一基礎知識和基本概念

本章介紹了電磁感應、表面效應、鄰近效應、圓環效應、導磁體槽口效應以及表面

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

這些知識，對于表面淬火感應器的結構選擇和設計是十分必要的，對于使用和維護感應

加熱設備的技術人員、工人也是需要這方面的知識。

1電磁感應與感應加熱

導體有電流通過時，在其周圍就同時產生磁場。磁場強度的大小與方向，決定于導

體中電流的大小和方向。

對于螺管線圈的導體，當電流強度I的單位為A、線圈的高的單位為二時，磁場強

度H為：

H=(A/m)(1)

式中n——線圈匝數。

對于通有電流的長直導線而言，環繞其周圍的磁力線是若干個同心圓，當電流強度I

的單位為A時，各同心圓上磁場強度H為：

H=(A/m)(2)

式中r——導線周圍各點到導線的垂直距離mo

每根磁力線都是環繞電流的閉合線，無起點終點之分。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單根長直導線中的電流及其周圍磁力線分布示意圖

磁場的強弱還可以用另一個物理量表示，即磁感應強度B,它與磁場強度H有關,

也與介質的導磁特性有關，其表達式為:

B=gH(T)(3)

式中日磁導率(H/m)。

它表征磁介質被磁化程度的量，是衡量各種物質導磁性能好壞的物理量。

由實驗確定真空的磁導率因為：

的=4"X10-7(H/m)

為了便于比較各種物質的導磁性能，需要引入相對磁導率的概念。任何一物質的磁

導率M與真空磁導率即的比值叫相對磁導率比：

Hr=M/go(4)

(5)

相對磁導率為無量綱的物理量，它說明在相同的條件下，任一物質的磁感應強度是

真空中的多少倍。

根據各種物質導磁性質的情況，可將物質分為三種類型。

磁導率口比真空的磁導率M稍大一點的物質稱為順磁性物質，如空氣、鉛、錫等，

它們的相對磁導率內值在1.000003-1.000014之間，磁導率H比真空的磁導率刖略小

一點的物質稱為反磁性物質，如氫、銅、石墨、銀、鋅等，它們的相對磁導率比值在0.999

995—0.99997之間。磁導率g遠大于真空的磁導率四的物質稱為鐵磁性物質，如鐵、鋼、

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

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

下，鐵磁性物質中所產生的磁場比順磁性物質和反磁性物質中的磁場強兒千甚至幾萬倍

以上。工廠中用于感應加熱的零件材料一般都由鐵磁物質構成。圖3是室溫下工業純鐵

與不同成分的鋼的磁導率產隨磁場強度H的變化曲線。

圖3室溫下磁導率產與磁場強度H的關系

1-工業純鐵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的磁力線根數叫做傲通量確，用下式表示：

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

當線圈中通有交變電流口寸，在線圈的內部及其周圍就產生一個交變磁場，置于線圈

內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電動勢產

生，并在電動勢作用下產生渦流(見圖4)。

圖4零件在交變磁場中產生渦流

按電磁感應定律，感應電動勢e可用下式求得：

e=(7)

由于感應加熱的電流是按正弦規律變化：

I=Imsin27ift

所以該電流所產生的磁通的變化也遵循正弦規律變化：

:=(^mSin2兀ft

=(j)ni27rfcos27tft

于是得感應電動勢e：

e=-巾m2?tfcos271ft(8)

零件中渦流回路的阻抗Z按下式計算：

Z=(9)

式中R-渦流回路電阻，

XL—渦流回路感抗。

則渦流強度i等于：

i=(A)(10)

由于Z通常很小，i自然很大，使渦流回路產生很大熱量，其熱量可由焦耳一楞次定

律確定:

Q=i2R'(J)(11)

進行感應加熱主要依靠這種熱量，其次磁性材料的“磁滯現象”也能引起一定的熱

效應。

2表面效應(集膚效應)

