東莞市力華機(jī)械設(shè)備有限公司鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理的基本原理鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理的基本原理包括:鋼材快速加熱的物理原理和鋼材快速加熱時(shí)的金屬學(xué)原理兩部分。現(xiàn)將這兩個(gè)基本原理分別介紹如下。一、鋼材感應(yīng)加熱的物理原理：感應(yīng)加熱是金屬快速加熱的方法之一。它能夠使用很高的能流密度，使鋼材迅速加熱到熱處理溫度，這種加熱方法具有很高的熱能利用率，在工業(yè)生產(chǎn)中得到比較廣泛地應(yīng)用。近期在鋼材快速熱處理領(lǐng)域得到快速發(fā)展。二、鋼材感應(yīng)加熱的基本電路與磁、電、熱能的地、轉(zhuǎn)化：感應(yīng)加熱的基本電路由交流電源G、電容器C、感應(yīng)線圈L和被加熱的鋼材M等部分組成?？梢哉J(rèn)為，它是一個(gè)由電感和電容組成的振蕩電路，加熱鋼材所消耗的能量由交流電源進(jìn)行補(bǔ)償。被加熱的金屬放置于感應(yīng)線圈中，向線圈卷入交流電流后，感應(yīng)線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。處于交變磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體切割磁力線，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流金屬內(nèi)部流動(dòng)，因克服其電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使金屬加熱。這就是磁、電、熱能的轉(zhuǎn)化過(guò)程，也誻感應(yīng)加熱過(guò)程。感應(yīng)加熱整個(gè)過(guò)程包括三次能量轉(zhuǎn)換：最初，由交變電源供給的電能，通過(guò)感應(yīng)線圈與電容器組成的回路轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能量；然后，磁力線切割金屬導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)電流而將磁場(chǎng)能量又轉(zhuǎn)化為電能；最后，電能克服金屬內(nèi)部電阻又轉(zhuǎn)化為熱能，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的加熱、由此可見(jiàn)，在三次能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生能量的損失。為了減少轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量損失，提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)的熱效率，應(yīng)當(dāng)對(duì)下列問(wèn)題做深入的了解。以下問(wèn)題是鋼材感應(yīng)加熱物理原理中的重要組成部分。（1）電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其定律；（2）電流的熱效應(yīng)及其定律；（3）感應(yīng)電流在金屬內(nèi)部的分布特點(diǎn)；（4）金屬內(nèi)部熱傳導(dǎo)與溫度的均勻化；（5）鋼材感應(yīng)加熱升溫過(guò)程的特點(diǎn)。三、電磁感應(yīng)現(xiàn)象與法拉第電磁感應(yīng)定律1、電磁感應(yīng)現(xiàn)象和法拉第電磁感應(yīng)定律，是感應(yīng)加熱的重要理論基礎(chǔ)一。（1）電磁感應(yīng)現(xiàn)象當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在其周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。固定的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體做切割磁力線運(yùn)動(dòng)，或在交變的磁場(chǎng)中導(dǎo)體靜止不動(dòng)。