感应加热表面淬火基本原理

感应加热表面淬火基本原理感应加热表面淬火的应用及基本原理分析。一、应用承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量We=0.40～0.50%钢材。二、工艺方法快速加热与立即淬火冷却相结合。通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度，不等热量传到中心即迅速冷却，仅使表层淬硬为马氏体，中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火（或正火及调质）组织。三、主要方法感应加热表面淬火（高频、中频、工频）,火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，电解液加热表面淬火，激光加热表面淬火，电子束加热表面淬火。四、感应加热表面淬火（一）基本原理：将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热（几秒钟内即可升温800～1000度，心部仍接近室温）后立即喷水冷却（或浸油淬火），使工件表面层淬硬。（如下图所示）（二）加热频率的选用室温时感应电流流入工件表层的深度δ（mm）与电流频率f（HZ）的关系为频率升高，电流透入深度降低，淬透层降低。常用的电流频率有：1、高频加热：100～500KHZ，常用200～300KHZ，为电子管式高频加热，淬硬层深为0.5～2.5mm，适于中小型零件。2、中频加热：电流频率为500～10000HZ，常用2500～8000HZ，电源设备为机械式中频加热装置或可控硅中频发生器。淬硬层深度～10mm。适于较大直径的轴类、中大齿轮等。3、工频加热：电流频率为50HZ。采用机械式工频加热电源设备，淬硬层深可达10～20mm，适于大直径工件的表面淬火。（三）、感应加热表面淬火的应用与普通加热淬火比较具有：1、加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（2～3HRC）。脆性较低及较高疲劳强度。3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配使用。4、淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。五、火焰表面加热淬火适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却。淬硬层深度为2～6mm，否则会引起工件表面严重过热及变形开裂。一、高频感应加热的原理感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流(涡流损耗、。以及导体内磁场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进行加热的。三、感应加热系统的构成感应加热系统田高频电源(高频发生器)、导线、变压器、感应器组成。其工作步骤是①由高频电源把普通电源(220v/50hz)变成高压高频低电流输出，(其频率的高低根据加热对象而定，就其包材而言，一般频率应在480kHZ左右。)②通过变压器把高压、高频低电流变成低压高频大电流。③感应器通过低压高频大电流后在感应器周围形成较强的高频磁场。一般电流越大.磁场强度越高。全晶体管高频感应加热设备1高频感应加热设备现状高频感应加热设备在我省已得到广泛应用，设各频率范围在20}}-450kHz,高频功率最大可达400kW。我省的高频感应加热设备主要应用于金属热处理、’淬火、透热、熔炼、钎焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。现在我省使用的高频感应加热设备都是以大功率真空管(发射电子管)为核心构成单级自激振荡器，把高压直流电能量转换成高频交流电能量，它们的电子管板极转换效率一般在75环左右，设备的整机总效率一般在50绒以下，水和电能的消耗非常大。自70年代中期后，对高频设备也进行了一系列改进，如:(1)用节能型牡钨烟丝电子管代替老式纯钨灯丝系列电子管，如FV-911代替FV-433}FV-431,FV-89F管等;2)采用高压硅堆整流代替充汞闸流管整流;(3)采用大功率双向可控硅结合微机调压代替原闸流管调压;(4)根据各自工艺条件重新更改振荡回路，选择合理的振荡频率。这样，经过一系列改造后，使我省的高频设备整机总电效率有一定的提高，在节能方面有一定的效果，但由于振荡电子管这个耗电最大的器件未能改掉，所以在节能方面，并不是特别显著。2全晶体苍高频感应加热设备电子技术的发展，可谓日新月异。80年代初，日本首先改进半导体生产工艺，开发生产出场控电力电子器件—大功率静电感应晶体管(SIT),并设计制成换流桥式的，把直流电能量转换成高频电能量的全晶体管化高频感应加热设备，随后美国、西德等发达国家也迅速研制，使之很快就商品化了。2.1大功率静电感应晶体管(SIT)的特点大功率静电感应晶体管(SIT)是一种大功率电力电子器件，它的符号与三极管相同，作用也相似，但它主要用在大功率换流或导通的控制场合，它具有以下几个特点:(1)具有“正导通”特性，在正栅压为0V”时，SIT处于导通状态，而在加上负栅压时，则将处于关断状态;(2)开关速度快，可用于高频段;(3)是高输入阻抗的电压控制型器件，所以用较小的驱动功率就能控制较大的功率;(4)SIT元件是高耐压大电流型器件;(5)电流的负温度系数不会使电流集中，从而有利于并联驱动，因此可运用于大功率装置。