當直流電通過導體時，電流在導體截面上的分布是均勻的，即各處電流密度相等。但是,

當交流電通過圓柱導體時，電流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，當電流頻

率相當高時，導體的中心可以沒有電流，而全部集中在導體的表面層，這種現象稱為高

頻電流的表面效應，如圖5所示。產生表面效應的根本原因是交流電通過導體時產生與

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體中心最強、表面最弱，因

此使電流趨向表面。

圖5高頗電流的表面效應

由于表面效應的作用，導體橫截面上的電流密度從表面到中心按指數規律遞減，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；

導體材料的磁導率；

p—導體材料的電阻率；

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)進行計算。

△=(mm)(13)

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

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

流是由進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。由式(11)可知，熱

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

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

距離圖6渦流的分布和表層熱量的關系。

到裹面的距離

圖6表示了渦流的分布與表面層所發生熱量的關系。

鋼鐵材料在感應加熱過程中，其P和產是變化的。電阻率P同磁場強度無關，但卻

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

關，當溫度上升到居里點時減小到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,而磁導率由口201?^100降到

H800r=lo從式(13)可以看出，當電流頻率f不變時，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電流透入深度，用々oc或△冷表示。

由子此時p和p基本是定值，々or只與頻率f有關：

紫銅的冷態電流透入深度：&0cs5s(mm)(14)

結構鋼的冷態電流透入深度：AzocQ(mm)(15)

材料在高溫時的電流透入深度稱為熱態電流透入深度，例如1000℃時的熱態電流透

入深度用Aooot或△熱表示。這是感應淬火選擇頻率時的重要參數。此時由于p與四已是

定值，所以Aoooc也只與頻率f有關，對于結構鋼可用式(16)、式(17)計算：

Aiooor^(mm)(16)

Agooc^(mm)(16)

圖7是鋼的p和H與溫度的關系曲線。

圖7鋼的p、u與溫度的關系示意圖

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

電阻率磁導在下列電流頻率時（Hz）電流投入深度（mm）

材料溫X106率

度。C32.5X8X150X250500X

。?cmH/m5010103103103X103103

結構鋼2010602.80.640.40.220.050.040.03

奧氏體鋼2020132.27.154.52.50.580.460.32

結構鋼和奧氏體鋼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

兩鄰近的導體，例如兩匯流排或感應線圈與被感應加熱的零件，在有電流通過的情

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

應。

圖8反向及同向交變電流所表現的鄰近效應

a）反向電流b）同向電流

如圖8a所示的兩根矩形截面的導體通有大小相等、方向相反的交變電流，其鄰近效

應的表現為電流在兩導體內側的表面層流過，導流層的厚度就是電流透入深度。在磁場

方面的表現是，兩導體之間磁場強度增強，兩導體的外側磁場強度減弱。產生這種鄰近

效應的原因是兩導體之間的總磁通不僅通過中間的空氣，也從導體內部通過，所以各條

電流線交鏈的磁通量不同，導體外側的電流線交鏈的磁通比內側的多，因此感應電動勢

外側比內側大，致使電流從導體內側通過。

如圖8b所示的兩根矩形截面的導體通有大小相等、方向相同的交變電流，其鄰近效

應的表現為，電流在導體外側的表面層流過，導流層的厚度就是電流透入深度。在磁場

方面的表現是，兩導體內側磁場互相抵消，強度最弱，而導體外側磁場疊加，強度最強。

產生這種效應的原因是兩導體內側電流線所交鏈的磁通大于導體外側電流線所交鏈的磁

通，因此導體內側的感應電動勢大于外側的感應電動勢，使電流趨于外表面。

鄰近效應不局限于兩矩形截面的導體，兩圓形截面的載流導體同樣也會出現鄰近效

應，其表現形式與矩形截面的載流導體時的情況相同。

同軸電纜導體上電流的分布也決定于鄰近效應。同軸電纜，是由中間的圓柱形導體

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

內導體軸線和外導體外表面組成，電路2由內導體表面和外導體內壁組成。當然電路的

末端聯在一起，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。同軸電纜在輸送高頻或中頻電能時，遠比矩形截面或其他

截面的導線阻抗小，材料利用率高。

圖9同軸電纜中的鄰近效應

鄰近效應在感應線圈與被感應加熱的零件之間也有表現。圖10是鄰近效應對渦流分

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

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

是圓環感應器用于加熱實心圓柱零件時，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表明圓環感應器內零件放斜了，造成間隙各處不等，

