一基礎(chǔ)知識和基本概念

本章介紹了電磁感應(yīng)、表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)、導(dǎo)磁體槽口效應(yīng)以及表面

感應(yīng)淬火的頻率選擇、比功率選擇等多方面的基礎(chǔ)知識和一些重要的概念。理解和掌握

這些知識，對于表面淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)是十分必要的，對于使用和維護(hù)感應(yīng)

加熱設(shè)備的技術(shù)人員、工人也是需要這方面的知識。

1電磁感應(yīng)與感應(yīng)加熱

導(dǎo)體有電流通過時(shí)，在其周圍就同時(shí)產(chǎn)生磁場。磁場強(qiáng)度的大小與方向，決定于導(dǎo)

體中電流的大小和方向。

對于螺管線圈的導(dǎo)體，當(dāng)電流強(qiáng)度I的單位為A、線圈的高的單位為二時(shí)，磁場強(qiáng)

度H為：

H=(A/m)(1)

式中n——線圈匝數(shù)。

對于通有電流的長直導(dǎo)線而言，環(huán)繞其周圍的磁力線是若干個(gè)同心圓，當(dāng)電流強(qiáng)度I

的單位為A時(shí)，各同心圓上磁場強(qiáng)度H為：

H=(A/m)(2)

式中r——導(dǎo)線周圍各點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離mo

每根磁力線都是環(huán)繞電流的閉合線，無起點(diǎn)終點(diǎn)之分。磁力線的方向用右手螺旋法

則確定。

圖1是螺旋線圈及其磁力線分布示意圖。

圖2是單根長直導(dǎo)線中電流及其周圍磁力線分布示意圖。

圖1螺旋線圈及其磁力線分布示意圖圖2單根長直導(dǎo)線中的電流及其周圍磁力線分布示意圖

磁場的強(qiáng)弱還可以用另一個(gè)物理量表示，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B,它與磁場強(qiáng)度H有關(guān),

也與介質(zhì)的導(dǎo)磁特性有關(guān)，其表達(dá)式為:

B=gH(T)(3)

式中日磁導(dǎo)率(H/m)。

它表征磁介質(zhì)被磁化程度的量，是衡量各種物質(zhì)導(dǎo)磁性能好壞的物理量。

由實(shí)驗(yàn)確定真空的磁導(dǎo)率因?yàn)椋?/p>

的=4"X10-7(H/m)

為了便于比較各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能，需要引入相對磁導(dǎo)率的概念。任何一物質(zhì)的磁

導(dǎo)率M與真空磁導(dǎo)率即的比值叫相對磁導(dǎo)率比：

Hr=M/go(4)

(5)

相對磁導(dǎo)率為無量綱的物理量，它說明在相同的條件下，任一物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是

真空中的多少倍。

根據(jù)各種物質(zhì)導(dǎo)磁性質(zhì)的情況，可將物質(zhì)分為三種類型。

磁導(dǎo)率口比真空的磁導(dǎo)率M稍大一點(diǎn)的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如空氣、鉛、錫等，

它們的相對磁導(dǎo)率內(nèi)值在1.000003-1.000014之間，磁導(dǎo)率H比真空的磁導(dǎo)率刖略小

一點(diǎn)的物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如氫、銅、石墨、銀、鋅等，它們的相對磁導(dǎo)率比值在0.999

995—0.99997之間。磁導(dǎo)率g遠(yuǎn)大于真空的磁導(dǎo)率四的物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)，如鐵、鋼、

鑄鐵、銀、鉆等，它們的相對磁導(dǎo)率由大到幾百至幾千，而且不是常數(shù)。例如，鋼的溫

度超過居里點(diǎn)(磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn))770℃,其磁導(dǎo)率下降為1。在電流強(qiáng)度等條件相同的情況

下，鐵磁性物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場比順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)中的磁場強(qiáng)兒千甚至幾萬倍

以上。工廠中用于感應(yīng)加熱的零件材料一般都由鐵磁物質(zhì)構(gòu)成。圖3是室溫下工業(yè)純鐵

與不同成分的鋼的磁導(dǎo)率產(chǎn)隨磁場強(qiáng)度H的變化曲線。

圖3室溫下磁導(dǎo)率產(chǎn)與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系

1-工業(yè)純鐵2—含C0.3%的鋼3—含C0.45%的俐4一含C0.6%的例5-含C0.83%的鋼

注：10eQ79.6A/m

在磁場里，垂直穿過某一橫截面積S的磁力線根數(shù)叫做傲通量確，用下式表示：

4)=BS=pHS(Wb)(6)

當(dāng)線圈中通有交變電流口寸，在線圈的內(nèi)部及其周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，置于線圈

內(nèi)部的工件就被交變磁場的磁力線所切割，于是在鐵磁材料的工件上將有感應(yīng)電動勢產(chǎn)

生，并在電動勢作用下產(chǎn)生渦流(見圖4)。

圖4零件在交變磁場中產(chǎn)生渦流

按電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢e可用下式求得：

e=(7)

由于感應(yīng)加熱的電流是按正弦規(guī)律變化：

I=Imsin27ift

所以該電流所產(chǎn)生的磁通的變化也遵循正弦規(guī)律變化：

:=(^mSin2兀ft

=(j)ni27rfcos27tft

于是得感應(yīng)電動勢e：

e=-巾m2?tfcos271ft(8)

零件中渦流回路的阻抗Z按下式計(jì)算：

Z=(9)

式中R-渦流回路電阻，

XL—渦流回路感抗。

則渦流強(qiáng)度i等于：

i=(A)(10)

由于Z通常很小，i自然很大，使渦流回路產(chǎn)生很大熱量，其熱量可由焦耳一楞次定

律確定:

Q=i2R'(J)(11)

