感应加热表面淬火基本原理

感应加热表面淬火基本原理

感应加热表面淬火的应用及基本原理分析。

一、应用

承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量We=0.40～0.50%钢材。

二、工艺法

快速加热与立即淬火冷却相结合。

通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度，不等热量传到中心即迅速冷却，仅使表层淬硬为马氏体，中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火（或正火及调质）组织。

三、主要法

感应加热表面淬火（高频、中频、工频）,火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，电解液加热表面淬火，激光加热表面淬火，电子束加热表面淬火。

四、感应加热表面淬火

（一）基本原理：

将工件放在用空心铜管绕成的感应器，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热（几秒钟即可升温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。（如下图所示）

（二）加热频率的选用

室温时感应电流流入工件表层的深度δ（mm）与电流频率f（HZ）的关系为

频率升高，电流透入深度降低，淬透层降低。

常用的电流频率有：

1、高频加热：100～500KHZ，常用200～300KHZ，为电子管式高频加热，淬硬层深为0.5～2.5m m，适于中小型零件。

2、中频加热：电流频率为500～10000HZ，常用2500～8000HZ，电源设备为机械式中频加热装置或可控硅中频发生器。淬硬层深度～10 mm。适于较大直径的轴类、齿轮等。

3、工频加热：电流频率为50HZ。采用机械式工频加热电源设备，淬硬层深可达10～20mm，适于大直径工件的表面淬火。

（三）、感应加热表面淬火的应用

与普通加热淬火比较具有：

1、加热速度极快，可扩大A体转变温度围，缩短转变时间。

2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，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。

五、火焰表面加热淬火

适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。工件表面达到淬火温度后，立即喷水冷却。淬硬层深度为2～6mm，否则会引起工件表面重过热及变形开裂。

一、高频感应加热的原理

感应加热是利用导体在高频磁场作用下

产生的感应电流(涡流损耗、。以及导体磁

场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进

行加热的。

三、感应加热系统的构成

感应加热系统田高频电源(高频发生

器)、导线、变压器、感应器组成。

其工作步骤是①由高频电源把普通电源

( 220v/50hz)变成高压高频低电流输出，(其

频率的高低根据加热对象而定，就其包材而

言，一般频率应在480kHZ左右。)②通过变压

器把高压、高频低电流变成低压高频大电

流。③感应器通过低压高频大电流后在感应

器围形成较强的高频磁场。一般电流越

大.磁场强度越高。

全晶体管高频感应加热设备

1高频感应加热设备现状

高频感应加热设备在我省已得到广泛应

用，设各频率围在20}}-450 kHz,高频功率

最大可达400 kW。我省的高频感应加热设备

主要应用于金属热处理、’淬火、透热、熔炼、钎焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半

导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。现

在我省使用的高频感应加热设备都是以大功

率真空管(发射电子管)为核心构成单级自激

振荡器，把高压直流电能量转换成高频交流

电能量，它们的电子管板极转换效率一般在

75环左右，设备的整机总效率一般在50绒以下，水和电能的消耗非常大。

自70年代中期后，对高频设备也进行了

一系列改进，如:

(1)用节能型牡钨烟丝电子管代替老式

纯钨灯丝系列电子管，如FV-911代替

FV-433 } FV-431,FV-89F管等;

<2)采用高压硅堆整流代替充汞闸流管

整流;

(3)采用大功率双向可控硅结合微机调

压代替原闸流管调压;

(4)根据各自工艺条件重新更改振荡回

路，选择合理的振荡频率。

这样，经过一系列改造后，使我省的高频

设备整机总电效率有一定的提高，在节能

面有一定的效果，但由于振荡电子管这个耗

电最大的器件未能改掉，所以在节能面，并

不是特别显著。

2全晶体苍高频感应加热设备

电子技术的发展，可谓日新月异。80年

代初，日本首先改进半导体生产工艺，开发生

产出场控电力电子器件—大功率静电感应

晶体管(SIT ) ,并设计制成换流桥式的，把直

流电能量转换成高频电能量的全晶体管化高频感应加热设备，随后美国、西德等发达

也迅速研制，使之很快就商品化了。

2. 1大功率静电感应晶体管(SIT)的特点

大功率静电感应晶体管(SIT)是一种大

功率电力电子器件，它的符号与三极管相同，作用也相似，但它主要用在大功率换流或导通的控制场合，它具有以下几个特点:

(1)具有“正导通”特性，在正栅压为

"0 V”时，SIT处于导通状态，而在加上负栅

压时，则将处于关断状态;

(2)开关速度快，可用于高频段;

(3)是高输入阻抗的电压控制型器件，所

以用较小的驱动功率就能控制较大的功率;

(4)SIT元件是高耐压大电流型器件;

(5)电流的负温度系数不会使电流集中，

从而有利于并联驱动，因此可运用于大功率装置。

目前，静电感应晶体管<SIT)的单管功

耗有1kW和3kW级的电力电子器件，供组

装高频逆变设备.