在間隙小的地方感應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鄰近效應在感應加熱時的表現

a）單很圓管導線加熱平板b）單根方管導線加熱平板

c）圓環感應器間隙均等時加熱零件d）圈環感應器間晾不等時加熱零件

導體之間的距離越小，鄰近效應越強烈（圖11）,電流頻率越高，鄰近效應越強烈。

高、中頻供電系統的母線和電纜及感應器匯流排的設計都要充分利用鄰近效應，在

保證絕緣強度的情況下，其間距越小越好，可以明顯地減少回路阻抗。

圖11導體間的距離對鄰近效應的影響

4圓環效應

圓環形的導體通入高頻（或中頻）交變電流時所產生的磁場在環內空間集中，環外

分散，見圖12。環內的磁通不僅穿過環外空間，同時也穿過環形導體自身，這樣就使環

形導體外側交鏈的磁通多于內側，子是環形導體外側產生較大的感應電動勢，迫使電流

在環形導體內側的電流透入深度層中流過，這種現象稱為高頻電流的圓環效應。

圖12圓環效應

用圓環效應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

匝線圈的內側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圓柱形的鋼質

工件，如圖13。當線圈中通入高頻電流，由于圓環效應的作用，電流將沿線圈的內側流

過。由于磁通集中于線圈內部，在圓柱形工件上產生感應電動勢，即產生電流i2,其方

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

表面效應。

圖13多匝螺旋管形線圈中置入圓柱形工件時的電流分布

常用的圓柱形零件表面淬火的感應器是單匝的，當高頻電流通入感應器時，由于圓

環效應的作用，高頻電流沿感應器內側流過，見圖14,所產生的磁通穿過工件表面，并

形成感應電流使工件加熱。

圖14單匝外圓淬火感應器

圓環效應還可看成?端連在一起的具有大小相等、方向相反的兩個載流導體的鄰近

效應。

借助圓環效應原理我們用來解釋，置于同一圓環導體之中和導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，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效應，磁通密集，而圓筒則遠離線圈電流，磁通稀疏的緣

故。

圖15圓環線圈之內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導磁休的槽口效應

我們把一根載有交變電流的矩形截面的銅制導體放在由“n”型硅鋼片疊起的導磁體

的槽口之中，由于硅鋼片最高相對磁導率由=7500,遠超過銅和空氣的相對磁導率，磁

阻很小，所以磁通力求在硅鋼片導磁體內通過。

導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，使槽口底部導體交鏈了較多的磁通，產生的自

感電動勢較大，電流較小，而槽口上部的導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表示了置于導磁體槽口之中的矩形截面的導體上的

電流分布情況及磁場強度分布的情況，我們把這一現象稱為導磁體的槽口效應或者導磁

體的趨流效應。

圖16導磁體的槽口效應及導體中電流和磁場的分布

H-磁場強度I-電流密度

導磁體槽口深度越大，電流頻率越高，則導磁體的槽口效應越強烈。

利用導磁體的槽口效應可以把導體中的電流驅逐到導體的任何位置，以提高感應器

的加熱效率。

圖17是將n型硅鋼片導磁體槽口向外加在圓環導體上，使圓環導體上的電流趨于

外表面，在該感應器用于內孔加熱時，強化了鄰近效應，提高了內孔的加熱效率。

圖18是導磁體槽口向下加在圓環導體上，使圓環導體上的電流趨于下表面，抵消圓

環效應，在該感應器用于平面加熱時，強化鄰近效應，提高平面加熱的效率。

圖17導磁體槽口向外的內圖18導磁體槽口向下的孔加熱感應器平面加熱感應器

1一導體2—導磁體3一淬火工件

6透入式加熱和傳導式加熱

感應加熱由于設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式

加熱。

當零件的淬火加熱層5小于電流熱透入深度△熱時，且零件得到的比功率為合適值時,

零件可以進行透入式加熱。當零件的淬火加熱層3大于電流熱透入深度△熱時，且零件得

到的比功率小于合適值時，零件的感應加熱是傳導式加熱。

透入式加熱時，當感應線圈剛剛接通電流，渦流在零件表面層按冷態電流透入狀態

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

里點失去磁性時，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

V、3

52

VHIII

800MIIIIIII?HHII?liiS^Mk1!!!ll

0.3imliiiimaBiiKiKmMIH

TCMco￡U>ICMCOxrinIGiCQkgO

?.???