進(jìn)行感應(yīng)加熱主要依靠這種熱量，其次磁性材料的“磁滯現(xiàn)象”也能引起一定的熱

效應(yīng)。

2表面效應(yīng)(集膚效應(yīng))

當(dāng)直流電通過導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的，即各處電流密度相等。但是,

當(dāng)交流電通過圓柱導(dǎo)體時(shí)，電流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，當(dāng)電流頻

率相當(dāng)高時(shí)，導(dǎo)體的中心可以沒有電流，而全部集中在導(dǎo)體的表面層，這種現(xiàn)象稱為高

頻電流的表面效應(yīng)，如圖5所示。產(chǎn)生表面效應(yīng)的根本原因是交流電通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生與

外加電動勢方向相反的自感電動勢，而自感電動勢在圓柱導(dǎo)體中心最強(qiáng)、表面最弱，因

此使電流趨向表面。

圖5高頗電流的表面效應(yīng)

由于表面效應(yīng)的作用，導(dǎo)體橫截面上的電流密度從表面到中心按指數(shù)規(guī)律遞減，距

表面z處的電流I二由式(12)確定：

Iz=(12)

式中M—表面電流的最大值；

C一光速；

導(dǎo)體材料的磁導(dǎo)率；

p—導(dǎo)體材料的電阻率；

f一電流頻率。

在工程上，以Iz的幅值降到10的1/e(e=2.178,則1/e七36.79%)處的深度為電流

透入深度，并用△表示(見圖5),用式(13)進(jìn)行計(jì)算。

△=(mm)(13)

由式(13)可知，電流透入深度△與p、口、f有關(guān)，當(dāng)p增大，口、f減小時(shí)，f將增大。

鐵磁性的工件放在感應(yīng)器中，感應(yīng)器通入高頻交流電流，于是在工件表面出現(xiàn)渦流。渦

流是由進(jìn)入工件的交變磁場引起的，而磁場從工件的表面到心部也是按指數(shù)曲線衰減，

因此渦流的最大值也集中在工件的表面，這也同樣稱做表面效應(yīng)。由式(11)可知，熱

量Q與渦流強(qiáng)度i的平方成正比，所以熱量的最大值也發(fā)生在工件的表面層。由理論計(jì)

算得知，電流透入深度J層內(nèi)所發(fā)生的熱量占渦流所發(fā)生全部熱量的86.5%0到表面的

距離圖6渦流的分布和表層熱量的關(guān)系。

到裹面的距離

圖6表示了渦流的分布與表面層所發(fā)生熱量的關(guān)系。

鋼鐵材料在感應(yīng)加熱過程中，其P和產(chǎn)是變化的。電阻率P同磁場強(qiáng)度無關(guān)，但卻

隨溫度上升而增大。磁導(dǎo)率I，不僅與磁場強(qiáng)度有關(guān)(見圖3),而且與材料的溫度有

關(guān)，當(dāng)溫度上升到居里點(diǎn)時(shí)減小到1。例如，含C0.8%的碳鋼從室溫20℃升高到800℃

口寸，電阻率p由「20(^10°Q?cm升高至I1p800tsi*1。"Q,cm,而磁導(dǎo)率由口201?^100降到

H800r=lo從式(13)可以看出，當(dāng)電流頻率f不變時(shí)，由于p和N的變化可以有不同的

電流透入深度，材料在室溫下的電流透入深度稱為冷態(tài)電流透入深度，用々oc或△冷表示。

由子此時(shí)p和p基本是定值，々or只與頻率f有關(guān)：

紫銅的冷態(tài)電流透入深度：&0cs5s(mm)(14)

結(jié)構(gòu)鋼的冷態(tài)電流透入深度：AzocQ(mm)(15)

材料在高溫時(shí)的電流透入深度稱為熱態(tài)電流透入深度，例如1000℃時(shí)的熱態(tài)電流透

入深度用Aooot或△熱表示。這是感應(yīng)淬火選擇頻率時(shí)的重要參數(shù)。此時(shí)由于p與四已是

定值，所以Aoooc也只與頻率f有關(guān)，對于結(jié)構(gòu)鋼可用式(16)、式(17)計(jì)算：

Aiooor^(mm)(16)

Agooc^(mm)(16)

圖7是鋼的p和H與溫度的關(guān)系曲線。

圖7鋼的p、u與溫度的關(guān)系示意圖

表1是不同材料在不同溫度不同電流頻率下的電流透入深度。

表1各種材料在率同電漣級率卞的電流透入深度

電阻率磁導(dǎo)在下列電流頻率時(shí)（Hz）電流投入深度（mm）

材料溫X106率

度。C32.5X8X150X250500X

。?cmH/m5010103103103X103103

結(jié)構(gòu)鋼2010602.80.640.40.220.050.040.03

奧氏體鋼2020132.27.154.52.50.580.460.32

結(jié)構(gòu)鋼和奧氏體鋼1000130185.519.012.06.71.551.20.85

鋁202.9112.02.71.70.950.210.170.12

鋁60011.3124.05.43.41.70.420.340.24

紫銅202.019.52.11.340.750.160.130.095

黃銅207.0118.74.22.571.480.320.260.19

黃銅65014.7127.46.13.862.160.47().390.27

3鄰近效應(yīng)

兩鄰近的導(dǎo)體，例如兩匯流排或感應(yīng)線圈與被感應(yīng)加熱的零件，在有電流通過的情

況下，由于電流磁場的相互作用，在導(dǎo)體上的電流將重新分布，這種現(xiàn)象被稱為鄰近效

應(yīng)。

圖8反向及同向交變電流所表現(xiàn)的鄰近效應(yīng)

a）反向電流b）同向電流

如圖8a所示的兩根矩形截面的導(dǎo)體通有大小相等、方向相反的交變電流，其鄰近效

應(yīng)的表現(xiàn)為電流在兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的表面層流過，導(dǎo)流層的厚度就是電流透入深度。在磁場