在這兩種情況下，導(dǎo)體內(nèi)部均會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種電與磁的相互轉(zhuǎn)化和互為依存的現(xiàn)象，稱為電磁感應(yīng)現(xiàn)象。（2）感應(yīng)加熱鋼材的磁場(chǎng)類型，鋼材感應(yīng)加熱使用螺旋狀感應(yīng)器和平板形感應(yīng)器。這兩種感應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)各不相同。螺旋形感應(yīng)器通入交變電流后，產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，縱向磁場(chǎng)的磁力線平行于被加熱鋼材的軸線。平板式感應(yīng)器通入感應(yīng)器交變電流后，產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)，橫向磁場(chǎng)的磁力線垂直穿過(guò)被加熱的鋼材。不同類型的磁場(chǎng)，在鋼材內(nèi)部均產(chǎn)生感應(yīng)電流進(jìn)行加熱。但是，其用途不同，縱向磁場(chǎng)感應(yīng)加熱應(yīng)用于棒材、管材、線材的加熱；橫向磁場(chǎng)感應(yīng)加熱應(yīng)用于薄板、鋼帶、焊縫的加熱。2、法拉第電磁感應(yīng)定律（1）法拉第電磁感應(yīng)定律定量地表達(dá)了電與磁之間的關(guān)系。法拉第電磁感應(yīng)定律：在交變磁場(chǎng)內(nèi)的閉合回路中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小，與穿過(guò)回路的磁通量（磁力線數(shù)目）的變化率d直徑/dt成正比。為了實(shí)現(xiàn)鋼材快速加熱，必須增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，使鋼材內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流。這是實(shí)現(xiàn)鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理的基本重要甕聲條件。3、電流的熱效應(yīng)與焦耳-楞茨定律：電磁感應(yīng)現(xiàn)象和電流的熱效應(yīng)共同構(gòu)成感應(yīng)加熱的物理基礎(chǔ)。（1）電流在金屬內(nèi)部流動(dòng)，實(shí)際上是金屬內(nèi)部的自由電子做定向移動(dòng)。移動(dòng)的自由電子經(jīng)常同金屬中做熱運(yùn)動(dòng)的原子相碰撞，這種碰撞阻礙了自由電子的定向移動(dòng)。即原子熱運(yùn)動(dòng)?xùn)|莞市力華機(jī)械設(shè)備有限公司對(duì)電流起了阻礙作用，這種阻礙誻電阻。因此自由電子為了做定向移動(dòng)就必須克服這種阻力而消耗能量。這部分消耗的能量就轉(zhuǎn)化為熱能，于是就產(chǎn)生了電流的熱效應(yīng)。感應(yīng)回執(zhí)就是利用感應(yīng)電流的熱效應(yīng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的回執(zhí)。（2）焦耳一楞茨定律：電流熱效應(yīng)的定量關(guān)系是由英國(guó)物理學(xué)家焦耳和俄國(guó)物理學(xué)家各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的，故命名為焦耳一楞茨定律。焦耳-楞茨定律：電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)所發(fā)放的熱量，與電流強(qiáng)度的平方。導(dǎo)體材料的電阻和通電時(shí)間成正比。從對(duì)焦耳-楞茨定律的分析可知：增加交變電源向感應(yīng)器供的電流強(qiáng)度，建立強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，進(jìn)而在金屬內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流并轉(zhuǎn)化為熱能，才能實(shí)現(xiàn)快速加熱。（4）感應(yīng)電流有色金屬內(nèi)部的特點(diǎn)：感應(yīng)電流在金屬內(nèi)部分布的善，對(duì)提高鋼材感應(yīng)、加熱快速熱處理的工藝效果和熱效率具有重要的影響。