感應加熱的原理及其應用

    電磁感應理論成熟，感應加熱是已經得到了廣泛應用的加熱方法，尤其在表面熱處理中，具有工藝簡單、變形小、效率高、節能環保、工藝過程易於實現自動化、淬硬層性能優異等優點。隨著工業技術的不斷進步，感應加熱也越來越綻放其燦爛的異彩。

    感應加熱設備按電源頻率可分為工頻、中頻、超音頻、高頻，其各自的頻率範圍和加熱的功率密度見表1 。  

▼表1 感應加熱頻段的頻率範圍和加熱功率密度

一、感應加熱原理

感應加熱原理圖

    感應加熱的主要依據是：電磁感應、「集膚效應」 和熱傳導三項基本原理。

    當交變電流在導體中通過時，在所形成的交變磁場作用下，導體內會產生感應電動勢。由于越接近心部，感應電動勢越大，導體的電流便趨向於表層，電流強度從表面向心部呈指數規律遞減，如圖1 所示。這種現象即所謂交變電流的集膚效應。

▲圖1 交變電流在導體中的分布情況

    圖2 所示，為兩根矩形截面的導體同向電流和反向電流時的磁場分布情況。由於電源電動勢和自感應電動勢的作用，同向電流系統中最大的磁場強度產生在導體表面的外側，反向電流系統最大磁場強度產生在導體表面內側，這就是鄰近效應。

    利用鄰近效應，可以選擇適當形狀的感應器對被處理零件表面的指定部位進行集中加熱，使電流集中在與感應器寬度大致相等的區段內。

    導體間的距離越小臨近效應表現的越強烈。

    通過感應圈的電流集中在內測表面的現象稱為環狀效應，見圖3 。環狀效應是由於感應圈交流電流磁場的作用使外表面自感應電動勢增大的結果。

▲圖3 交流電流的環狀效應

    加熱外表面，環狀效應是有利的，而加熱平面與內孔時，它會使感應器的電效率顯著降低。為了提高平面和內孔感應器的效率，常常設置導磁體，以改變磁場強度的分布，迫使電流趨近於零件所需加熱的表面，見圖4 。由圖可見，導磁體有把電流驅向其對側的作用。

▲圖4 加導磁體後電流在感應圈中的分布

a）內孔加熱    b）平面加熱

    表面效應、鄰近效應、環狀效應均隨交變電流頻率的增加而加劇。此外，鄰近效應和環狀效應還隨導體截面的增大、兩導體間距的減小和圓環半徑的減小而加劇。

    由磁場強度分布方程可得出

    

式中：

   

若將上式畫成曲線圖，其結果如圖5a）所示。

▲圖5 渦流強度由工件表面向縱深的變化

I0-表面渦流強度  I2-距表面 x 處的渦流強度

從式中得知，K=；但由磁場強度分布的基本方程式得知，K²=8πμf/ρ，故

      K==

      

式中 ρ——材料的電阻率（Ω·cm）

        μ——材料的磁導率

        f ——電流的頻率

    磁場強度分布的基本方程表明，渦流強度隨表面距離的變化呈指數規律。渦流高度集中在表層中，它隨距離的增大而急劇下降。在工程應用中，規定 Ix 降至表面的 1/e (e=2.718) 處為電流透入深度，並用δ表示。如果 ρ 的單位為 Ω·cm ，則可用下式求 δ（mm）

    由於渦流產生的熱量與渦流的平方成正比（Q=0.24I0²Rt），所以從表面向心部的熱量的下降比渦流下降更快（見圖5 b））。計算證明，86.5%的熱量是發生在δ 的薄層中，而在 δ 薄層以外的部分沒有渦流。上述規定在實際應用中已具有足夠的精確度。

    鋼鐵材料的電阻率 ρ 在加熱過程中隨溫度的升高不斷增加（在800-900℃範圍內，各種鋼的電阻率基本相同，約為10E-4 (Ω·cm)；磁導率 μ 在失磁點以下基本不變（其數值與強度有關），但在達到失磁點時，突然下降為真空的磁導率 μ=1。見圖6 。因此，當溫度到達失磁點時，渦流的透入深度將顯著增大。超過失磁點的渦流透入深度稱為「熱態透入深度」。低於失磁點時稱為「冷態渦流透入深度」。

    

熱態渦流透入深度比冷態透入深度大許多倍，見圖7 。

    在感應器接通高頻電流，工件溫度開始升高前的瞬間，渦流強度自工件表面向縱深的變化是按冷態特性分布的，見圖8 中曲線1 。當表面出現超過失磁點的薄層時，在和薄層相鄰的內部交界處的渦流強度就發生突然變化，工件加熱層被分成兩層，見圖8 中曲線2、3 。外層的渦流強度顯著下降，最大渦流強度處於這兩層的交界處。因而高溫表層加熱速度迅速降低，交界處升溫加速，並迅速向內推移。