方面的表現(xiàn)是，兩導(dǎo)體之間磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，兩導(dǎo)體的外側(cè)磁場強(qiáng)度減弱。產(chǎn)生這種鄰近

效應(yīng)的原因是兩導(dǎo)體之間的總磁通不僅通過中間的空氣，也從導(dǎo)體內(nèi)部通過，所以各條

電流線交鏈的磁通量不同，導(dǎo)體外側(cè)的電流線交鏈的磁通比內(nèi)側(cè)的多，因此感應(yīng)電動勢

外側(cè)比內(nèi)側(cè)大，致使電流從導(dǎo)體內(nèi)側(cè)通過。

如圖8b所示的兩根矩形截面的導(dǎo)體通有大小相等、方向相同的交變電流，其鄰近效

應(yīng)的表現(xiàn)為，電流在導(dǎo)體外側(cè)的表面層流過，導(dǎo)流層的厚度就是電流透入深度。在磁場

方面的表現(xiàn)是，兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)磁場互相抵消，強(qiáng)度最弱，而導(dǎo)體外側(cè)磁場疊加，強(qiáng)度最強(qiáng)。

產(chǎn)生這種效應(yīng)的原因是兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)電流線所交鏈的磁通大于導(dǎo)體外側(cè)電流線所交鏈的磁

通，因此導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的感應(yīng)電動勢大于外側(cè)的感應(yīng)電動勢，使電流趨于外表面。

鄰近效應(yīng)不局限于兩矩形截面的導(dǎo)體，兩圓形截面的載流導(dǎo)體同樣也會出現(xiàn)鄰近效

應(yīng)，其表現(xiàn)形式與矩形截面的載流導(dǎo)體時(shí)的情況相同。

同軸電纜導(dǎo)體上電流的分布也決定于鄰近效應(yīng)。同軸電纜，是由中間的圓柱形導(dǎo)體

和其外部套著的管子組成，兩者中軸線重合，見圖9所示。圖中兩條電路，其中電路1由

內(nèi)導(dǎo)體軸線和外導(dǎo)體外表面組成，電路2由內(nèi)導(dǎo)體表面和外導(dǎo)體內(nèi)壁組成。當(dāng)然電路的

末端聯(lián)在一起，使電路閉合。很明顯，沿電路1中的電流線將比沿電路2中的電流線交

鏈更多的磁通，具有更大的感應(yīng)電動勢，使電流阻抗增加，于是電流只在電路2通過，

形成了同軸電纜的鄰近效應(yīng)。同軸電纜在輸送高頻或中頻電能時(shí)，遠(yuǎn)比矩形截面或其他

截面的導(dǎo)線阻抗小，材料利用率高。

圖9同軸電纜中的鄰近效應(yīng)

鄰近效應(yīng)在感應(yīng)線圈與被感應(yīng)加熱的零件之間也有表現(xiàn)。圖10是鄰近效應(yīng)對渦流分

布的影響。圖a表明有效導(dǎo)體是單根圓管用于加熱平板時(shí)，平板上的渦流呈圓弧狀，并

與圓管導(dǎo)體相對應(yīng)，圖b表明有效導(dǎo)體是單根方管時(shí)，平板上的渦流層是平直的；圖c

是圓環(huán)感應(yīng)器用于加熱實(shí)心圓柱零件時(shí)，間隙各處均等，有效圈上的電流層和零件表面

的渦流層均是平直而均等的，圖d表明圓環(huán)感應(yīng)器內(nèi)零件放斜了，造成間隙各處不等，

在間隙小的地方感應(yīng)器上的高頻電流層及零件上的渦流層都比較厚，而間隙大的地方兩

者都比較薄。

C）d）

圖10鄰近效應(yīng)在感應(yīng)加熱時(shí)的表現(xiàn)

a）單很圓管導(dǎo)線加熱平板b）單根方管導(dǎo)線加熱平板

c）圓環(huán)感應(yīng)器間隙均等時(shí)加熱零件d）圈環(huán)感應(yīng)器間晾不等時(shí)加熱零件

導(dǎo)體之間的距離越小，鄰近效應(yīng)越強(qiáng)烈（圖11）,電流頻率越高，鄰近效應(yīng)越強(qiáng)烈。

高、中頻供電系統(tǒng)的母線和電纜及感應(yīng)器匯流排的設(shè)計(jì)都要充分利用鄰近效應(yīng)，在

保證絕緣強(qiáng)度的情況下，其間距越小越好，可以明顯地減少回路阻抗。

圖11導(dǎo)體間的距離對鄰近效應(yīng)的影響

4圓環(huán)效應(yīng)

圓環(huán)形的導(dǎo)體通入高頻（或中頻）交變電流時(shí)所產(chǎn)生的磁場在環(huán)內(nèi)空間集中，環(huán)外

分散，見圖12。環(huán)內(nèi)的磁通不僅穿過環(huán)外空間，同時(shí)也穿過環(huán)形導(dǎo)體自身，這樣就使環(huán)

形導(dǎo)體外側(cè)交鏈的磁通多于內(nèi)側(cè)，子是環(huán)形導(dǎo)體外側(cè)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢，迫使電流

在環(huán)形導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的電流透入深度層中流過，這種現(xiàn)象稱為高頻電流的圓環(huán)效應(yīng)。

圖12圓環(huán)效應(yīng)

用圓環(huán)效應(yīng)也可以解釋螺旋管形多匝線圈中的電流分布情況，電流將沿螺旋管形多

匝線圈的內(nèi)側(cè)電流透入深度的層中流過。如果在螺旋管形線圈中放入一個(gè)圓柱形的鋼質(zhì)