感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)：直流電流通過(guò)圓形斷面導(dǎo)體時(shí)，電流沿橫斷面均勻分布，在橫斷面的任意一點(diǎn)的電流密度是相等的。交變電流通過(guò)圓形斷面導(dǎo)體時(shí)，電流沿導(dǎo)體橫斷面呈不均勻分布，表面層電流密度最大，依次向中心減弱。這種電流集中于導(dǎo)體表面呈不均勻分布的現(xiàn)象，稱為集膚效應(yīng)。交變電流產(chǎn)生集膚效應(yīng)的原因：感應(yīng)加熱時(shí)，處于感應(yīng)線圈形成的交變磁場(chǎng)中的金屬，其表面與中心部位穿透的磁力線數(shù)量不相同。金屬表面與感應(yīng)線圈內(nèi)表面之間距離越近，穿透的磁力線數(shù)量越多；中心距離感應(yīng)線圈內(nèi)表面之間距離比較遠(yuǎn)，穿透的磁力線數(shù)量少。于是表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流強(qiáng)度大于中心部位，形成了感應(yīng)電流度由表向里依次減弱的分布特點(diǎn)。感應(yīng)加熱時(shí)，感應(yīng)電流沿圓形導(dǎo)體橫斷面的分布情況。（1）感應(yīng)電流的透入深度，在實(shí)際工程應(yīng)用中，將感應(yīng)電流的透入深度定義為：導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流強(qiáng)度降低至表面感應(yīng)電流強(qiáng)度的e-1處的深度為電流透入深度。（2）電流透入深度的實(shí)用意義：電流透入深度與感應(yīng)加熱效率的關(guān)系，鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理要求穿透加熱，不同于零件表面淬火處理。表面淬火時(shí)，淬火硬層的厚度由電流透入深度而定。穿透加熱時(shí)，要求鋼材沿橫斷面的溫度應(yīng)當(dāng)均勻一致，只有這樣熱處理后才能得到性能均一的鋼材。因此，穿透加熱要求較大的電流透入深度。在理想的電流透入深度下，才能達(dá)到較高的感應(yīng)加熱效率。為此，要求電流透入深度Q值與加熱鋼材直徑d有一個(gè)合適的比值。（3）電流透入深度與金屬內(nèi)部熱傳導(dǎo)的關(guān)系，鋼材進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)的熱量來(lái)自感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)表明，感應(yīng)電流轉(zhuǎn)化的熱量86.5%集中在電流透入層內(nèi)。由此可見(jiàn)，電流透入層中蓄積的熱能密度大小，將直接影響到鋼材升溫速度的快慢和感應(yīng)加熱的效率。生產(chǎn)實(shí)踐表明，合適的電流透入深度是實(shí)現(xiàn)快速加熱的基礎(chǔ)。綜上所述，鋼材直徑、電流透入深度、電流頻率三者之間的協(xié)調(diào)配合是實(shí)現(xiàn)高效感應(yīng)加熱的重要條件。金屬內(nèi)部熱傳導(dǎo)與溫度的均勻化感應(yīng)加熱快速熱處理時(shí)，鋼材的透熱和沿橫斷面溫度均勻化，對(duì)熱處理后力學(xué)性能的均一性起著重要了的作用。為些，了解加熱過(guò)程金屬內(nèi)部溫度的分布情況，掌握均溫時(shí)間對(duì)制訂工藝參數(shù)至關(guān)重要。（1）感應(yīng)加熱過(guò)程鋼材的升溫過(guò)程：對(duì)鋼材感應(yīng)時(shí)，處于電流透入層內(nèi)的金屬，直接由感應(yīng)電流加熱；處于電流透入層以外的金屬依靠傳導(dǎo)熱加熱。感應(yīng)加熱過(guò)程鋼材橫斷面的溫度變化。靜態(tài)升溫曲線可知：隨著加熱過(guò)程的連續(xù)進(jìn)行，金屬中心與表面溫差逐漸縮小。隨溫度升高電流透入深度增加，傳熱速度減緩升溫速度下降，最終表面與中心溫度一致，達(dá)到整體鋼材均勻化。東莞市力華機(jī)械設(shè)備有限公司鐵磁性材料感應(yīng)加熱溫升過(guò)程的特點(diǎn)：鐵磁性材料是指原子磁矩排列是有規(guī)則的、在磁場(chǎng)中顯示磁性的金屬。例如，在室溫具有非奧氏體金相組織的鋼號(hào)。