感应淬火的基础知识

钢的感应热处理可以让零件表面获得高的硬度和耐磨性，而心部仍然保持原来良好塑性和韧性，是目前应用最广、发展最快的一种表面热处理方法，有着其独特的优势，主要在于：

• 加热速度快、热效率高：依靠零件自身产生的感应电流加热，热损失小，热效率可达60%以上，数秒内可使温度达到几百上千摄氏度；

• 热处理质量高：由于加热时间很短，几乎不存在内氧化和脱碳；而且由于只是加热零件表面，心部温度较低，强度降低较少，故淬火变形较小；

• 产品质量稳定，易于实现自动化和智能化生产。

感应加热原理

什么是感应加热呢？其原理就是电磁感应：交变的磁场能够引起交变的电场，反之，交变的电场也能引起交变的磁场。通俗来讲，将一个线圈通以交变电流，再将一导体置于线圈中，则导体中便会产生感应电流，开始加热。

图1 感应加热示意图

详细点解释：

线圈通以交变电流时，根据电磁感应原理，周围便会产生交变的磁场，而置于磁场中的导体（金属零件）便会产生感应电动势E（V），即：

E = 4.44fnφ × 10^-8

其中，f —— 电流频率

         Φ —— 磁通的振幅

         n —— 回路的匝数

当加热金属零件时，回路就是零件本身，此时n = 1。

导体在感应电动势的作用下产生涡流，即感应电流I（Ａ）：

I = E / Z，其中，Z为零件自身的阻抗。

这个涡流便是使金属自身加热的直接原因，根据焦耳-楞次定律，涡流产生的热量Q（J）为：

Q = I²Rt

其中，R—— 金属零件的电阻（Ω）

           t —— 加热时间（s）

这便是感应加热的完整过程。

感应加热的集肤效应和邻近效应

集肤效应

集肤效应也称为趋肤效应或表面现象。当导体通过直流电时，导体截面各点的电流密度是均匀的；但导体通过交流电时，便会发生集肤现象，即：当高频电流通过导体时，导体截面上的电流并不是均匀分布的，而是主要集中在导体表面。

图2 导体内电流均匀分布与集肤效应

其原理为：如图3，导体内通入向左的电流时，由右手螺旋法则可知，产生进入和离开剖面的磁力线。若此时导体中的电流增加，则由于电磁感应效应，导体中产生如图所示方向的涡流，加大了导体表面的电流，抵消了中心线电流，表现的的结果就是是电流向导体表面聚集。

图3 集肤效应原理

集肤效应深度的计算公式为：

其中：γ为导体的电导率，μ为导体的磁导率，f为工作频率。

邻近效应

邻近效应是指导体内交流电的分布受到邻近导体内交变电流的影响。具体表现为如下两种情况：

1. 当两个平行导体通入方向相反、大小相等的电流时，电流会集中到导体互相靠近的侧面，如下图4左所示；

2. 当两个平行导体通入方向相同、大小相等的电流时，电流会集中到导体相距最远的侧面，如下图4右所示；

图4 邻近效应示意图

其原理与集肤效应类似，如下图5：A、B两导体流过相同方向的电流I_A和I_B，当电流按图中箭头方向突增时，根据电磁感应效应，突变磁通在导体B中产生如图所示涡流，使其下表面的电流增大，上表面的电流减少。同理可知导体B对导体A的效应。

图5 邻近效应原理

集肤效应和邻近效应是共存的。