工件，如圖13。當(dāng)線圈中通入高頻電流，由于圓環(huán)效應(yīng)的作用，電流將沿線圈的內(nèi)側(cè)流

過。由于磁通集中于線圈內(nèi)部，在圓柱形工件上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，即產(chǎn)生電流i2,其方

向與ii相反。由于鄰近效應(yīng)的影響，電流i2將沿工件的表面流過，在工件本身則表現(xiàn)為

表面效應(yīng)。

圖13多匝螺旋管形線圈中置入圓柱形工件時(shí)的電流分布

常用的圓柱形零件表面淬火的感應(yīng)器是單匝的，當(dāng)高頻電流通入感應(yīng)器時(shí)，由于圓

環(huán)效應(yīng)的作用，高頻電流沿感應(yīng)器內(nèi)側(cè)流過，見圖14,所產(chǎn)生的磁通穿過工件表面，并

形成感應(yīng)電流使工件加熱。

圖14單匝外圓淬火感應(yīng)器

圓環(huán)效應(yīng)還可看成?端連在一起的具有大小相等、方向相反的兩個(gè)載流導(dǎo)體的鄰近

效應(yīng)。

借助圓環(huán)效應(yīng)原理我們用來解釋，置于同一圓環(huán)導(dǎo)體之中和導(dǎo)體之外的圓柱工件和

圓筒工件的加熱效率不同的原因，見圖15。在圓柱工件與圓筒工件和線圈的藕合距離完

全相同時(shí)，圓柱工件加熱劇烈，升溫很快，而圓筒則加熱緩和，升溫很慢。由于圓柱工

件充分利用了加熱線圈的圓環(huán)效應(yīng)，磁通密集，而圓筒則遠(yuǎn)離線圈電流，磁通稀疏的緣

故。

圖15圓環(huán)線圈之內(nèi)和之外置入圓柱工件和圓筒工件與淬火工件的電流分布

bl一俐捧加熱寬度.b2一間原

a一鋼筒加熱寬度巾--磁力線

5導(dǎo)磁休的槽口效應(yīng)

我們把一根載有交變電流的矩形截面的銅制導(dǎo)體放在由“n”型硅鋼片疊起的導(dǎo)磁體

的槽口之中，由于硅鋼片最高相對磁導(dǎo)率由=7500,遠(yuǎn)超過銅和空氣的相對磁導(dǎo)率，磁

阻很小，所以磁通力求在硅鋼片導(dǎo)磁體內(nèi)通過。

導(dǎo)磁體的槽口底部通過了全部磁通，靠上面的磁力線一部分通過導(dǎo)體，而另一部分

通過空氣閉合。顯然，這樣分布的磁通，使槽口底部導(dǎo)體交鏈了較多的磁通，產(chǎn)生的自

感電動勢較大，電流較小，而槽口上部的導(dǎo)體只交鏈穿過空氣的磁力線，交鏈磁通很少,

自感電動勢很小，電流則較大。圖16表示了置于導(dǎo)磁體槽口之中的矩形截面的導(dǎo)體上的

電流分布情況及磁場強(qiáng)度分布的情況，我們把這一現(xiàn)象稱為導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)或者導(dǎo)磁

體的趨流效應(yīng)。

圖16導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)及導(dǎo)體中電流和磁場的分布

H-磁場強(qiáng)度I-電流密度

導(dǎo)磁體槽口深度越大，電流頻率越高，則導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)越強(qiáng)烈。

利用導(dǎo)磁體的槽口效應(yīng)可以把導(dǎo)體中的電流驅(qū)逐到導(dǎo)體的任何位置，以提高感應(yīng)器

的加熱效率。

圖17是將n型硅鋼片導(dǎo)磁體槽口向外加在圓環(huán)導(dǎo)體上，使圓環(huán)導(dǎo)體上的電流趨于

外表面，在該感應(yīng)器用于內(nèi)孔加熱時(shí)，強(qiáng)化了鄰近效應(yīng)，提高了內(nèi)孔的加熱效率。

圖18是導(dǎo)磁體槽口向下加在圓環(huán)導(dǎo)體上，使圓環(huán)導(dǎo)體上的電流趨于下表面，抵消圓

環(huán)效應(yīng)，在該感應(yīng)器用于平面加熱時(shí)，強(qiáng)化鄰近效應(yīng)，提高平面加熱的效率。

圖17導(dǎo)磁體槽口向外的內(nèi)圖18導(dǎo)磁體槽口向下的孔加熱感應(yīng)器平面加熱感應(yīng)器

1一導(dǎo)體2—導(dǎo)磁體3一淬火工件

6透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱

感應(yīng)加熱由于設(shè)備頻率和功率的限制存在著兩種加熱方式，即透入式加熱和傳導(dǎo)式

加熱。

當(dāng)零件的淬火加熱層5小于電流熱透入深度△熱時(shí)，且零件得到的比功率為合適值時(shí),

零件可以進(jìn)行透入式加熱。當(dāng)零件的淬火加熱層3大于電流熱透入深度△熱時(shí)，且零件得

到的比功率小于合適值時(shí)，零件的感應(yīng)加熱是傳導(dǎo)式加熱。

透入式加熱時(shí)，當(dāng)感應(yīng)線圈剛剛接通電流，渦流在零件表面層按冷態(tài)電流透入狀態(tài)