▲圖8 鋼件加熱過程中，由表面向深處渦流強度的變化

    表2 和表3 列出了在各種頻率下的電流在純銅與45鋼冷態與熱態中的渦流透入深度。

▼表2 不同頻率電流下45鋼與 Cu 的電流透入深度（mm）

▼表3 不同頻率電流在45鋼中的透入深度

    這種靠渦流不斷向內部 「步進」 的電加熱方法是感應加熱所獨有的，在快速加熱條件下，即使向零件施加較大功率時，表面也不會過熱。

    當失磁的高溫層厚度超過熱態的渦流透入深度以後，加熱層深度的增加主要靠熱傳導的方式進行，其加熱過程及沿截面的溫度分布特性同用外熱源加熱的基本一樣，此時加熱效率要低得多。

    進行一定深度的表面加熱時，應該力求用渦流「透入式加熱」。為了做到這一點應該正確選擇電流頻率，同時所選擇的加熱速度應能夠在儘可能短時間內達到規定的加熱深度。

    在選擇電流頻率時，必須遵守下列條件：

   （1）對於一定尺寸的工件和感應器來說，所選擇的電流頻率不應低於某一數值f1，否則工件只能加熱到失磁點左右的溫度，見圖9 。

   （2）所選擇的電流頻率最好高於圖9 中的f2 。當頻率為f2時，感應器效率最佳。當採用f1與f2之間的頻率時，感應器效率較低。

   （3）在所有情況下，應儘可能採用渦流 「透入式加熱」 而不採用熱傳導加熱。

    為了滿足上述條件，f1、f2與工件尺寸應有如下關係：

                

    表4 是根據上述關系所要求的電流頻率與所對應的被加熱工件最小直徑和合理的淬火深度範圍。

▼表4 工件直徑、合理的淬火層深度與電流頻率的關係

二、鋼件感應加熱的相變特點

    感應加熱屬於快速加熱。加熱速度對相變溫度、相變動力學和形成的組織都有很大影響。

    在分析示波器記錄的鋼在感應加熱時的溫度-時間曲線（圖10）時得知，鋼鐵材料在失磁後，加熱速度下降數倍，這是感應加熱的特性。

    分析感應加熱中加熱速度對有關相變過程的影響時，應採用失磁後的加熱速度，它能客觀地反映相變溫度區間的加熱條件，可稱為相變區間的加熱速度。相變區間的加熱速度可以由實驗確定。

2.1 快速加熱對相變溫度及相變動力學的影響

2.1.1 加速度對 Ac1、Ac3、Accm 的影響

    圖11 所示，是純鐵、亞共析鋼中自由鐵素體和各種不同原始組織的共析鋼（T8）等材料的臨界點與加熱速度υH的實驗結果。

加熱速度（℃/s）

▲圖11 純鐵、亞共析鋼和T8鋼的臨界點與加熱速度的關係1、2、3-T8鋼，原始組織分別為淬火、正火、退火

    由圖可見，對所有試驗材料，其臨界點均隨加熱速度的增大而提高。鐵素體-碳化物組織越粗大，臨界點上升也越快。在快速加熱時，珠光體向奧氏體轉變是在圖12 所示的平臺以上幾十度的溫度範圍內完成的。該圖表明，加熱速度越快，相變進行最激烈的溫度和完成相變的溫度越高，但亞共析鋼中的自由鐵素體向奧氏體轉變的溫度上限不會超過910℃，因為此時α-Fe 可以在無碳的條件下轉變為 γ 相。

▲圖12 w（C）0.85%的鋼在各種加熱速度下的溫度-時間曲線

2.1.2 加熱速度對相變動力學的影響

    在一般等溫條件下，珠光體向奧氏體轉變的速度隨等溫溫度的提高而加快，見表5、圖13 。

▼表5 珠光體在不同溫度下轉變為奧氏體的時間（w（C）0.86%）

▲圖13 珠光體轉變為奧氏體的等溫溫度與時間的關係（GCr15）

1-轉變開始  2-轉變完成

    在連續加熱的條件下，珠光體向奧氏體轉變動力學也可用圖3 來說明。由A1 點出發的不同仰角的射線表示相變區的各種不同的加熱速度。他們分別與曲線1和曲線2相交於 a1、b1......和a2、b2......顯然，加熱速度越大（v2＞v1），進行相變的溫度就越高，而所需要的的時間就越短。

