作者：沈庆通,黄志
出版社：机械工业出版社
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感应热处理技术300问试读：
前言
20多年前，编者在机械工业出版杜出版了《感应热处理问答》，该书以其内容简明、扼要而颇受一些读者所青睐。20多年过去了，国内外感应热处理无论工艺、标准或设备均有很大改进。编者几十年来一直从事感应热处理专业，接触到国内外本专业的一些资料、装备、信息及发展中的问题。出于对年青感应热处理工作者的责任感，触发了老牛奋蹄的想法，在《感应热处理问答》的基础上增添了新工艺、新装备、新标准等新内容，删去了过时淘汰的装置部分，编写了这本《感应热处理技术300问》。
1960年，美国出版了C.A.Tudbury编写的《BASICS OF INDUCTION HEAT-ING》一书。该书以其通俗易懂、图文并茂的特点，在国际感应加热行业中备受关注。因此，优秀的技术图书内容应简明实用、通俗易懂。我国感应热处理专业书籍不多，新资料和为一线工作者服务的专业技术图书更少，一线感应热处理工作者由于缺乏专业培训，接触面窄等诸多原因，常会在摸索中工作与多走弯路，影响了工作进展。
编者根据自已几十年的工作实践及相关技术文献、读者咨询等，历时近三年，编写了这本书。这本书是一本入门级的感应热处理专业技术图书，图表丰富，便于读者阅读参考。
本书由沈庆通、黄志编著。由于编者水平有限，虽然刻意严谨，但仍会有错误，希望读者能不吝赐教。在本书编写过程中，得到了张宗杰、武瑞、王健、李红莉、张晓、何松志、李志超、梁朋涛、杨继贤、于静、孙藏莲等同志的大力支持，V.S.NemkoV、李韵豪、林信智、万光有等专家对本书的出版备加关注，在此一并致谢！沈庆通
第1章 感应加热物理基础
1.什么是电磁感应现象？
金属能够在感应器内加热，主要依靠电磁感应现象。电磁感应能够将电能经由真空、空气或其他介质所形成的空间传送到所需加热的金属上去。
电磁感应的实质是：交变的磁场能够引起交变的电场。反过来说，交变的电场能引起交变的磁场，如图1-1所示。
当一匝或数匝线圈内通过交变电流时，线圈周围便产生交变磁场，置于交变磁场中的导体（金属零件）便产生电动势E（V），即-8
E=4.44fnΦ×10 （1-1）
式中 f——电流频率（Hz）；
Φ——磁通的振幅；
n——回路的匝数。
当加热金属零件时，回路即是零件本身，此时，n=1。
导体在电动势的作用下产生涡流，其值可用下式表示：图1-1 螺管状感应器与圆柱形工件
式中 I——涡流（A）；
E——电动势（V）；
Z——金属导体的阻抗。
这个涡流就使金属本身发热，使金属自身进行加热。根据焦耳-楞次定律，涡流产生的热量Q（J）可由下式计算：2
Q=IRt （1-3）
式中 I——涡流（A）；
R——金属零件电阻（Ω）；
t——加热时间（s）。
当加热的金属零件为铁磁材料时，交变磁场使铁磁材料反复磁化，磁畴不断转向，并产生摩擦，消耗能量，称为磁滞损耗。磁滞损耗也使金属零件发热，但这部分热量比涡流的热量小得多。
2.什么是趋肤效应？
趋肤效应也称集肤效应或表面现象。当直流电通过一导体时，导体截面上各点的电流密度是均匀的。当交流电通过导体时，导体表面处的电流密度较大，导体内部的电流密度较小。当高频率电流通过导体时，导体截面上的电流密度差更加增大，电流主要集中在导体表面，这种现象称为趋肤效应。趋肤效应作用下从表面到心部的相对电流密度如图1-2所示。
趋肤效应可以用楞次定律来解释：当通过零件的磁通发生变化时，产生在零件内的感应电动势，总企图使感应电流产生的磁通反抗原有磁通的变化。图1-2 趋肤效应作用下从表面到心部的相对电流密度
设想零件是一个由无数同心层组成的钢棒，当它处在感应器内的磁场中，如图1-3所示，因为邻近磁场，涡流将首先在外层产生，而巨钢棒外层的涡流最强。按照楞次定律，此外层感应电流的流动，将产生磁通，但其方向将阻止感应器磁通的增加。这个对抗减小了作用在第二层的感应器的磁通量，因此减少了感应电流，即第二层电流比第一层电流为小。第二层电流产生的磁通对抗感应器产生的磁通，使作用于第三层的磁通量更小。在这种情况下，感应器磁通量与感应电流呈现出向钢棒中心逐步减弱的现象。图1-3 处在磁场中的钢棒