分布（圖19曲線1）,越趨近表面渦流強(qiáng)度越大，表面升溫也快，在表面層瘟度超過居

里點(diǎn)失去磁性時(shí)，加熱層就分為兩層，即表面的失磁層和里面與其毗連的未失磁層。

100

50

40

30

20

10

W

5

日4

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距表面的更寓（mm）

圖19鋼板感應(yīng)加熱時(shí)渦流強(qiáng)度的變化（4200kHz）

1一加熱開始（20oC）2—加熱中間3一加熱到800℃

失磁層內(nèi)材料的磁導(dǎo)率急劇下降至1,造成渦流強(qiáng)度A明顯下降，因而最大的渦流

強(qiáng)度出現(xiàn)在兩層交界處，使交界處的升溫速度大于表面的升溫速度，交界線不斷地向內(nèi)

縱深推移，直到熱透入深度達(dá)到△熱為止。透入式加熱層的溫度分布見圖20a,圖中T為

淬火溫度，AT為表面過熱度，6為淬火加熱層（全奧氏體層），6n為加熱過渡層。從圖中

可知，加熱過渡層遠(yuǎn)小于淬火加熱層，一般3n=（025?0.3）So

傳導(dǎo)式加熱一般是使用電流頻率較高設(shè)備時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)，電流熱透入深度較小，所

以當(dāng)失去磁性的高溫層超過熱態(tài)電流透入深度△鉆以后，渦流完全按照熱態(tài)分布。在繼續(xù)

加熱時(shí)，熱量基本上是依靠厚度為△料的表層析出。由于熱傳導(dǎo)的作用，加熱層的厚度不

斷增加，因此零件截面上的溫度梯度很小，溫度曲線平緩。由圖20b可知，傳導(dǎo)式加熱

過熱度AT比較大，與透入式加熱相比，其加熱過渡層3n明顯增厚，這對淬火性能是不利

的。

傳導(dǎo)式加熱其淬火加熱層5、比功率Po、表面過熱度AT及鋼的熱導(dǎo)率久存在下列關(guān)

系：

Po=

或△產(chǎn)（18）

式中九=30W/（m?K）（1000℃時(shí)鋼的平均熱導(dǎo)率）

由式（18）可知，增大比功率Po，表面過熱度Ar也增加，此時(shí)加熱時(shí)間可以縮短,

反之，減小PoAr也減小，加熱時(shí)間就將增加。

由圖20溫度分布曲線可知，兩種加熱方式的熱效率完全不同。透入式加熱淬火，加

熱層內(nèi)過熱度AT很小，熱量向心部散失也很小，因此熱效率較高。而傳導(dǎo)式加熱淬火，

加熱層內(nèi)過熱度Ar很大，熱量向心部傳導(dǎo)很多，使心部升溫，因此熱效率很低。

圖20兩種感應(yīng)加熱方式的溫度分布曲線

a)透入式加熱b)傳導(dǎo)式加熱5…悴火加熱層3n一加熱過渡層

傳導(dǎo)式加熱的熱效率5Q動按式(19)計(jì)算：

T］桃=(19)

式中Z—熱流擴(kuò)展深度。因aabc與△ab°相似，故得

Z=(20)

將式(20)代入式(19)得.

H熱=

由于過熱度AT與2倍的淬火溫度比值是很小的，可以忽略，于是得到：

n后(21)

式中K一剩余熱量系數(shù)。

由于淬火溫度T不能很低，過熱度Ar又不能太大，所以通常K都比較大。例如，

淬火溫度T=900℃時(shí)，過熱度Ar=100℃,則K=4.5,那么熱效率n桃＜20%,即在

感應(yīng)加熱時(shí)，傳導(dǎo)式加熱熱效率是相當(dāng)?shù)偷摹膱D20a可見，透入式加熱不存在很大的

剩余熱量三角形，因此熱效率較高，一般可達(dá)到30?40%,在加熱相同零件時(shí)，透入式

加熱能耗只是傳導(dǎo)式加熱能耗的一半。

在設(shè)備頻率很高，淬火層深度又較深時(shí)，即熱，加熱效率很低。這時(shí)，提高比

功率Po,能使AT增加，加熱時(shí)間減短，提高熱效率。但Po過大，將造成零件表面嚴(yán)重

過熱，降低零件的機(jī)械性能，甚至造成廢品。

兩種加熱方式的兒項(xiàng)指標(biāo)比較列于表2。研究該表，我們可以得出以下兒點(diǎn)結(jié)論，1)

在頻率較高、熱透入深度較小時(shí)，使用很小的比功率仍能造成較大的表面過熱度；2)由

于頻率高，勢必只能是用較小的比功率值，然而比功率越小，加熱時(shí)間越長，電能消耗

越多。

表2兩種加熱方式指標(biāo)比較

頻率300kHz△熱心1.095mm頻率2kHzA熱心13.4mm

比功率電能消耗加熱時(shí)間比功率電能消耗

淬火層深加熱時(shí)間（S）

(kW/cm2)(W?h/cm2)（s）(kW/cm2)(W?h/cm2)

度（mm）

表面過熱度（℃）表面過熱度（℃）

100501005010050202020

29350.50.251.252.52.51.350.94

315600.40.201.653.33.41.301.13

422900.30.151.853.74.31.051.23

5281100.250.1251.953.95.10.951.35

加熱方式傳導(dǎo)式加熱透入式加熱

7電流頻率的選擇

在表面效應(yīng)一節(jié)中我們已經(jīng)了解，不同頻率的電流在鋼中的透熱深度是不同的，頻

率越高投入深度越淺，頻率越低，透入深度越深。尤其是電流熱透入深度，直接影響工

件的加熱方式和淬火的質(zhì)量。因此，對于感應(yīng)淬火和感應(yīng)器設(shè)計(jì)，選擇合適的電流頻率

是十分重要的。

我們可以用式（17）計(jì)算出國產(chǎn)高、中頻設(shè)備加熱剛才工件時(shí)，熱透入深度Ao。。，

并列于表3。

表3各種頻率的電流熱透入深度

頻段局頻超音頻中頻

頻率（Hz）500?800300?500200?300100~20030?40842.51

???

