热处理设备（PPT67页)

热处理原理、工艺及设备PRINCIPLES,TECHNOLOGYANDEQUIPMENTSFORHEATTREATMENT第三部分热处理设备（4）EquipmentsforHeatTreatment§14感应加热设备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，可通过计算机控制实现无人操作。感应加热示意图感应加热示意图激光加热表面淬火§14感应加热设备优点：工艺简单，工件畸变小、氧化脱碳少，生产效率高，节能，环境污染少，可以实现局部、快速处理，工艺过程容易实现机械化和自动化。特点：零件加热不依靠外部热源（如传导、对流、辐射），而是交流电源通过感应器对零件表面产生交变电流，工件表面形成闭合回路，依靠金属本身电阻来实现加热。热能来源：涡流热效应（主要热源）和磁滞热效应。§14感应加热设备组成感应加热电源淬火机床感应器设备冷却和淬火冷却介质循环系统分类装置频率：超高频、高频、超音频、中频、工频变频方式：电子管变频、机式变频、晶体管变频、固体电路逆变及工频加热装置§14.1感应加热概述一、感应加热的基本原理感应加热的物理基础将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在其内部产生交变磁场，由交变磁场激发的感应电势将在工件的表面产生感应电流，这种电流又称涡流。因为工件材料的电阻很小，所以不大的感应电势便造成强度很大的涡流，从而释放出大量的焦耳热，使工件表面层温度迅速升高。§14.1感应加热概述趋肤效应（集肤效应）：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。感应电动势的瞬时值：e=-dø/dt(V)式中：dø/dt表示磁通量ø对时间的变化率，负号表示感应电动势方向与dø/dt方向相反。电流透入深度：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强度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。对于碳钢：δ=500·f-1/2(mm)f－电流频率§14.1感应加热概述感应加热的物理过程感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度很小，仅在一薄层内进行加热。当电流透入深度大于淬硬层深度后，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。这种加热方式称为透入式加热。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，这时工件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。§14.1感应加热概述透入式加热较传导式加热有如下特点电流透入深度大于淬硬层深度后，最大密度的涡流流向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，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；加热迅速，热损失小，热效率高；热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高。§14.1感应加热概述二、感应加热设备的分类工频感应加热设备中频感应加热设备高频感应加热设备§14.1感应加热概述§14.1感应加热概述三、中高频电流的特点1、趋肤效应定义：当交变电流通过施感导体时，导体的表面的电流密度最大，越向导体内部电流密度越小，这种现象称趋肤效应（或称表面效应)。电流的频率越高，集肤效应越显著。§14.1感应加热概述涡流由表面向心部衰减规律（指数规律）I0－表面涡流强度c－光速ρ－工件材料的电阻率μ－工件材料的导磁率x－距工件表面的距离f－交流电频率)2exp(0xfcIIx§14.1感应加热概述当f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铜管制成，管内通水冷却，以降低施感导体温度。§14.1感应加热概述2、邻近效应定义：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在两导体相邻的一面。这种电流向一侧集中的现象叫邻近效应。导体内电流的频率越高，邻近效应越明显。§14.1感应加热概述在感应器的导电管之间，如多匝感应器的匝与匝之间存在邻近效应，感应器与加热工件之间也存在邻近效应，在感应器的设计中，巧妙利用邻近效应可提高感应器的效率。§14.1感应加热概述3、圆环效应定义：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化，此时电流仅仅集中在圆环的内侧，这种现象叫圆环效应。圆环的曲率半径越小，径向宽度越大，圆环效应也越明显；电流的频率越大，圆环效应也越显著。圆环效应有利于感应器对外圆柱零件的表面感应加热，但不利于对工件内孔进行加热。§14.1感应加热概述4、尖角效应定义：当用感应器加热不规则形状工件表面时，工件的尖角部位的加热强度远较其它光滑平坦部位强烈，往往会造成过热(例如，齿轮的齿顶部位)，这种现象称做尖角效应。尖角效应是由于磁力线易于在尖角处集中，感应涡流较强的缘故。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之间的间隙。§14.1感应加热概述§14.1感应加热概述5、电流捷径电流在流动时，往往是沿电阻小的部位进行，有时感应器的厚度有变化时，应考虑电流走捷径对加热的影响。§14.2感应加热设备一、工频感应加热设备§14.2感应加热设备构成：供电系统＋工艺装备系统f=50Hz（或60Hz），电流透入深度δ10mm（f=50Hz时，电流透入深度δ＝15mm），适用于大型工件，如冷轧辊、大车轮等大截面工件的表面淬火加热，也被广泛用于熔炼钢铁、铸铁及有色金属，还可以用于锻件锻造前的加热，热处理的正火或调质处理。特点：工频感应加热速度低，不易产生过热，整个加热过程易控制。