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高频感应加热设备的功率怎么选择(含功率和频率的计算方法)

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众所周知,感应淬火时的频率选择是非常重要的。因为不同的电流频率,将在零件中产生不同的透入深度,在随后的淬火中可获得到不同深度的硬化层。

高频感应加热设备的功率怎么选择(含功率和频率的计算方法)

高频(中频)电流有个重要的特性叫表面效应,即随着电流频率的提高,高密度的感应电流,更趋向零件表面。频率越高,表面电流密度越大,电流透入深度越小。频率越低,电流透入深度越大。

对于钢制实心圆柱形零件而言,电流透入深度Δ一般用式(1)进行计算

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式中:ρ——钢的电阻率,20℃的钢ρ≈10-5Ω·cm;800℃的钢ρ≈10-4Ω·cm;

μ——钢的磁导率,20℃的钢μ≈100;800℃的钢μ≈1;

f——电流频率,Hz。

感应淬火一般是零件的表面层淬火,硬化层Ds与电流透入深度有密切关系,特别是热态电流透入深度。于是我们更为关注当零件表面层达到800℃时的电流透入深度,这个深度被称为热态电流透入深度,用Δ800℃表示。达到800℃以上的表面层,在随后冷却中有相当的深度就是淬火层,但因为感应加热速度很快,相变点随之提高,因此不是达到800℃的层深都能转变为淬火层。各种频率的Δ800℃直接影响工件的加热方式、淬火质量和感应器设计。

对于钢制零件而言,表面层达到800℃时ρ和μ已是定值,于是我们可以将式(l)整理、简化成为式(2)的形式,并可以直接计算各种频率的热态电流透入深度Δ800℃,列于表1。

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表1各种频率的电流热态透人深度

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那么硬化层Ds与热态电流透入深度Δ800℃应该是什么关系呢?作者根据多年的专业工作经验,认为保持式(3)的关系为最好。这种关系能使加热时间缩短、生产效率提高、淬火质量良好(表面硬度高、压缩残余应力大、淬火过渡层薄)。这种加热方式称为透入式加热方式,即硬化层小于热态电流透入深度。

Ds≈△800℃/2(3)

圆柱形零件表面淬火时,硬化层Ds与频率f之间的关系还可用下面的公式计算:

最低频率fmin>15000/DS2(5)

最佳频率f≈60000/DS2(6)

式中DS——硬化层深度(mm)。

利用公式(5)、(6)我们可以算出不同硬化层深度所需要的电流频率,并列入表2。研究表2可知,为获得某一种深度的硬化层,可用的频率范围实际是很寛的。感应加热表面淬火,频率的选择是重要的,但还应该说明功率密度(比功率)、加热时间(或扫描淬火的速度)等参数的选择也是重要的。在选择电流频率以后,只有功率密度和加热时间(或扫描淬火的速度)两项都较为合适的情况下,才能得到满意的硬化层。

表2各种硬化层深度所需的电流频率

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圆柱形零件在选择电流频率时,还应该考虑到零件直径的影响。一般说来零件直径越大,硬化层越深,所需频率越低。俄国学者研究:当热态电流透入深度小于或等于零件直径的10%时,感应加热效率最高,最高者可达到80%;当热态电流透入深度达到零件直径的30%时,感应加热效率下降到70%。根据我们的经验,表面淬火的零件直径与电流频率之间有如下关系,见表3。

表3零件直径与电流频率之间的关系(圆环感应器)

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硬化层深度与直径大小综合考虑,可用表4选择频率。

表4零件直径和硬化层深度与电流频率的关系

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在频率的选择中还存在两个概念:

当Ds<Δ800℃称为透入式加热

当Ds>Δ800℃称为传导式加热

两种加热方式有很大的不同,见表5

表5两种加热方式效果比较

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频率选择尽管重要,但热处理厂因为设备品种有限,不能认真进行频率选择。往往用一台电子管高频设备(频率150~300kHz)应对多种零件,自然有一些零件的感应加热是以传导方式进行的。例如某种小轴直径40mm、硬化区长度50mm,小轴硬化层分别为2、3、4、5mm。分别利用300kHz高频和2kHz中频进行淬火,其结果列于表6。

表6两种加热方式效果比较

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研究表6可知,利用300kHz高频淬火,加热方式是传导方式加热,它造成零件表面有较高的过热度,它与透入式加热的中频淬火相比,加热时间是后者的3.6~5.4倍,消耗电能是后者的1.3~1.5倍。可见透入式感应加热是高效节能的加热方法。

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