A8Oor(mm)0.70.560.9?0.71.10.91.61.12.9?2.55.67.91015.8

在感應(yīng)加熱表面淬火的賣踐中，為了得到高的生產(chǎn)率和良好的淬火效果（表面硬度

高、殘余壓縮應(yīng)力大、并使淬火過渡層W%淬火層DJ,必須采取透入式加熱方式，使

淬火層Ds小于電流熱透入深度加o。。，而且最好是：

Ds=!4Agoo-c(22)

圓柱形零件表面淬火時(shí)，淬火層Ds與頻率f之間的關(guān)系可用下面的公式計(jì)算:

最圖頻率fma.<(23)

最低頻率fmin>(24)

最合適頻率4(25)

式中Ds一淬火層深度（mm）。

利用公式（23）、式（24）、式（25）我們可以算出不同淬火層深度所需要的電流頻

率，并列入表4中。

表4各種淬火層深度所需頻率

淬火層（mm）11.55234568

最高頻率（kHz）25011062.52715.61073.9

最低頻率（kHz）156.737.51.70.940.60.420.23

最佳頻率（kHz）6027156.73.82.41.70.94

日本資料?（圖21）列出，圓柱形零件根據(jù)淬火層深度選擇頻率的數(shù)據(jù)，也有一定的

參考價(jià)值。

G

E

)

制

艇

引

超

510501005Off10i00

頻率（kHz）

圖21圓柱形零件的淬火層深度與頻率的關(guān)系

圓柱形零件在選擇頻率時(shí)，還應(yīng)該考慮到零件直徑的影響。據(jù)蘇聯(lián)學(xué)者研究，當(dāng)電

流熱透入深度等于零件直徑的30%時(shí)，感應(yīng)加熱的效率較低，最高不超過70%,而當(dāng)

電流熱透入深度小于或等于直徑的10%時(shí)，效率可達(dá)到80%以上。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)將

零件直徑與電流頻率之間的關(guān)系列于表5o

表5表面淬火零件直徑與電流頻率之間的關(guān)系

零件直徑（mm）10?3025?5045?100

電流頻率（kHz）200?3008.02.5

齒輪感應(yīng)淬火的頻率選擇是比較復(fù)雜的。齒輪形狀復(fù)雜，要選擇最佳頻率，使其加

熱均勻，是很困難的，而模數(shù)m、齒數(shù)Z及齒寬B等參數(shù)的變化，都影響最佳頻率的

選擇。齒輪淬火方法也是多種多樣的，例如，全齒同時(shí)加熱淬火法、全齒連續(xù)加熱淬火

法、單齒加熱淬火法、沿齒溝連續(xù)加熟淬火法等等。而每種方法都有各自的選擇頻率的

方法或經(jīng)驗(yàn)。

對于中、小模數(shù)齒輪和齒輪軸，采用全齒同時(shí)加熱淬火或全齒連續(xù)加熱淬火時(shí)，推

薦使用蘇聯(lián)學(xué)者研究的經(jīng)驗(yàn)公式（26）：

最佳頻率4(kHz)(26)

這一公式的計(jì)算結(jié)果與圖22是接近的。

族率(kHz)

圖22齒輪的棋數(shù)與頻率的關(guān)系

我國一些工廠在生產(chǎn)實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)也可借鑒。對模數(shù)2.5~4之間的齒輪，使用

較低的比功率時(shí)，可用200?300kHz的高頻設(shè)備，對模數(shù)4~6的齒輪，可使用40?80kHz

的超音頻設(shè)備，對模數(shù)6?8的齒輪，可使用2.5?8kHz的中頻設(shè)備，對模數(shù)m>8的大齒

輪，可采用沿齒溝連續(xù)悴火法，選用高頻或中頻均能實(shí)現(xiàn)。

齒輪淬火后，所使用的頗率是否合適，觀察淬火層的分布情況即可一目了然。如圖

23所示，當(dāng)頻率很高時(shí)，只有齒頂淬火，而頻率適中時(shí)，齒頂和齒根都有淬火層，齒心

部沖火層凸起，使心部保留適量的未經(jīng)淬火的組織，增加了齒輪的韌性，頻率較低時(shí)，

齒部完全淬火，齒根悴火層平直，頻率很低時(shí)，齒頂不能淬火。

a，b）

圖23同模數(shù)的齒輪用不同頻率淬火而呈現(xiàn)的淬火層情況

a）頻率過高b）頻率適中c）頻率較低d）頻率很低

應(yīng)該說明，上述圖表和公式所給出的頻率數(shù)值并不是一個(gè)精確的或唯一的數(shù)值，它

只是一個(gè)能獲得良好淬火質(zhì)量的頻率帶，也就是一定的頻率范圍。一般頻率相差不很大

時(shí)，淬火結(jié)果沒有明顯差異，即使有些差異，通過其他參數(shù)的調(diào)整也可以得到相同或相

近的結(jié)果。

8比功率和同時(shí)加熱淬火的最大面積

比功率也稱功率密度。比功率的定義是，感應(yīng)加熱時(shí)，零件所獲得的功率PL與其加

熱面積SL的比值，多用Po代表，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Po=(kW/cm2)(27)

比功率是感應(yīng)加熱表面淬火時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，它表示單位時(shí)間內(nèi)向零件單位加熱

面積上輸送能量的大小。在合理的比功率條件下，零件才能進(jìn)行表層加熱和快速加熱。

它對加熱方式的影響有時(shí)超過頻率的影響。

比功率概念的理論依據(jù)是：1cm3的鋼由20℃緩慢加熱到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度所需要的熱

