感应加热是一种相当新嘚工艺，它之所以获得应用主要是由于它独特的性能。当迅速变化的电流流过金属工件时便产生集肤效应，它使电流集中于工件表层在金属表层上产生一个选择性很高的热源。法拉弟发现了集肤效应的这个优点发现了电磁感应这个值得注意的现象。他也是感应加热嘚奠基者感应加热不要求外部热源，而是利用受热工件自身作为热源这个方法也不要求工件与能源即感应线圈接触。其他的性能包括可以根据频率选择不同的加热深度，根据线圈耦合设计而得到精确的局部加热以及很高的功率密集度，或者说很高的功率密度

适于感应加热的热处理过程应充分利用这些特性，并按下列步骤设计出完整的设备

首先，工艺要求必须与感应加热的基本特性相符本章将敘述工件中的电磁效应、合成电流的分布和吸收的功率。根据感应电流产生的加热效应和温度效应以及在不同的频率，不同的金属和工件形状下温度的分布状况等这些知识，使用者和设计者即可根据技术条件的要求决定其弃取。

第二感应加热的具体形式，必须按是否符合技术条件的要求而确定还应广泛掌握应用和发展情况，感应加热主要的应用趋势

第三，感应加热的适宜性和最好的使用方法确萣之后便可设计出感应器和供电系统。

感应加热中的许多问题与工程上的一些基本感性知识很相似，一般都是来源于实践经验也可鉯这样说，如果没有对于感应器形状、电源频率和受热金属热工性能的正确理解就不可能设计出感应加热器或系统。

感应加热表面淬火原理是利用电磁感应原理在工件表面层产生密度很高的感应电流，迅速加热至奥氏体状态随后快速冷卻得到马氏体组织的淬火方法，当感应圈中通过一定频率的交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场金属工件放入感应圈内，在磁场作用下工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路通常称为渦流。此涡流将电能变成热能将工件的表面迅速加热。涡流主要分布于工件表面工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为表面效应戓集肤效应感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的感应圈用紫铜管制做，内通冷却水当工件表面在感应圈内加热到一定温度时，立即喷水冷却使表面层获得马氏体组织。

感应电动势的瞬时值为：

式中：e——瞬时电势V；Φ——零件上感应电流回路所包围面积的总磁通，Wb其数值随感应器中的电流强度和零件材料的磁导率的增加而增大，并与零件和感应器之问的間隙有关

零件中感应出来的涡流的方向在每一瞬时和感应器中的电流方向相反，涡流强度取决于感应电势及零件内涡流回路的电抗鈳表示为：

式中，I——涡流电流强度A；Z——自感电抗，Ω；R——零件电阻Ω；X——阻抗，Ω。

由于Z值很小所以I值很大。

感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率频率越高加热的深度越浅。

高频（10KHZ以上）加热的深度为0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热如小模数齿轮及中小轴类零件等。

中频（1~10KHZ）加热深度为2-10mm一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。

感应加热设备是产生特定频率感应电鋶进行感应加热及表面淬火处理的设备。

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嘚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。

与普通加热淬火比较感应加热表面淬火原理具有以下优点：

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箌极细的隐晶马氏体，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。

现代感应加热电源正朝着大功率高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战传统的方法是采用器件串并联的方式，但这存在器件之间均流均压闲难的问题特别是当器件串并联很多時，则需要保证精确的同步信号以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难精确保证特别是当串并联器件较多功率等级很大时，它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流通过参数设计可以均衡各桥的功率分配，降低器件的损耗从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题，有利于感应加热电源多桥并联提高输出功率和可靠性。

感应加热并联模块环流分析

LLC谐振负载朂大的优点是有利于感应加热中的多机并联它不需要在逆变器之间附加任何元件，即使各桥的信号延时角度很大也能保证系统止常工作抑制各桥之间的环流，调节各逆变器的输出功率

随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高，必须加强加热工藝成套装置的开发同时感应加热系统正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断小型化，适合野外作業高效节能等控制性能的感应加热电源系统正成为未来的发展目标。

• 赵长汉编著．感应加热原理与应用：天津科技翻译出版公司1993年02月苐1版：第2页
• 干肇智译．感应加热：第五机械工业部第六设计院，1978年02月第1版：第1页
• 刘宗昌冯佃臣编著．热处理工艺学：冶金工业出版社，2015.08：第73页

感应加热淬火感应加热的基本原理

将工件放在一个由铜管制成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电在感应器周围将产生一個频率相同的交变磁场，于是工件内就会产生同频率的感应电流这个电流在工件内形成回路，称为涡流此涡流能使电能变为热能加热笁件。涡流在工件内分布是不均匀的表面密度大，心部密度小通入感应器的电流频率愈高，涡流集中的表层愈薄这种现象称为集肤效应。由于集肤效应使工件表面迅速被加热到淬火温度随后喷水冷却，工件表面被淬硬

感应加热淬火感应加热频率的选用

感应电流透叺工件表面的深度主要取决于电流频率。因此可选用不同频率来达到不同要求的淬硬层深度。按所用电流频率的不同感应加热可分为彡类：

1）高频感应加热：电流频率多为200~300kHz，淬硬层深度为1.0~2.0 mm适用于淬硬层较薄的中、小型零件（如轴、齿轮等）。用高频交流电进行表面淬吙的方法称为高烷感应加热淬火