2. 2全晶体管高频感应加热设备主电路

由静电感应晶体管SIT组装的高频感

应加热设备主回路如附图所示，主电路由3 部份组成:

(1)直流电源部份:该部份是把工频三相

交流电转换为直流电，并控制下面几部份。该部份主要由三相晶闸管(SCR)可调电路和直

流电抗器La与电解电容Ca组成的直流滤波器组成，调整三相晶闸管整流电路的直流输出电压，可调节该设备的输出功率。输入电压为工频3}p380V，最大直流电压可达500 V以上，输出直流可以100~100%连续可调。

C2)逆变部份:该部份把直流交换为高频

交流，并控制后面部份，这部份由电压型单相全桥电路构成，使用1kW或3kW级功耗的SIT作为逆变桥的开关器件，使用同一级功

耗的SIT器件组成电路时，设备的功率越

大，频率越高，每一桥臂上并联的SIT器件

愈多;R C。和D.为缓冲电路，当SIT开始

关断而产生浪涌电压，超过这些电路中的直

流电压时，二级管D，导通，而电容器C。吸收该浪涌能量，使逆变桥中的SIT器件安全运行。SIT元件的导通或关断是由设备上所配

备的微机和专用程序控制触发信号，控制其

导通或关断。

(3)负载回路部份:该部份的功能是把高

频功率输向被加热的金属工件上，负载回路

是由谐振回路、电流互感器和加热线圈组成，该电路中的串联谐振回路构成了电压型逆变

电路，电容器CT和电感LT两端各产生几干

伏以上的高频电压。高频变流器次级侧通常

做成单匝，联接着加热线圈L}，巨大的高频

电流在L。围所产生，高频磁通使金属工件

迅速急剧发热。

3全晶体管化高频与电子管式高频比较

全晶体管化高频感应加热设备在如下几

个面优于电子管式高频感应加热设备。

3. 1工作模式得到彻底改变

电子管高频感应加热设备需将工频

3}p380 V升高后，经高压整流器件变换成相

应的直流高压才能供给电子管工作，电子管

板极阻天，有大量功率损耗在板极上发热，

而且需要及时加水冷却，同时还需把一部份

功率反馈到栅极，并且要较大的灯丝加热功率，这样就有大量的电能损耗在转换之中。而晶体管高频中的SIT电力电子器件，只需较

小的驱动功率来控制较大功率换流的产生，SIT元件正向导通压降很小，损耗不大，并且

采用直流500 V的低压工作状态。电子管板

极转换效率最高为750o,SIT电力电子器件

为9200;全晶体管高频省去了高压整流变压

器、高压硅堆;如果多管并用，能使热量分散，只需加少量的水便可，30kW以下小功率高

频可减去水冷却，晶体管高频整机总效率比

电子管高频要高20000

3.2能源的节约

电子管高频电压转换次数多，电压变化

大，而全晶体管高频电压变化不大，在几百伏变动，不需多次变换电能，所以全晶体管高

频比同功率电子管高频节电3000.节水

83沁，如输出为80 kW级(FV-911S)电子

管高频，振荡工作时输入功率为158 kW，用水3 1/s，而同样的输出功为80 kW的全晶体管高频，振荡工作时，输入功率只需113 kW , 用水。. 5 1/s，电子管还另需消耗2. 2 kW的灯丝加热功率。

3.3设备一与维护

全晶体管高频体积只有电子管高频的

1/3,所以设备占地面积也只有1/3，晶体管

高!p没备洁构简单.l一作1卜常稳定.故障少(据国使用厂家介绍，使用2年多没有发现

任故障)，维修费用低，省去了原电子管高

'G} r1 r i;} " 1:需换的1 }?电r管(6',l loo kW高频为例)，约7 000元，水套((2年更换1只)约3 500元，每年1次的整流变压器检修、滤油费约} m>o七.整个维修费1年最少可节约1 万多元。因用水量减少，水泵也可根据需要改用较小功率的。

4国外研制动态

4. 1国外产品情况

目前在世界上只有少数几个的大公

司能制造全晶体管高频，如日本的岛田理化

工业(株)，富士电波机(株)，电气兴业(株)，

美国的ENI公司，德国的FDF公司，EMA

公司等，产品规格已成系列化，如:

日本的:T系列20-}30 kHz 3}-50 kW七

种规格，

A系列200-}-300 kHz 2,5,10 kW

三种规格，

SST系列20^" 200 kHz 2.0, 30, 40

kW三种规格，

20~150 kHz 50~200

kW六种规格，

20~100 kHz 300, 400

kW二种规格。

美国的:STATITRON系列50^-300 kHz

25一400 kW八种规格

西德的:ELOMAT TGI系歹，j 50^-200 kHz

15^-240 kW等规格，而且他们还在

试制更高频，更大功率的高频设备，

用途已不只是工业.如广播电台，军

事通讯等。

4. 2国产化研制情况

我国非常重视国际上这一电力电子器件

技术的研究和应用，计委、科委、机电部

已确定SI T元件和晶体管高频的研制为“八五”重点科技攻关项目，具体布署了SIT

器件及全晶体管化高频设备整机的同步攻关，目前我国有关科研单位已研制出小功率0. 1 kW级以下的SIT元件.大功率级的研

制还在进行，整机的研制在电子设备厂

进行，目前已研制并出产了几台输出功率为80 kW的全晶体管高频感应加热设备，并在1993年中国国际计算机设备展览会上演示

了他们的产品;现在他们又在研制输出功率

为160 kW级的全晶体管高频感应加热设

备，估计到1996年研制出样机，输出在80 kW以下的高频感应加热设备频率可达300 kHz o

科学技术在不断进步，电子管高频被大

功率晶体管代替是必然趋势，这个日子已不会很长，让我们迎接这个时代的到来，为我省的节能技术工作做出新贡献。

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