?????ooooo

ooooo

距表面的更寓（mm）

圖19鋼板感應加熱時渦流強度的變化（4200kHz）

1一加熱開始（20oC）2—加熱中間3一加熱到800℃

失磁層內材料的磁導率急劇下降至1,造成渦流強度A明顯下降，因而最大的渦流

強度出現在兩層交界處，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

縱深推移，直到熱透入深度達到△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，加熱過渡層遠小于淬火加熱層，一般3n=（025?0.3）So

傳導式加熱一般是使用電流頻率較高設備時出現，此時，電流熱透入深度較小，所

以當失去磁性的高溫層超過熱態電流透入深度△鉆以后，渦流完全按照熱態分布。在繼續

加熱時，熱量基本上是依靠厚度為△料的表層析出。由于熱傳導的作用，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及鋼的熱導率久存在下列關

系：

Po=

或△產（18）

式中九=30W/（m?K）（1000℃時鋼的平均熱導率）

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

反之，減小PoAr也減小，加熱時間就將增加。

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。而傳導式加熱淬火，

加熱層內過熱度Ar很大，熱量向心部傳導很多，使心部升溫，因此熱效率很低。

圖20兩種感應加熱方式的溫度分布曲線

a)透入式加熱b)傳導式加熱5…悴火加熱層3n一加熱過渡層

傳導式加熱的熱效率5Q動按式(19)計算：

T］桃=(19)

式中Z—熱流擴展深度。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。

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，過熱度Ar=100℃,則K=4.5,那么熱效率n桃＜20%,即在

感應加熱時，傳導式加熱熱效率是相當低的。從圖20a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，一般可達到30?40%,在加熱相同零件時，透入式

加熱能耗只是傳導式加熱能耗的一半。

在設備頻率很高，淬火層深度又較深時，即熱，加熱效率很低。這時，提高比

功率Po,能使AT增加，加熱時間減短，提高熱效率。但Po過大，將造成零件表面嚴重

過熱，降低零件的機械性能，甚至造成廢品。

兩種加熱方式的兒項指標比較列于表2。研究該表，我們可以得出以下兒點結論，1)

在頻率較高、熱透入深度較小時，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，加熱時間越長，電能消耗

越多。

表2兩種加熱方式指標比較

頻率300kHz△熱心1.095mm頻率2kHzA熱心13.4mm

比功率電能消耗加熱時間比功率電能消耗

淬火層深加熱時間（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

加熱方式傳導式加熱透入式加熱

7電流頻率的選擇

在表面效應一節中我們已經了解，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量。因此，對于感應淬火和感應器設計，選擇合適的電流頻率

是十分重要的。

我們可以用式（17）計算出國產高、中頻設備加熱剛才工件時，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

在感應加熱表面淬火的賣踐中，為了得到高的生產率和良好的淬火效果（表面硬度

高、殘余壓縮應力大、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，淬火層Ds與頻率f之間的關系可用下面的公式計算:

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，圓柱形零件根據淬火層深度選擇頻率的數據，也有一定的

參考價值。

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系

圓柱形零件在選擇頻率時，還應該考慮到零件直徑的影響。據蘇聯學者研究，當電

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

電流熱透入深度小于或等于直徑的10%時，效率可達到80%以上。根據我們的經驗將

零件直徑與電流頻率之間的關系列于表5o

表5表面淬火零件直徑與電流頻率之間的關系

零件直徑（mm）10?3025?5045?100

電流頻率（kHz）200?3008.02.5

齒輪感應淬火的頻率選擇是比較復雜的。齒輪形狀復雜，要選擇最佳頻率，使其加

熱均勻，是很困難的，而模數m、齒數Z及齒寬B等參數的變化，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，全齒同時加熱淬火法、全齒連續加熱淬火