感應(yīng)加熱常見(jiàn)的碳素鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等均屬鐵磁性材料。鐵磁性鋼材感應(yīng)加熱溫長(zhǎng)過(guò)程中，其升溫速度隨溫度升高而發(fā)生變化。升溫速度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是居里點(diǎn)，又稱為失磁點(diǎn)溫度。溫度高于居里點(diǎn)后鐵磁性鋼材失去磁性而墨跡為順磁材料。對(duì)于碳素鋼和低合金鋼而言，居里點(diǎn)在760?780°C附近。鐵磁性鋼材在居里點(diǎn)上下發(fā)生磁導(dǎo)率的突變。磁素鋼和低合金鋼的相對(duì)磁導(dǎo)率從約200突降到1.0。由于相對(duì)太導(dǎo)率的變化，使鋼材的升溫速度由快變慢。鐵磁性鋼材在居里點(diǎn)以溫度感應(yīng)加熱時(shí)，由于相對(duì)磁導(dǎo)率值大，加熱電流頻率f一定，電流透入深度淺，集膚效ur應(yīng)顯著。這時(shí)，表面與中心溫差大，易于熱量傳導(dǎo)，整體鋼材升溫速度快。當(dāng)溫度超過(guò)居里點(diǎn)后，鋼材的相對(duì)磁導(dǎo)主=1，鋼材的磁性消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判圆牧?。此時(shí)，在相同條下加ur熱時(shí)，由于電流透入深度增大而使集膚效應(yīng)減弱，表面向中心熱量傳導(dǎo)速度減緩，使整體鋼材升溫速度減慢?？傊?，鐵磁性鋼材在居里點(diǎn)以下溫度進(jìn)行感應(yīng)加熱時(shí)，具有較快的升溫速度；溫度超過(guò)居里點(diǎn)后，在相同條件下加熱時(shí)，鋼材升溫速度減慢。為使居里點(diǎn)上下鋼材升溫速度一致，應(yīng)當(dāng)調(diào)整加熱電源的頻率。在居里點(diǎn)以下采用較低頻率電源加熱；在居里點(diǎn)以上采用較高頻率電源加熱，即雙頻電源感應(yīng)加熱，取得最佳的加熱效率。順磁材料是指原子磁矩排列是無(wú)規(guī)則雜亂的、在磁場(chǎng)中不顯示磁性的金屬。例如，在室溫下具有奧氏體金相組織的鋼號(hào)。感應(yīng)加熱熱常見(jiàn)的鋼號(hào)如oCr18Ni9、5Cr21Mn9Ni4N等均勻順磁材料。順磁鋼材的相對(duì)磁導(dǎo)率=1,不隨溫度而改變。順磁鋼材在強(qiáng)磁場(chǎng)中，其磁強(qiáng)度感應(yīng)很弱；ur而鐵磁鋼材即使在弱磁場(chǎng)中，也會(huì)很強(qiáng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，這個(gè)人順磁鋼材感應(yīng)加熱帶來(lái)一定的困難。因?yàn)樵谕葟?qiáng)度的磁場(chǎng)內(nèi)，奧氏體鋼材產(chǎn)生的感應(yīng)電流遠(yuǎn)小于鐵磁性鋼材，相應(yīng)其升溫速度也比鐵磁性鋼材慢。為了實(shí)現(xiàn)順磁性?shī)W氏體鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理，需要比鐵磁性鋼材提供更高頻率的電源和更大的功率，以便建立強(qiáng)大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，加快鋼材的升溫速度。鋼材加熱溫度的均勻化：在居點(diǎn)以上溫度加熱，通常使用較高頻率電源以獲得高的熱效率。從但是考慮到鋼材表面與中心的均溫問(wèn)題,不宜使用較大的表面功率密度進(jìn)行加熱，而應(yīng)當(dāng)使用較慢的加熱速度，以利于溫度的均勻人。對(duì)于直徑較小的線材和絲材來(lái)講在居里咪以上快速加熱帶來(lái)的溫度不均現(xiàn)象要比大直徑鋼材輕，電源頻率和表面功率功率密度對(duì)均溫的影響不明顯，從但是會(huì)降低感應(yīng)加熱的電效率或熱效率。鋼材感應(yīng)加熱快速熱處理時(shí)，在加熱和冷卻過(guò)程中，鋼的組織轉(zhuǎn)變除遵守傳統(tǒng)金屬學(xué)規(guī)律外，還具有自身的特點(diǎn)。了解和掌握這些特點(diǎn)，對(duì)制訂快速加熱重要條件下鋼材的熱處理工藝具有重要的作用。鋼材快速加熱和冷卻過(guò)程中，其內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變特