量為5000J/cn?而感應(yīng)加熱是快速加熱，特別是透熱式加熱，一般加熱時(shí)間為2?6s,就

完成相變過程，升溫速度為150?500℃/s,這時(shí)必定提高相變點(diǎn)。有資料表明，40鋼加

熱速度分別為002、1。100和1000℃/s時(shí),其相變終了的溫度分別是800℃、840℃、

870℃和950℃。感應(yīng)加熱的淬火溫度通常比普通淬火溫度提高100C是很正常的。因

此，感應(yīng)加熱與緩慢加熱相比，其單位體積鋼的相變所需熱量增加1/8~1/7,也是有根

據(jù)的。這樣，1cn?的鋼由室溫用感應(yīng)加熱到900?950℃,所需熱量約為5667J?，F(xiàn)在，

用短時(shí)間(沒有熱傳導(dǎo)的情況下)將工件表面層3cm的厚度感應(yīng)加熱到淬火溫度，所需

的單位功率是：

P()=(kW/cm2)(28)

設(shè)淬火層厚度：5=0.k0.2、0.3、0.4、0.5cm

加熱時(shí)間：他=2、3、4、5、6s

求得比功率Po列于表6

表6用式(28)計(jì)算出的Po值

(C

、0.10.20.30.40.5

t(s)

20.2830.5670.851.131.42

30.190.380.570.760.9445

4—0.280.420.570.71

5——0.340.450.57

6———0.380.47

注：空格處Po大低，實(shí)踐中很少使用。

表6所示的比功率值是理論數(shù)值，在實(shí)際生產(chǎn)中由于各種因素影響了感應(yīng)器的加熱

效率以及為了追求高的生產(chǎn)率，采用的比功率值比理論值要大一些。表7是實(shí)際生產(chǎn)中

應(yīng)用的比功率Po。

有關(guān)資料介紹了軸類零件表面淬火時(shí)采用的比功率數(shù)值（表8）,也有實(shí)用價(jià)值。

表7生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的比功率值

同時(shí)加熱淬火連續(xù)加熱淬火

淬火方比功率范圍常用比功率比功率范圍常用比功率

中頻淬火0.5?2.00.8?1.51.0?4.02?3.5

高頻淬火0.5?3.50.8?2.01.0?4.02?3.5

表8軸類導(dǎo)件衰面淬火的比功率

比功率

頻率（kHz）淬火層深度（mm）

低值最佳值高值

0.4?1.11.11.61.9

500

1.1?2.30.50.81.2

1.5?2.31.21.62.5

102.3?3.00.81.62.3

3.0?4.00.81.62.1

2.3?3.01.62.32.6

33.0~4.00.81.62.1

4.0?5.00.81.62.1

5.0?7.00.81.61.9

1

7.0?9.00.81.61.9

選擇比功率的具體數(shù)值時(shí)，要考慮以下因素.對于軸類零件淬火，當(dāng)面積較小、形

狀簡單、淬火層較淺、原始組織比較細(xì)密、化學(xué)成分為中碳或者中碳低合金鋼，可選用

比功率范圍的上限。反之，應(yīng)該選用下限。例如形狀復(fù)雜的零件（齒輪及花鍵軸等）、鑄

鐵零件以及原始組織粗大或有組織偏析的零件，均應(yīng)選用較小的比功率。

內(nèi)孔表面淬火和零件的平面淬火均應(yīng)采用較大的比功率。嚴(yán)格說，上述的比功率應(yīng)

稱為零件比功率。它是零件加熱時(shí)單位面積上的功率值。如何核算實(shí)際加熱時(shí)的零件比

功率呢？對于機(jī)械式中頻設(shè)備：

Po=（kW/cm2）（29）

式中耳一中頻功率表的指示值，

為一中頻淬火變壓器效率，一般小心8；

電一中頻淬火感應(yīng)器效率，一般電器0.8。

對于電子管式高頻設(shè)備（該設(shè)備沒有功率表）：

Po=（kW/cm2）(30)

式中Uc一槽路電壓（kV）；

如一振蕩管陽極電流（A）；

r—陽極電流利用系數(shù)，一般r=1.7；

n—振蕩管個(gè)數(shù)；

小一高頻淬火變壓器效率，一般%心0.7；

%一高頻淬火感應(yīng)器效率，一般%心0.7。

根據(jù)比功率的定義，還可引伸出一個(gè)重要概念，即同時(shí)加熱淬火的最大面積S.…它

是決定零件加熱方法的重要參數(shù)。

Smax=（31）

式中PB一變頻設(shè)備的額定功率（kW）；

小一淬火變壓器效率，按式（29）和式（30）選??；

電一淬火感應(yīng)器效率，按式（29）和式（30）選??；

Pomin一表面淬火比功率最小值，按表7選取。

按式（31）計(jì)算得出兒種國產(chǎn)高、中頻設(shè)備在使圓環(huán)感應(yīng)器的條件下，同時(shí)加熱淬

火及連續(xù)加熱淬火的最大面積（連續(xù)加熱淬火的最大面積是指被圓環(huán)感應(yīng)器包圍的那一

部分零件的面積），并列于表9中。

表9在幾種設(shè)備上，兩時(shí)加熱淬火及連續(xù)加熱淬火的最大面積

電源設(shè)備的額定功率同時(shí)加熱淬火面積連續(xù)加熱淬火

電源種類

PBSmax最大面積Smax最大直徑dmax

1001286420.4

機(jī)械式中頻發(fā)