3.什么是邻近效应？
导体内交变电流的分布受到邻近导体内交变电流的影响，这种现象叫做邻近效应。
图1-4a表示两个平行导体A和B，A中的导体丝a所交链导体B的1磁通量比导体丝a所交链的为少，故在a中的互感电动势就比a中的212为小。当导体A、B带有同方向电流时，a和a的互感电动势与电流12的方向基本相反，使a的电流密度比a的为大。当导体A、B带有反12方向的电流时，因感应电动势与电流有基本一致的方向，a的电流密2度比a处为大。1
邻近效应在实际应用中，基本上有以下两种情况：
1）当两个平行导体通人方向相反、大小相等的电流时，电流集中到导体互相靠近的侧面，见图1-4b。
2）当两个平行导体通人方向相同、大小相等的电流时，电流集中到导体相距最远的外侧，见图1-4c。图1-4 邻近效应时导体内电流的分布a）导体丝a比a交链磁通量为少 b）平行导体通人方向相反、大小相等电流时 c）平行导体通12人方向相同、大小相等电流时
4.什么是环状效应？
高频电流流过环状导体时，最大电流密度分布在环状导体内侧，这种现象称为环状效应，如图1-5所示。环状效应的实质也就是环形感应器的邻近效应。
环状效应使感应器上的电流密集到感应器内侧，对加热零件外表面十分有利，但对加热零件内孔时，此效应使感应器电流远离加热零件表面，对加热是不利的，见图1-6。图1-5 环状效应图1-6 内孔加热时环状效应使电流远离加热表面
5.什么是有磁路存在时的趋肤效应？
感应器的有效圈上装了形导磁体，就能使高频电流从导磁体开口一边的导体表面流过，如图1-7所示。这就是有磁路存在时的趋肤效应，也称为导磁体的驱流作用。
导磁体是具有良好磁导率、磁阻很小的磁性材料。导体装上形导磁体后，当高频电流通过导体时，将有交变磁场产生，磁力线将主要从导磁体中通过，其分布如图1-8所示。假设将导体截面分成n层，则在1层处包围的磁力线最少，磁通密度最小，而在n层处包围的磁力线最多，磁通密度最大，因而自感电势最大，电流被驱向感抗小的1层，即高频电流从导磁体开口一边的导体表面流过。
图1-9所示为高频感应器（f=200kHz）有效圈装上导磁体后的电流分布。图1-7 感应器有效圈上装上了导磁体1—有效圈 2—导磁体图1-8 有效圈装上了导磁体后，导体上电流的分布图1-9 高频感应器有效圈装上导磁体后的电流分布1—导磁体 2—有效圈注：h=7mm，a=5mm。
6.什么是工频、高频、中频、超音频、超高频电流？
1）工频电流也称线频电流，其频率为市电频率，即50～60Hz。
2）高频电流是泛指比常用频率（50～60Hz）高的一切电流的频率。由于中频、超音频电流名词的出现，现在高频电流主要指100～6000kHz的电流频率。
3）中频电流一般指500～10000Hz电流频率。
4）超音频电流一般指大于20kHz，小于100kHz的电流频率。
5）超高频电流指比一般高频电流更高的兆赫级电流，如12MHz。
7.什么是电流透入深度？
由于趋肤效应，导体或零件上的电流分布是不均匀的。工程上规定，从表面电流最大值处（I）测到处的深度为电流透人深0度d（e=2.718），如图1-10所示。图1-10 工件截面上相对电流密度和相对功率密度分布
电流在d薄层内产生的热量为全部电流产生热量的85%。
电流透人深度d（mm）可按下式计算：
式中 f——电流频率（Hz）；
μ——材料的相对磁导率；
ρ——材料的电阻率（Ω·cm）。
从上式可知，电流透人深度与ρ、μ、f三值有关。f越高，d越小，所以电流频率越高，电流透人深度越小。对于铁磁性材料，在加热过程中，随着温度升高，ρ值与μ值又会发生很大变化，ρ值随温度升高而升高，μ值随温度升高到770℃居里点时，急剧降低到1，电流透人深度大大增加，如图1-11所示。
钢在居里点以下的电流透人深度称为冷透人深度d，在居里点冷以上的电流透人深度称为热透人深度d，这两个透人深度（mm）可热用下列简化公式计算：图1-11 钢在加热过程中ρ与μ的变化
