 式中 I 涡流电流强度，A； II Z自感电抗，； III R零件电阻，； IV X阻抗， 由于 Z 值很小，所以 I 值很大。 零件加热的热量为 式中 Q热能，J； t加热时间，s；对铁磁材料（如钢铁）而占，涡流加热产生的热效应可使零件，温度迅速提高。钢铁零件是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交变磁场中，零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变8。在交变磁场的作用下，磁分子因磁场方向的迅速改变将
9、发生激烈的摩擦发热，因而也对零件加热起一定作用，这就是磁滞热效应。这部分热量比涡流加热的热效应小得多。 钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点 A2(768)以下存在，在A2 以上，因钢铁零件失去磁性，所以磁滞热效应不存在奇因此，对钢铁零件而言，在 A2 点以下，加热速度比在 A2 点以上时快。3.2 感应加热中产生的感应电流的基本特征 2.2.1 表面效应（集肤效应） 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
10、。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8，又称表面效应。因此，零件感应加热时，其感应电流在零件中的分布从表面向中心里指数衰减（图 2） ，可表示为 式中 Io零件表面最大的电流（涡流）强度，A ； Ix距零件表面某一距离的电流（涡流）强度，；到零件表面的距离，cm； 电流透人深度，cm，它是与材料物理性质有关的系数 由上式可知：时，IxIo 当时；时.368Io 工程上规定，当电流（涡流）强度从表面向内部降低到表面最大电流（涡流）强度的 0. 368（即 lo/e）时，则该处到表面的距离就称为电流透人深度。 这样规定是由于分布在金属零件表面
11、的电流（涡流） ，只在零件表面深度为的薄层中通过，但它并不能全部用于将零件表面加热，而是有一部分热量被传到零件内部或心部损耗了9，此外，还有一部分热量向零件周同的空间热辐射损失了。由于涡流所产生的热量与电流（涡流）强度的平方成正比，凼此由表面向内部的热量降低速率比涡流降低速率快得多3.2.2 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
12、，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。3.2.3 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，圆柱杖（圆环状或螺旋圆柱管状）的外侧没有电流流过。3.2.4 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
13、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，为设升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。4 先进的感应淬火技术 4.1 电源 国外 IGBT、MOSFET 和 SIT 全固态晶体管电源技术逐步成熟，并已商品化、系列化，目前有1200kW、50kHz;50100kHz、30600kW;300kW 、80kHz; 低频段有取代晶闸管电源趋势;MOSFET 多采用并联振荡电路，SIT 多采用串联谐振电路，功率高达 1000 kW、频率 200kHz 和400kW、400kHz。它们都是
14、电子管式高频电源的理想替代产品。当输出功率与电子管电源相同时，节电 35%40% ，节省安装面积 50%，节约冷却水 40%50%。随着科技的进步，在高频感应淬火领域，MOSFET 有望取代 SIT。4.2 淬火机床 感应淬火机床更加趋向自动化，CNC 控制逐渐增多，自动分检零件与自动识别进机零件功能的机床增多。 （1）通用淬火机床 通用淬火机床朝柔性化方向发展，一台淬火机床可以对不同性能要求的同零件感应加热淬火。德国研制的一种曲轴淬火机床，法兰件感应淬火柔性加工系统略加调整能处理不同尺寸的相似工件;对于轴类零件在一定直径范围内(如 30mm)与长度 300800 mm 范围内，对于相似淬火要求的轴类零件淬火机能自动编制 14 种程序，自动识别进机零件;Robotron.Eiotherm 最近推出了双主轴立式淬火机，在一个紧凑的工艺单元内进行工件的淬火与回火，能处理轮轴、三槽套及其他万向节件，转换工件只需 25min ，用计算机编程，根据工件号在 2 min 内就可调出有关工艺数据 ;一汽引进的 GH 公司数控淬火设备通用性强、自动化程度，在复杂零件上可实现多段变功变速，编程容易、操作方便。 (2)专用淬火机床 专用淬火机床更加专用化，采用机械手上下零件，加热、淬火、