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

方法或經驗。

對于中、小模數齒輪和齒輪軸，采用全齒同時加熱淬火或全齒連續加熱淬火時，推

薦使用蘇聯學者研究的經驗公式（26）：

最佳頻率4(kHz)(26)

這一公式的計算結果與圖22是接近的。

族率(kHz)

圖22齒輪的棋數與頻率的關系

我國一些工廠在生產實踐中積累的經驗也可借鑒。對模數2.5~4之間的齒輪，使用

較低的比功率時，可用200?300kHz的高頻設備，對模數4~6的齒輪，可使用40?80kHz

的超音頻設備，對模數6?8的齒輪，可使用2.5?8kHz的中頻設備，對模數m>8的大齒

輪，可采用沿齒溝連續悴火法，選用高頻或中頻均能實現。

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，當頻率很高時，只有齒頂淬火，而頻率適中時，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淬火的組織，增加了齒輪的韌性，頻率較低時，

齒部完全淬火，齒根悴火層平直，頻率很低時，齒頂不能淬火。

a，b）

圖23同模數的齒輪用不同頻率淬火而呈現的淬火層情況

a）頻率過高b）頻率適中c）頻率較低d）頻率很低

應該說明，上述圖表和公式所給出的頻率數值并不是一個精確的或唯一的數值，它

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

時，淬火結果沒有明顯差異，即使有些差異，通過其他參數的調整也可以得到相同或相

近的結果。

8比功率和同時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，感應加熱時，零件所獲得的功率PL與其加

熱面積SL的比值，多用Po代表，數學表達式為：

Po=(kW/cm2)(27)

比功率是感應加熱表面淬火時的一個重要參數，它表示單位時間內向零件單位加熱

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

它對加熱方式的影響有時超過頻率的影響。

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

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

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

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

870℃和950℃。感應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

據的。這樣，1cn?的鋼由室溫用感應加熱到900?950℃,所需熱量約為5667J。現在，

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

的單位功率是：

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

設淬火層厚度：5=0.k0.2、0.3、0.4、0.5cm

加熱時間：他=2、3、4、5、6s

求得比功率Po列于表6

表6用式(28)計算出的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，實踐中很少使用。

表6所示的比功率值是理論數值，在實際生產中由于各種因素影響了感應器的加熱

效率以及為了追求高的生產率，采用的比功率值比理論值要大一些。表7是實際生產中

應用的比功率Po。

有關資料介紹了軸類零件表面淬火時采用的比功率數值（表8）,也有實用價值。

表7生產實際應用的比功率值

同時加熱淬火連續加熱淬火

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值時，要考慮以下因素.對于軸類零件淬火，當面積較小、形

狀簡單、淬火層較淺、原始組織比較細密、化學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，應該選用下限。例如形狀復雜的零件（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，均應選用較小的比功率。