对于感应器上电流透人深度d（mm），由于ρ、μ两值基本不变，铜可用下式计算：
表1-1列举了纯铜和钢在不同电流频率和温度时的电流透人深度。表1-1 不同频率下铜和钢的电流透入深度
8.电流透入深度由浅入深是如何变化的？
钢件感应加热时，开始升温很快，在过了磁性转变点后，加热速度降低。这是因为钢件开始加热时是冷态，涡流深度很浅，这第一层在一定功率下很快升温，第一层过了磁性转变点后，电阻增大，涡流进人第二层（冷态深度），同样情况随后进人第三层……第n层，直到电流透人深度为止，涡流不再往心部进人，而热靠传导往心部扩散。这就是感应加热涡流渗人的全过程。加热过程中，由于涡流深度增加，功率密度必然下降，因此加热速度明显减缓。在固定频率下，利用不同功率密度得到不同的淬硬深度，其原因也就在此。
9.电流透入深度是否就是淬硬层深度？
电流透人深度是指从电流密度最大的表面测到电流值为表面电流值的1/e处的距离。
淬硬层深度是指从淬火表面测到50%（体积分数）马氏体（或硬度要求值下限×0.8）处这一段距离。
这是两个根本不同的概念，决不能混淆。电流透人深度的大小取决于f、ρ、μ三者，而淬硬层深度却取决于加热层深度、淬火温度、冷却速度与材料本身淬透性等因素。低淬透性钢尽管加热层很深、冷却很激烈，但是淬硬层深度却很浅，就是一个特殊的例子。
图1-12所示为45钢淬硬层内的组织、硬度与温度变化关系。
10.什么是透入式加热？什么是传导式加热？哪种加热类型较好？
透人式加热也称为热容量加热，即当零件加热时，电流热透人深度大于淬硬层深度，可用下式表示：d＞D。热s
透人式加热时，淬硬层的热能由涡流产生，整个层中的温度基本上是均匀的。透人式加热的实例最多，汽车、拖拉机零件大量生产时，绝大多数选用了透人式加热。例如，当电流频率为8kHz时，电流热透人深度约为6mm（850℃）。凡是淬硬层深度小于6mm的，均属透人式加热。图1-12 45钢淬硬层内组织、硬度与温度变化关系t—温度分布曲线 D—淬硬层深度 HRC—硬度分布曲线 区Ⅰ—加热温度高于A，淬火后得马氏s3体 区Ⅱ—加热温度在A与A之间，淬火后得马氏体与铁素体 区Ⅲ—未转变，保持珠光体与铁素体13
传导式加热也称为表层加热，即当零件加热时，电流热透人深度小于淬硬层深度，可用下式表示：d＜D。热s
传导式加热时，热能只产生在d这一层，超过d后的金属，其热热温度的提高完全依靠热传导。为了使D深度这一层达到淬火温度，s加热速度不能大，否则表面会产生过热。
传导式加热的实例也很多，由于电源设备限制，在高频设备上处理层深大于1mm的零件，均属传导式加热。高频设备f≈250kHz，d热=1mm。
图1-13表示达到同样淬硬层深度时，透人式加热和传导式加热零件截面上的温度分布曲线。图1-13 透人式加热和传导式加热零件截面上的温度分布1—传导式加热 2—透人式加热
表1-2列举了两种感应加热类型的主要特性，从表中可以得出结论，在大量生产条件下应选择透人式加热。表1-2 两种感应加热的特性
11.透入式加热对节能、提高经济效益有何意义？
透人式加热在节能上的意义是巨大的，从表1-3与表1-4对比数据可以得出以下两点结论：
1）透人式加热电能消耗少，淬火成本低。
2）传导式加热时，随着淬硬层深度的增加，热的有效利用率更加降低，淬火成本更趋增高；透人式加热时，加热时间短，生产率高。表1-3 Φ52mm圆柱零件在2kHz频率下淬火（△t=100℃，45钢）表1-4 Φ52mm圆柱零件在高频300kHz下淬火（△t=100℃，45钢）
12.什么是磁场？
磁场是物理场的一种，它分布在场源周围的空间，并随场源的变化而及时变化。电流和永久磁铁都是磁场源。图1-14所示为直导线及变成单匝时所形成的磁场。
13.磁力线的作用是什么？
磁力线有助于观察磁场的分布，磁力线密度大的地方表明磁场强度较强。磁力线围绕场源总是闭合的，这好比在闭合的环形水管中流动的水流一样。图1-14 直导线及变成单匝时所形成的磁场
14.什么是磁导率？
