鋼材熱處理時 電感應(yīng)加熱的原理及其應(yīng)用
電磁感應(yīng)理論成熟，感應(yīng)加熱是已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用的加熱方法，尤其在表面熱處理中，具有工藝簡單、變形小、效率高、節(jié)能環(huán)保、工藝過程易于實現(xiàn)自動化、淬硬層性能優(yōu)異等優(yōu)點。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，感應(yīng)加熱也越來越綻放其燦爛的異彩。
感應(yīng)加熱設(shè)備按電源頻率可分為工頻、中頻、超音頻、高頻，其各自的頻率范圍和加熱的功率密度見表1 。
▼表1 感應(yīng)加熱頻段的頻率范圍和加熱功率密度
一、感應(yīng)加熱原理
感應(yīng)加熱原理圖
感應(yīng)加熱的主要依據(jù)是：電磁感應(yīng)、“集膚效應(yīng)” 和熱傳導(dǎo)三項基本原理。
當交變電流在導(dǎo)體中通過時，在所形成的交變磁場作用下，導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于越接近心部，感應(yīng)電動勢越大，導(dǎo)體的電流便趨向于表層，電流強度從表面向心部呈指數(shù)規(guī)律遞減，如圖1 所示。這種現(xiàn)象即所謂交變電流的集膚效應(yīng)。
▲圖1 交變電流在導(dǎo)體中的分布情況
圖2 所示，為兩根矩形截面的導(dǎo)體同向電流和反向電流時的磁場分布情況。由于電源電動勢和自感應(yīng)電動勢的作用，同向電流系統(tǒng)中最大的磁場強度產(chǎn)生在導(dǎo)體表面的外側(cè)，反向電流系統(tǒng)最大磁場強度產(chǎn)生在導(dǎo)體表面內(nèi)側(cè)，這就是鄰近效應(yīng)。
利用鄰近效應(yīng)，可以選擇適當形狀的感應(yīng)器對被處理零件表面的指定部位進行集中加熱，使電流集中在與感應(yīng)器寬度大致相等的區(qū)段內(nèi)。
導(dǎo)體間的距離越小臨近效應(yīng)表現(xiàn)的越強烈。
通過感應(yīng)圈的電流集中在內(nèi)測表面的現(xiàn)象稱為環(huán)狀效應(yīng)，見圖3 。環(huán)狀效應(yīng)是由于感應(yīng)圈交流電流磁場的作用使外表面自感應(yīng)電動勢增大的結(jié)果。
▲圖3 交流電流的環(huán)狀效應(yīng)
加熱外表面，環(huán)狀效應(yīng)是有利的，而加熱平面與內(nèi)孔時，它會使感應(yīng)器的電效率顯著降低。為了提高平面和內(nèi)孔感應(yīng)器的效率，常常設(shè)置導(dǎo)磁體，以改變磁場強度的分布，迫使電流趨近于零件所需加熱的表面，見圖4 。由圖可見，導(dǎo)磁體有把電流驅(qū)向其對側(cè)的作用。
▲圖4 加導(dǎo)磁體后電流在感應(yīng)圈中的分布
a）內(nèi)孔加熱 b）平面加熱
表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)狀效應(yīng)均隨交變電流頻率的增加而加劇。此外，鄰近效應(yīng)和環(huán)狀效應(yīng)還隨導(dǎo)體截面的增大、兩導(dǎo)體間距的減小和圓環(huán)半徑的減小而加劇。
由磁場強度分布方程可得出
式中：
若將上式畫成曲線圖，其結(jié)果如圖5a）所示。
▲圖5 渦流強度由工件表面向縱深的變化
I0-表面渦流強度 I2-距表面 x 處的渦流強度
從式中得知，K=
；但由磁場強度分布的基本方程式得知，K2=8πμf/ρ，故
K==
式中 ρ——材料的電阻率（Ω·cm）
μ——材料的磁導(dǎo)率
f ——電流的頻率
磁場強度分布的基本方程表明，渦流強度隨表面距離的變化呈指數(shù)規(guī)律。渦流高度集中在表層中，它隨距離的增大而急劇下降。在工程應(yīng)用中，規(guī)定 Ix 降至表面的 1/e (e=2.718) 處為電流透入深度，并用δ表示。如果 ρ 的單位為 Ω·cm ，則可用下式求 δ（mm）