目前，静电感应晶体管SIT)的单管功耗有1kW和3kW级的电力电子器件，供组装高频逆变设备.2.2全晶体管高频感应加热设备主电路由静电感应晶体管SIT组装的高频感应加热设备主回路如附图所示，主电路由3部份组成:(1)直流电源部份:该部份是把工频三相交流电转换为直流电，并控制下面几部份。该部份主要由三相晶闸管(SCR)可调电路和直流电抗器La与电解电容Ca组成的直流滤波器组成，调整三相晶闸管整流电路的直流输出电压，可调节该设备的输出功率。输入电压为工频3}p380V，最大直流电压可达500V以上，输出直流可以100~100%连续可调。C2)逆变部份:该部份把直流交换为高频交流，并控制后面部份，这部份由电压型单相全桥电路构成，使用1kW或3kW级功耗的SIT作为逆变桥的开关器件，使用同一级功耗的SIT器件组成电路时，设备的功率越大，频率越高，每一桥臂上并联的SIT器件愈多;RC。和D.为缓冲电路，当SIT开始关断而产生浪涌电压，超过这些电路中的直流电压时，二级管D，导通，而电容器C。吸收该浪涌能量，使逆变桥中的SIT器件安全运行。SIT元件的导通或关断是由设备上所配备的微机和专用程序控制触发信号，控制其导通或关断。(3)负载回路部份:该部份的功能是把高频功率输向被加热的金属工件上，负载回路是由谐振回路、电流互感器和加热线圈组成，该电路中的串联谐振回路构成了电压型逆变电路，电容器CT和电感LT两端各产生几干伏以上的高频电压。高频变流器次级侧通常做成单匝，联接着加热线圈L}，巨大的高频电流在L。周围所产生，高频磁通使金属工件迅速急剧发热。3全晶体管化高频与电子管式高频比较全晶体管化高频感应加热设备在如下几个方面优于电子管式高频感应加热设备。3.1工作模式得到彻底改变电子管高频感应加热设备需将工频3}p380V升高后，经高压整流器件变换成相应的直流高压才能供给电子管工作，电子管板极内阻天，有大量功率损耗在板极上发热，而且需要及时加水冷却，同时还需把一部份功率反馈到栅极，并且要较大的灯丝加热功率，这样就有大量的电能损耗在转换之中。而晶体管高频中的SIT电力电子器件，只需较小的驱动功率来控制较大功率换流的产生，SIT元件正向导通压降很小，损耗不大，并且采用直流500V的低压工作状态。电子管板极转换效率最高为750o,SIT电力电子器件为9200;全晶体管高频省去了高压整流变压器、高压硅堆;如果多管并用，能使热量分散，只需加少量的水便可，30kW以下小功率高频可减去水冷却，晶体管高频整机总效率比电子管高频要高200003.2能源的节约电子管高频电压转换次数多，电压变化大，而全晶体管高频电压变化不大，在几百伏内变动，不需多次变换电能，所以全晶体管高频比同功率电子管高频节电3000.节水83沁，如输出为80kW级(FV-911S)电子管高频，振荡工作时输入功率为158kW，用水31/s，而同样的输出功为80kW的全晶体管高频，振荡工作时，输入功率只需113kW,用水。.51/s，电子管还另需消耗2.2kW的灯丝加热功率。3.3设备一与维护全晶体管高频体积只有电子管高频的1/3,所以设备占地面积也只有1/3，晶体管高!p没备洁构简单.l一作1卜常稳定.故障少(据国内使用厂家介绍，使用2年多没有发现任何故障)，维修费用低，省去了原电子管高'G}r1ri;}1:需换的1}?电r管(6',llookW高频为例)，约7000元，水套((2年更换1只)约3500元，每年1次的整流变压器检修、滤油费约}mo七.整个维修费1年最少可节约1万多元。因用水量减少，水泵也可根据需要改用较小功率的。4国内外研制动态4.1国外产品情况目前在世界上只有少数几个国家的大公司能制造全晶体管高频，如日本的岛田理化工业(株)，富士电波机(株)，电气兴业(株)，美国的ENI公司，德国的FDF公司，EMA公司等，产品规格已成系列化，如:日本的:T系列20-}30kHz3}-50kW七种规格，A系列200-}-300kHz2,5,10kW三种规格，SST系列20^200kHz2.0,30,40kW三种规格，20~150kHz50~200kW六种规格，20~100kHz300,400kW二种规格。美国的:STATITRON系列50^-300kHz25一400kW八种规格西德的:ELOMATTGI系歹，j50^-200kHz15^-240kW等规格，而且他们还在试制更高频，更大功率的高频设备，用途已不只是工业.如广播电台，军事通讯等。4.2国产化研制情况我国非常重视国际上这一电力电子器件技术的研究和应用，国家计委、科委、机电部已确定SIT元件和晶体管高频的研制为“八五”国家重点科技攻关项目，具体布署了SIT器件及全晶体管化高频设备整机的同步攻关，目前我国有关科研单位已研制出小功率0.1kW级以下的SIT元件.大功率级的研制还在进行，整机的研制在辽宁电子设备厂进行，目前已研制并出产了几台输出功率为80kW的全晶体管高频感应加热设备，并在1993年中国国际计算机设备展览会上演示了他们的产品;现在他们又在研制输出功率为160kW级的全晶体管高频感应加热设备，估计到1996年研制出样机，输出在80kW以下的高频感应加热设备频率可达300kHzo科学技术在不断进步，电子管高频被大功率晶体管代替是必然趋势，这个日子已不会很长，让我们迎接这个时代的到来，为我省的节能技术工作做出新贡献。附件：