    以不同速度加熱所得到的奧氏體，冷卻時的等溫轉變動力學曲線如圖14 所示。

▲圖14 40Cr和40CrNi鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線

與加熱速度的關係（奧氏體化溫度為950℃）

a）40Cr   b）40CrNi

×-感應加熱，v=225℃/s

○-感應加熱，v=120℃/s

△-爐中加熱 ，v≈0.2 ℃/s

由圖可見，在加熱溫度相同的的條件下加熱速度越高，奧氏體的穩定性就越差。這是由於加熱速度越高，加熱時間越短，形成的奧氏體晶粒越小，且成分不均勻。提高加熱溫度，奧氏體的穩定性將會增加。

2.2 快速加熱對相變後的組織與性能的影響

2.2.1 加熱速度對奧氏體晶粒大小的影響

    實踐證明，對具有均勻分布的鐵素體和滲碳體組織的鋼進行快速加熱時，當加熱速度由0.02℃/s 增高到100~1000℃/s 時，初始奧氏體晶粒度由 8~9級細化到 13~15 級。加熱速度為10℃/s 時初始奧氏體晶粒度為11~12 級。要得到14~15級的超細化晶粒必須採用100~1000℃/s 加熱速度，見表6 。

▼表6  幾種鋼在不同加熱速度連續    

加熱條件下，轉變終了溫度與

初始奧氏體晶粒面積的關係

    在生產中採用大於3~10℃/s 的加熱速度可得到11~12 級的奧氏體晶粒。如果要得到 14~15 級的超細晶粒，必須先進行淬火或調質處理以消除自由鐵素體，並採用高達100~1000℃/s 的加熱速度。

2.2.2 加熱速度對淬火鋼組織的影響

    在快速加熱的條件下，珠光體中的鐵素體全部轉變為奧氏體後，仍會殘留部分碳化物。即使這些碳化物全部溶解，奧氏體也不一定會全部均勻化。淬火後將得到含碳量不等的馬氏體。提高加熱溫度可以減輕或消除這些現象，但溫度過高又將導致奧氏體晶粒粗大。

    對於碳鋼，即使加熱到910℃以上，在快速加熱條件下，仍難於完成奧氏體的均勻化，有時甚至會在淬火鋼中出現鐵素體。

    當材料原始組織一定時，加熱溫度應根據加熱速度選擇。

2.2.3 加熱速度對表面淬火件硬度的影響

    感應加熱表面淬火時，在一定的加熱速度下，可在某一相應的溫度下獲得最高硬度，見圖15 。提高加熱速度，這一溫度向更高的方向推移，見圖16 。

▲圖15 表面硬度與加熱溫度的關係

（加熱速度為380~400℃/s）

▲圖16 在不同加熱速度下的表面硬度與淬火溫度的關係

    對相同材料，經過感應加熱表面淬火（噴射冷卻）後，其硬度比普通加熱淬火的高2~6HRC（見圖17）。這種現象稱為 「超硬度」。

2.2.4 表面淬火的耐磨性

    零件工作時的磨損量在很大程度上取決於硬度。對同樣的材料，高頻淬火零件的耐磨性比普通淬火零件高得多（見圖18）。

▲圖18 淬火過的45鋼的平均磨損

2.2.5 抗疲勞性能

    在採用正確的表面淬火工藝獲得合理的硬化層分布時，可以顯提高工件的抗疲勞性能。

    如果工件表面有缺口，採用表面淬火幾乎可以完全消除缺口對疲勞性能的有害影響（見表7）。

▼表7 高頻表面淬火對40CrNiMo鋼疲勞性能的影響

    表面淬火能提高鋼疲勞強度的原因除表層本身強度的提高外，還在表面形成很大的殘留壓應力有關。表面殘留壓應力越大，鋼製工件的抗疲勞性能就越好。淬硬層過深會降低表面殘留應力，只有選擇最佳的淬硬層深度才能獲得最高的疲勞性能，見圖19 。

▲圖19 含碳0.74%鋼在各種表面淬硬層深度時對應的疲勞斷裂次數（式樣直徑10mm，曲線上數字是施加在試棒表面的交變應力）

    若硬化區分布不合理，例如過渡層在工作長度內露出表面，此處就往往成為疲勞裂紋源，其結果將使疲勞壽命比不淬火還低。

2.3 原始組織對快速加熱相變的影響

    鋼的原始組織不僅對相變速度起決定性的作用，而且還會顯著地影響淬火後的組織和性能。原始組織越細，兩相接觸面積越大，奧氏體形核位置就越多，碳原子擴散路程越短，越會加速相變。對組織和性能要求嚴格的零件，採用感應淬火時，事先應對鋼材進行預備熱處理。結構鋼的預備熱處理多為調質。

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