在感应加热技术中，磁导率是个极重要的术语。如果用一个通电的螺线圈去吸引铁块，线圈吸力不大；如果线圈中插人铜棒，吸力还是不大；如果线圈中插人铁棒，吸力会大大增加；如果再增加线圈的匝数或电流，吸力还会增大。这说明螺线圈的磁性强弱，即磁感应强度的大小不但与线圈电流、匝数有关，而巨与磁场中的介质有密切关系。为了说明介质的磁性，引人了磁导率这个物理量。
磁导率是表征介质磁化性质的物理量，用字母μ来表示，不同的介质材料，磁导率不同。磁导率的单位是H/m。真空中的磁导率-7μ=4π×10H/m。0
感应加热常用的是相对磁导率，用μ表示。它是任一介质的磁导r率与真空中磁导率的比值，即μ=μ/μ。对于所有的非磁性物质，μ为r0r1，而铁磁物质的μ可达数万，此值还受磁场强度的影响，如最常用r的硅钢片μ=7500，而坡莫合金的μ则高达几万到十万以上。rr
15.什么是磁场强度？
磁场强度等于磁场中某点的磁感应强度B与介质磁导率μ的比值，磁场强度用H来表示，其计算式为H=B/μ。磁场强度的单位为A/m。
磁场强度是一个矢量，它是对磁势强度的度量，好似水流某处的压力梯度。
16.什么是磁感应强度？
磁感应强度是定量描述磁场中各点强弱和方向的物理量。试验证明，通电导体在磁场中受力的大小与导体的有效长度、电流大小及磁场的强弱有关。
载流导体在磁场中所受的力F与导体中的电流I和它垂直于磁力线的长度l的乘积的比值来表示该点磁场的性质，并称为该点的磁感应强度B，其计算式为B=F/（Il）。磁感应强度的单位是T。
磁感应强度是一个矢量，它的方向是该点小磁针N极所指的方向。磁场中某固定点，磁感应强度的大小和方向都是一定的，即B为定值；对不同的点，B的大小和方向可以完全不同。因此，B能描述该磁场各点的性质，它可比喻为流动液体某一点上的速度向量。
17.什么是磁通？
表示磁场在空间分布情况的物理量称为磁通，用字母Φ表示。磁通的定义是：磁感应强度B和与它垂直方向某一截面积S的乘积。在均匀磁场中，因B为常数，则磁通Φ=BS。磁通的单位是Wb。
18.什么是磁阻？
磁阻好比电路中的电阻。电路中电压（电势）产生的电流流过电阻；在磁路中，线圈的安匝数（磁势）产生的磁通“流过”磁路的磁阻。在产生相同磁通情况下，磁路中放人铁磁物质时所需的电流小，没有铁磁物质时所需的电流大，或者说，在线圈中通人相同电流时，前者产生的磁通量大，而后者小。
19.什么是磁能？
磁能是一种与磁场相联的能量，它存在于载流导体周围的空间，载流导体是磁场源。对于交变电流来说，磁能不断地转换为线圈电路中的电能，然后电能又转换为磁能。在能量相互转换的每个周期里，导体会吸收一部分能量。磁能的单位是J，在工业应用中更为常用的5单位是kW·h，1kW·h=36×10J。
20.什么是横向磁场加热？它的感应器是什么样的？
横向磁场加热亦称为横向磁力线（TransVerse flux）加热，其特点是磁通与工件的主轴线相垂直。横向磁场加热感应器见图1-15。图1-15 横向磁场加热感应器a）纵向磁场磁力线与薄板平行 b）横向磁场磁力线与薄板垂直
21.什么是纵向磁场加热？它的感应器是什么样的？
纵向磁场加热亦称为纵向磁力线（Iongitudinal flux）加热，其特点是磁通与工件的主轴线一致或重合。纵向磁场加热感应器见图1-16，这是生产中使用得最多的纵向磁场加热感应器。
22.什么是闭合磁路加热感应器？
一台变压器铁心上套上一次绕组和环形工件（二次绕组），当一次绕组通过I电流时，二次绕组（工件上即会产生I电流）将工件加12热。此种感应器常应用于飞轮齿圈、轴承的热装，也可用作气缸套工频回火感应器。图1-17所示为闭合磁路加热感应器。图1-16 纵向磁场加热感应器图1-17 闭合磁路加热感应器
23.什么是开启式磁路加热感应器？
开启式磁路的特点是工件放置在磁路的开口中，磁力线垂直于工件轴线。此种感应器可用于加热钢板边缘段，也可用于锯片齿部加热。图1-18所示为开启式磁路加热感应器。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]