160204.8102.432.6

電機(jī)（2.5kHz

20025612840.8

和8kHz）

25032016050.9

電子管式高頻6058.829.49.4

設(shè)備100984915.6

（100?300kHz）2001969831.2

注：連續(xù)淬火所用圓環(huán)感應(yīng)器的有效圈高度為1cm,淬火面積寬度按1cm計(jì)算。

近期的日文資料也有相近內(nèi)容的介紹，也有參考價(jià)值。圖24是軸類零件同時(shí)加熱悴

火時(shí)，設(shè)備容量與被加熱面積的關(guān)系。圖25是軸類零件連續(xù)加熱淬火時(shí)，設(shè)備容量與被

加熱面積的關(guān)系。

圖24同時(shí)加熱淬火時(shí)，設(shè)備容量與被加熱面積的關(guān)系設(shè)備種類（圖略）

圖25連續(xù)加熱淬火時(shí)，設(shè)備容量與被加熱面積的關(guān)系

兩種加熱淬火方法所用設(shè)備的輸出總效率均按70%計(jì)算。同時(shí)加熱淬火，Po取

0.35~0.38kW/cm2；連續(xù)加熱淬火，P°取2.0?2.2kW/cn?。據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)判斷升其前者偏

低，而后者偏高。

9同時(shí)加熱淬火法、連續(xù)加熱淬火法和縱向加熱整體淬火法

(-)同時(shí)加熱淬火法：當(dāng)工件的淬火面積SL小于或等于變頻設(shè)備的同時(shí)加熱淬火

的最大面積Smax時(shí)，可以選用同時(shí)加熱淬火法。

同時(shí)加熱淬火法是將工件整體或一部分置于感應(yīng)器之中或鄰近位置，感應(yīng)器接通高

頻或中頻電流，使工件感應(yīng)加熱，待加熱溫度達(dá)到淬火溫度后，切斷電流，立即或間隔

--段時(shí)間，對加熱部分進(jìn)行冷卻，使該部位達(dá)到淬火目的的方法。同時(shí)加熱淬火法操作

簡單、控制容易，并能實(shí)現(xiàn)自行回火，具有高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛采用。

用同時(shí)加熱淬火法，要確定以下幾個(gè)工藝參數(shù)：

零件感應(yīng)加熱所需要的功率PL用式(32)計(jì)算：

PL=POSL(kW)(32)

式中Po—零件比功率，根據(jù)電源設(shè)備種類，從表7利表8中選?。?/p>

SL一零件淬火面積(cn?)。

確定設(shè)備輸出功率耳用式(33)計(jì)算

Pj=(kw)(33)

式中，％和電一分別為淬火變壓器和感應(yīng)器效率，根據(jù)電源設(shè)備種類，按式(29)

和式(30)選取。實(shí)際變頻設(shè)備輸出功率的核對，機(jī)械式中頻設(shè)備可以直接察看功率表,

電子管式高頻設(shè)備的實(shí)際輸出功率可用式(34)計(jì)算得出。

百=(34)

式中各符號意義與式(30)中相同。

同時(shí)加熱淬火的加熱時(shí)間TH一般用圖表法來確定。

圖26是統(tǒng)計(jì)我國某大型工廠多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和檢驗(yàn)卡片而繪制的比功率P。、淬火層深

度Ds與同時(shí)加熱淬火的加熱時(shí)間TH的關(guān)系曲線。即在已知Po和Ds的前提下，通過該

曲線查得THo使用條件是軸類零件、圓環(huán)感應(yīng)器(間隙為2?3mm)、8000Hz機(jī)械式中

頻發(fā)電機(jī)。

O*=2

加熱時(shí)閭7盟”)

圖26使用8000Hz中頻發(fā)電機(jī)同時(shí)加熱淬火的Po—Ds—TH”關(guān)系圖

圖27是日本資料介紹的軸類零件同時(shí)加熱淬火的頻率f(Hz)、比功率PolW/cn?)、

淬火層深度Ds(mm)及加熱時(shí)間TH(s)之間的關(guān)系曲線，即在已知f、Po和Ds的情況

下求得THO

r

E

<

%

)

?d

料

奇

3

粹火層深度0s(mm)

圖27同時(shí)加熱淬火的IP。一Ds—TH關(guān)系圖

比功率ABcDEFGH

加熱時(shí)間曲線abcdefgh

頻率oo1061055*1041045*1O3103102

蘇聯(lián)學(xué)者對感應(yīng)熱處理的工藝曲線有系統(tǒng)的研究，取得了成套的研究成果。下面介紹K.3.

舍別列克夫斯基教授發(fā)表的一套曲線。圖25,圖29,圖30分別是使用2.5kHz、5kHz、

250kHz同時(shí)加熱淬火的零件直徑D、淬火層深度Ds、比功率Po及加熱時(shí)間TH的關(guān)系

曲線.

圖28頻率2.5kHz時(shí)，軸類零件同時(shí)加熱淬火的D—DLPo—TH關(guān)系圖

（虛線為Po,實(shí)線為TH，線端數(shù)值為DS）

7卜70

圖29頻率為8kHz時(shí)，軸類零件同時(shí)加熱悴火的D—Ds—Po—TH

關(guān)系圖（虛線為Po、實(shí)線為TH、線端數(shù)值為Ds）

D（cm）

D（cm）

圖30頻率為250kHz時(shí)，軸類零件同時(shí)加熱悴火的D—Ds—P（）—TH

關(guān)系圖（虛線為P。、實(shí)線為TH、線端數(shù)值為DJ

當(dāng)讀者仔細(xì)研究這些曲線后會發(fā)現(xiàn)，相同的條件可能得不完全相同的結(jié)果，我認(rèn)為可

能是這些曲線的制作和使用條件不盡相同的緣故吧，也許相當(dāng)數(shù)量的工程曲線均有這類

問題，好在它們能夠給讀者一個(gè)參考數(shù)值，經(jīng)過讀者的試用和修正之后，可以得到一個(gè)

準(zhǔn)確的工藝參數(shù)，以減少讀者的摸索時(shí)間和試驗(yàn)次