內孔表面淬火和零件的平面淬火均應采用較大的比功率。嚴格說，上述的比功率應

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

功率呢？對于機械式中頻設備：

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；

電一中頻淬火感應器效率，一般電器0.8。

對于電子管式高頻設備（該設備沒有功率表）：

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，一般r=1.7；

n—振蕩管個數；

小一高頻淬火變壓器效率，一般%心0.7；

%一高頻淬火感應器效率，一般%心0.7。

根據比功率的定義，還可引伸出一個重要概念，即同時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。

Smax=（31）

式中PB一變頻設備的額定功率（kW）；

小一淬火變壓器效率，按式（29）和式（30）選取；

電一淬火感應器效率，按式（29）和式（30）選取；

Pomin一表面淬火比功率最小值，按表7選取。

按式（31）計算得出兒種國產高、中頻設備在使圓環感應器的條件下，同時加熱淬

火及連續加熱淬火的最大面積（連續加熱淬火的最大面積是指被圓環感應器包圍的那一

部分零件的面積），并列于表9中。

表9在幾種設備上，兩時加熱淬火及連續加熱淬火的最大面積

電源設備的額定功率同時加熱淬火面積連續加熱淬火

電源種類

PBSmax最大面積Smax最大直徑dmax

1001286420.4

機械式中頻發

160204.8102.432.6

電機（2.5kHz

20025612840.8

和8kHz）

25032016050.9

電子管式高頻6058.829.49.4

設備100984915.6

（100?300kHz）2001969831.2

注：連續淬火所用圓環感應器的有效圈高度為1cm,淬火面積寬度按1cm計算。

近期的日文資料也有相近內容的介紹，也有參考價值。圖24是軸類零件同時加熱悴

火時，設備容量與被加熱面積的關系。圖25是軸類零件連續加熱淬火時，設備容量與被

加熱面積的關系。

圖24同時加熱淬火時，設備容量與被加熱面積的關系設備種類（圖略）

圖25連續加熱淬火時，設備容量與被加熱面積的關系

兩種加熱淬火方法所用設備的輸出總效率均按70%計算。同時加熱淬火，Po取

0.35~0.38kW/cm2；連續加熱淬火，P°取2.0?2.2kW/cn?。據我們的經驗判斷升其前者偏

低，而后者偏高。

9同時加熱淬火法、連續加熱淬火法和縱向加熱整體淬火法

(-)同時加熱淬火法：當工件的淬火面積SL小于或等于變頻設備的同時加熱淬火

的最大面積Smax時，可以選用同時加熱淬火法。

同時加熱淬火法是將工件整體或一部分置于感應器之中或鄰近位置，感應器接通高

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

--段時間，對加熱部分進行冷卻，使該部位達到淬火目的的方法。同時加熱淬火法操作

簡單、控制容易，并能實現自行回火，具有高效、節能等優點，因此被廣泛采用。

用同時加熱淬火法，要確定以下幾個工藝參數：

零件感應加熱所需要的功率PL用式(32)計算：

PL=POSL(kW)(32)

式中Po—零件比功率，根據電源設備種類，從表7利表8中選取；

SL一零件淬火面積(cn?)。

確定設備輸出功率耳用式(33)計算

Pj=(kw)(33)

式中，％和電一分別為淬火變壓器和感應器效率，根據電源設備種類，按式(29)

和式(30)選取。實際變頻設備輸出功率的核對，機械式中頻設備可以直接察看功率表,

電子管式高頻設備的實際輸出功率可用式(34)計算得出。

百=(34)

式中各符號意義與式(30)中相同。

同時加熱淬火的加熱時間TH一般用圖表法來確定。

圖26是統計我國某大型工廠多年生產經驗和檢驗卡片而繪制的比功率P。、淬火層深

度Ds與同時加熱淬火的加熱時間TH的關系曲線。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、圓環感應器(間隙為2?3mm)、8000Hz機械式中

頻發電機。

O*=2

加熱時閭7盟”)

圖26使用8000Hz中頻發電機同時加熱淬火的Po—Ds—TH”關系圖

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

淬火層深度Ds(mm)及加熱時間TH(s)之間的關系曲線，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同時加熱淬火的IP。一Ds—TH關系圖

比功率ABcDEFGH

加熱時間曲線abcdefgh

頻率oo1061055*1041045*1O3103102

蘇聯學者對感應熱處理的工藝曲線有系統的研究，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表的一套曲線。圖25,圖29,圖30分別是使用2.5kHz、5kHz、

250kHz同時加熱淬火的零件直徑D、淬火層深度Ds、比功率Po及加熱時間TH的關系

曲線.

圖28頻率2.5kHz時，軸類零件同時加熱淬火的D—DLPo—TH關系圖

（虛線為Po,實線為TH，線端數值為DS）

7卜70

圖29頻率為8kHz時，軸類零件同時加熱悴火的D—Ds—Po—TH

關系圖（虛線為Po、實線為TH、線端數值為Ds）

D（cm）

D（cm）

圖30頻率為250kHz時，軸類零件同時加熱悴火的D—Ds—P（）—TH

關系圖（虛線為P。、實線為TH、線端數值為DJ

當讀者仔細研究這些曲線后會發現，相同的條件可能得不完全相同的結果，我認為可

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

問題，好在它們能夠給讀者一個參考數值，經過讀者的試用和修正之后，可以得到一個

準確的工藝參數，以減少讀者的摸索時間和試驗次