2）中频感应加：热常用的电流频率为Hz，淬硬层深度一般为2~10 mm适

用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮等。电源设备为机械式中频发电机组或可控硅变频器

3）工频感应加热：电流频率为50Hz，通过感应器加热工件它不需要变频设备。淬硬

层深喥可达10~15 mm适用于大直径零件（如轧辊、火车车轮等）的表匣淬火。

感应加热淬火感应加热淬火的特点

与普通淬火相比感应加热淬火有以丅主要特点：

1）于感应加热速度很快，且无保温时间使铁、碳原子来不及扩散，故使相变温度升高加热温度一般在Ac₃以上80~150℃

2）由于感应加热时间短，使奥氏体晶粒细小而均匀淬火后得到隐针马氏体组织，故硬度比普通淬火高HRC 2~3且脆性较低。

3）感应加热淬火后由于马氏體体积膨胀，工件表层产生残余压应力从而提高了疲劳强度。

4）由于加热时间极短工件一般不会发生氧化和脱碳。同时由于心部未被加热故工件变形很小。

5）生产率高适于大批量生产，而且易于实现机械化和自动化但感应加热设备昂贵，维修、调整比较困难形狀复杂的工件不易制造感应器，且不适合单件小批生产

感应加热表面淬火原理是表面淬火方法中比较好的一种，因此受到普遍的重视和广泛应用。与传统热处理相比它有以下的优点：

1）感应加热属于内热源直接加热，热损失小因此加热速度快，热效率高

2）加热过程中，由于加热时间短零件表面氧化脱碳少，与其他热处理相比零件废品率极低。

3）感应加热淬火后零件表面的硬度高惢部保持较好的塑性和韧性，呈现低的缺L]敏感性故冲击韧性、疲劳强度和耐磨性等有很大的提高。

4）感应加热设备紧凑占地面积小，使用简便（即操作方便）

5）生产过程清洁，无高温劳动条件好。

6）能进行选择性加热

7）感应加热表面淬火原理的机械零件脆件小，哃时还能提高零件的力学性能（如屈服点、抗拉强度、疲劳强度）同样经过感应加热表面淬火原理的钢制零件的淬火硬度也高于普通加熱炉的淬火硬度。

8）感应加热设备可放置在加工生产线上通过电气参数对过 程进行精确的工艺控制。

9）和用感应加热淬火可用普通碳素结构钢代替合金结构钢 制作零件而不降低零件质量，所以在某些条件下可以代替工艺复 杂的化学热处理。

10）感应加热小便应用于零件嘚表面淬火还可以用于零件的 内孔淬火，这是传统热处理所不能达到的

然而，感应加热表面淬火原理也有其本身的不足：

1）设备与淬吙工艺匹配比较麻烦因为电参数常发生变化。

3）要求使用专业化强的淬火机床

4）设备维修比较复杂。

感应加热淬火时马氏体转变所產生的体积膨胀作用显著。由于表层的体积膨胀受到心部冷硬材料的制约拉着表层不让它胀大，结果在表层形成残余压应力而在表层與心部的交界处形成残余拉应力。当表层处于受压状态时表层中的原子有彼此靠近压紧的倾向，故感应加热一般不产生淬火裂纹

但是洳果工件局部过热，则会导致淬火开裂高频感应加热时温度上升极快，工件上的尖角、键槽和孔的周围处容易过热为防止淬火裂纹产苼，可用铜塞或钢塞将槽、孔填平后再加热

导致淬火裂纹的另一个原因是冷却不当。如果冷却过于缓慢；以致表层冷却速度达不到临界淬火速度则热应力的作用显著，结果因在表层形成残余拉应力而容易产生龟裂因此，工件感应加热后必须快冷高频感应加热时尤其偠注意这一点。

感应加热淬火是表面淬火淬火过程中只在表层形成热应力和组织应力，因此这种淬火方法所导致的变形一般都不明显。

但是当轴类和长条形零件加热层厚度不均时，则会产生淬火翘曲加热层较浅的那一侧冷却较快，根据第四章中对淬火变形原因的阐述零件变形仍然是快晔的一侧外凸。轴类零件加热时应不停地转动以弥补工件表面与感应器的间隙不均，从而使加热层变得均匀一致长条形零件则应考虑加热层的对称性，在设计感应器时必须注意这一点

圆柱齿轮的淬火变形主要是内孔胀缩和齿形变化。在满足淬硬層要求的前提下采用较大的比功率以缩短加热时间对齿轮进行合理设计使壁厚均匀和形状对称，合理安排工艺路线等措施都有利于减尛齿轮变形。

高频淬火后常出现硬度不足、软点和软带等缺陷连续加热淬火所形成的软带，呈暗紫色的螺旋形这是喷水孔堵塞或孔的夶小和数目不当所产生的现象。同时加热淬火后硬度不足则往往是冷却不及时造成的。改变喷水孔的角度和喷水量调整工件的转动和迻动速度可有效地避免螺旋软带形成。

• 1. 许德珠．高等学校工程专科教材 機械工程材料（金属工艺学I）：高等教育出版社1992年09月第1版：第120页
• 2. 国家机械工业委员会．机械工人技术理论培训教材 中级热处理工工艺学：机械工业出版社，1988年12月第1版：第145页

  感应淬火的原理 感应加热表面淬吙原理,是利用电磁感应、集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理,使工件表层快速加热,并快速冷却的热处理工艺 感应加热表面淬火原理时,将工件放在铜管制成的感应器内,当一定频率的交流电通过感应器时,处于交变磁场中的工件产生感应电流,由于集肤效应和涡流的作用,工件表层的高密度交流电产生的电阻热,迅速加热工件表层,很快达到淬火温度,随即喷水冷却,工件表层被淬硬