感应淬火的频率选择，为什么知名外媒看重这篇文章 / 四六文摘

作者：林信智，指定发布

单位：上海恒精感应科技有限公司

该篇文章由感应加热行业知名专家林信智总工程师撰写，刊登于《金属热处理》杂志，后被某知名外媒看重，联系林总授权刊登。后经和林总商量，该文分享在“热处理生态圈”上供大家参阅讨论。

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（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

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Δ_800℃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Δ_800℃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Δ_800℃，列于表1。

表1 各种频率的电流热态透人深度

那么硬化层Ds与热态电流透入深度Δ_800℃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。

D_s ≈△_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：

最高频率 f_max<0000/D_S² (4)

最低频率 f_min>15000/D_S² (5)

最佳频率 f≈60000/D_S² (6)

式中D_S ——硬化层深度（mm）。

利用公式(4)、(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

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）

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

在频率的选择中还存在两个概念：

当Ds＜Δ_800℃ 称为透入式加热

当Ds＞Δ_800℃ 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

比较项目	透入式加热	传导式加热
工件热能产生	硬化层内，热能由感应涡流产生	表面层靠涡流，D_s＞△_800℃部分靠热传导
温度分布	梯度大而陡，截面温度快速下降	梯度小，截面温度缓慢下降
工件表面过热度	工件表面过热度小	工件表面过热度大
工件心部受热情况	工件心部受热很小	工件心部受热较大
加热时间	加热时间短	加热时间长
生产效率	生产效率高	生产效率低
工件利用有效热能（热效率）	热效率高	热效率低

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

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。

我国感应加热技术水平已有很大地提高。目前国际上应用的几种先进的固态变频电源，SCR、IGBT、MOSFET国内都能生产，而且性能很好，完全可以取代外国产品。这几种电源的负载适应性和频率适应性都是先进的，厂家可以根据用户零件的感应淬火技术要求，设计制造出符合透入式加热的感应淬火设备。

实心钢制零件感应淬火的频率选择，因适用的频率范围很宽，选择时稍有马虎尚无大碍，零件总之是可以做出来。但下面介绍的薄壁筒状零件两面淬火的情况，如果频率选择不合适，零件是做不出来的。

图1所示是一种名为三角法兰的汽车零件，它的花键内孔直径23mm,齿根圆直径25mm,外圆柱面直径35mm（壁厚最薄处5mm）。内外表面感应淬火：表面硬度为55~63HRC、硬化层深度为0.5~3.0mm。

感应淬火顺序考虑：花键内孔先淬火，外圆柱面后淬火。薄壁筒状零件两面淬火时，必须要考虑的是第二次淬火时对第一次淬火的影响，即第二次淬火加热不能使第一次淬火的硬化层发生回火作用。内孔感应加热效率低，有较多的热量向外传导，对外圆柱面的热影响大，如果外圆柱面尚未淬火，这些热影响无关紧要。外圆柱面的感应加热，利用圆环效应，加热效率高。但其频率选择也要审慎，如果频率选择稍低，就会使先期淬火的花键内孔硬化层发生回火作用。

第一轮感应淬火工艺试验

频率选择：参照表2和表4（均为实心钢制零件选频表），设Ds=1.3，表2显示频率可选27kHz、表4显示频率可选20kHz。

我们选用f=26kHz，其Δ_800℃=3.10。先花键内孔扫描淬火，后外圆柱面扫描淬火，工艺参数及淬火结果见表7。

表7 三角法兰感应淬火工艺参数及淬火结果（一）