§14.2感应加热设备当温度高于居里点（700℃）时，δ＝75mm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，因而热应力较小，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。不需要变频设备，设备简单，投资较低；§14.2感应加热设备二、中频感应加热设备f=500~10000Hz，又称音频感应加热设备，电流透入深度δ≈5mm，用于中小型工件的淬火加热。中频发电机是使用较早而广泛的设备，其中可控硅变频器是一种较先进的设备，在工业中也得到迅速地发展和推广使用。§14.2感应加热设备中频发电机组构成：电动机、中频发电机、激磁用电动机和发电机、电容器、降压变压器、感应器分类机械式晶闸管式§14.2感应加热设备机械式中频变频装置（简称机式中频发电机）：能将50Hz工频电流转变成1000~8000Hz的中频电流优点：可靠耐用，维护费用低，可集中供电（一台机组可以供几台淬火机床轮流使用），变频机组利用率高；数台性能相近的中频装置可并联使用，提高输出功率。缺点：频率固定，使用范围受限，占地面积大，噪声大，耗水量大，电效率低（70%~75%），属淘汰产品，目前已停产。§14.2感应加热设备晶闸管式（SCR）中频变频装置：亦称可控硅中频电源，有整流、滤波、逆变、控制及保护电路组成。感应淬火用的晶闸管中频电源频率一般为2.5~8kHz。优点：体积小、重量轻；无机械运动，噪声小；启动、停止方便；频率可根据零件需要调整，并在运行中自动跟踪，保持在最高功率因数下运行；安装容易；电效率可达90%。§14.2感应加热设备§14.2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大功率的频率变换装置，它将50Hz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小于1mm的中、小型零件。§14.2感应加热设备f=100~300kHz，电流透入深度δ3mm，适用于大多数工件表面淬火。分类电子管式高频感应加热装置晶体管式高频变频装置§14.2感应加热设备电子管式高频感应加热装置结构晶闸管调压器升压变压器高压整流器电子管振荡器微机控制调压系统优点：在高频率甚至超高频率、大功率方面有独特优势缺点：耗能高、体积大、相对效率低、危险性大§14.2感应加热设备晶体管式高频变频装置结构整流器逆变器控制电路优点：体积小、重量轻，整机效率高，节能节水，随时可以起动和停机，输出功率调节方便，反应迅速，准确可靠，故障率低，整机使用寿命长。§14.2感应加热设备§14.2感应加热设备四、感应加热设备的选择电流透入深度δ：根据趋肤效应，工程上规定当Ix降至I0的1/e（0.368，e=2.718）处的电流深度称为电流透入深度。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800~900℃时δ=500/f1/2感应加热时，f越大，δ热越小，则淬硬层深度x越浅；反之，f越小，δ热越大，则x越深。§14.2感应加热设备如果δ热x，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，过渡层大，但功率小；如果δ热≥x，加热速度快，表面辐射损失小，过渡层浅，但功率大。生产经验：1.5×104/x2≤f≤2.5×105/x2例如：x=2.0时,fmax=60000Hz,fmin=4000Hzf最佳＝15000Hz采用真空管式感应加热设备。§14.3感应加热器设计概要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。因此，感应器的设计对提高产品质量和经济效益至关重要，应根据工件的形状、尺寸以及热处理技术要求来设计设计要求：确保工件表面被均匀加热，电热效益高，自身损耗小，具有一定的强度和使用寿命，制作简单，工作稳定可靠，操作方便，装卸便捷。§14.3感应加热器设计概要感应器的组成有效圈（产生磁场加热工件的有效部分）汇流排（将电源电流输向有效部分）连接板（夹持装置，将前两者与淬火变压器夹紧）供水装置（冷却前两者、喷水冷却工件）有时感应器还装有导磁体、磁屏蔽环（片）、定位圈和支撑装置。§14.3感应加热器设计概要§14.3感应加热器设计概要感应器的设计主要包括：感应器有效圈的形状、尺寸、圈数，感应器有效圈与工件的间隙，汇流板的尺寸与连接方法，冷却方式等。其结构尺寸主要根据中、高频电流的特点以及感应线圈的使用寿命等来考虑。§14.3感应加热器设计概要1、感应器有效圈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的功率因数。从提高热效应的角度出发，感应器有效圈与工件的间隙越小越好。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。但间隙过小，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影响，设备功率大则间隙大，设备功率小则间隙小。连续加热时要考虑移动，间隙也要大一些。§14.3感应加热器设计概要2、感应器有效圈的尺寸1）感应器有效圈的内径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。内径：D＝D0＋2a（mm）D0－工件的直径，mma－工件表面与施感导体内表面的间隙§14.3感应加热器设计概要2）感应器有效圈的高度感应器有效圈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：H=L+8~10(mm)L－淬硬区的长度短轴零件进行局部一次性加热：H=L-2a(mm)a－感应器有效圈与工件间隙，mm当轴形件淬硬层较长时，可采用多匝感应器。§14.3感应加热器设计概要3）感应器有效圈的管壁厚度管壁厚度应根据电流在铜质导体中的趋肤效应以及感应器自身的强度要求来确定。感应器有效圈壁厚没有通水冷却时，其厚度为8~10mm，通水冷却时，厚度按下表选取。感应器