由于渦流產(chǎn)生的熱量與渦流的平方成正比（Q=0.24I02Rt），所以從表面向心部的熱量的下降比渦流下降更快（見圖5 b））。計算證明，86.5%的熱量是發(fā)生在δ 的薄層中，而在 δ 薄層以外的部分沒有渦流。上述規(guī)定在實際應(yīng)用中已具有足夠的精確度。
鋼鐵材料的電阻率 ρ 在加熱過程中隨溫度的升高不斷增加（在800-900℃范圍內(nèi)，各種鋼的電阻率基本相同，約為10E-4 (Ω·cm)；磁導(dǎo)率 μ 在失磁點以下基本不變（其數(shù)值與強度有關(guān)），但在達到失磁點時，突然下降為真空的磁導(dǎo)率 μ=1。見圖6 。因此，當溫度到達失磁點時，渦流的透入深度將顯著增大。超過失磁點的渦流透入深度稱為“熱態(tài)透入深度”。低于失磁點時稱為“冷態(tài)渦流透入深度”。
熱態(tài)渦流透入深度比冷態(tài)透入深度大許多倍，見圖7 。
在感應(yīng)器接通高頻電流，工件溫度開始升高前的瞬間，渦流強度自工件表面向縱深的變化是按冷態(tài)特性分布的，見圖8 中曲線1 。當表面出現(xiàn)超過失磁點的薄層時，在和薄層相鄰的內(nèi)部交界處的渦流強度就發(fā)生突然變化，工件加熱層被分成兩層，見圖8 中曲線2、3 。外層的渦流強度顯著下降，最大渦流強度處于這兩層的交界處。因而高溫表層加熱速度迅速降低，交界處升溫加速，并迅速向內(nèi)推移。
表2 和表3 列出了在各種頻率下的電流在純銅與45鋼冷態(tài)與熱態(tài)中的渦流透入深度。
▼表2 不同頻率電流下45鋼與 Cu 的電流透入深度（mm）
▼表3 不同頻率電流在45鋼中的透入深度
這種靠渦流不斷向內(nèi)部 “步進” 的電加熱方法是感應(yīng)加熱所獨有的，在快速加熱條件下，即使向零件施加較大功率時，表面也不會過熱。
當失磁的高溫層厚度超過熱態(tài)的渦流透入深度以后，加熱層深度的增加主要靠熱傳導(dǎo)的方式進行，其加熱過程及沿截面的溫度分布特性同用外熱源加熱的基本一樣，此時加熱效率要低得多。
進行一定深度的表面加熱時，應(yīng)該力求用渦流“透入式加熱”。為了做到這一點應(yīng)該正確選擇電流頻率，同時所選擇的加熱速度應(yīng)能夠在盡可能短時間內(nèi)達到規(guī)定的加熱深度。
在選擇電流頻率時，必須遵守下列條件：
（1）對于一定尺寸的工件和感應(yīng)器來說，所選擇的電流頻率不應(yīng)低于某一數(shù)值f1，否則工件只能加熱到失磁點左右的溫度，見圖9 。
（2）所選擇的電流頻率最好高于圖9 中的f2 。當頻率為f2時，感應(yīng)器效率最佳。當采用f1與f2之間的頻率時，感應(yīng)器效率較低。
（3）在所有情況下，應(yīng)盡可能采用渦流 “透入式加熱” 而不采用熱傳導(dǎo)加熱。
為了滿足上述條件，f1、f2與工件尺寸應(yīng)有如下關(guān)系：
表4 是根據(jù)上述關(guān)系所要求的電流頻率與所對應(yīng)的被加熱工件最小直徑和合理的淬火深度范圍。
▼表4 工件直徑、合理的淬火層深度與電流頻率的關(guān)系
二、鋼件感應(yīng)加熱的相變特點
感應(yīng)加熱屬于快速加熱。加熱速度對相變溫度、相變動力學(xué)和形成的組織都有很大影響。
在分析示波器記錄的鋼在感應(yīng)加熱時的溫度-時間曲線（圖10）時得知，鋼鐵材料在失磁后，加熱速度下降數(shù)倍，這是感應(yīng)加熱的特性。
分析感應(yīng)加熱中加熱速度對有關(guān)相變過程的影響時，應(yīng)采用失磁后的加熱速度，它能客觀地反映相變溫度區(qū)間的加熱條件，可稱為相變區(qū)間的加熱速度。相變區(qū)間的加熱速度可以由實驗確定。
2.1 快速加熱對相變溫度及相變動力學(xué)的影響
2.1.1 加速度對 Ac1、Ac3、Accm 的影響
圖11 所示，是純鐵、亞共析鋼中自由鐵素體和各種不同原始組織的共析鋼（T8）等材料的臨界點與加熱速度υH的實驗結(jié)果。
加熱速度（℃/s）
由圖可見，對所有試驗材料，其臨界點均隨加熱速度的增大而提高。鐵素體-碳化物組織越粗大，臨界點上升也越快。在快速加熱時，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變是在圖12 所示的平臺以上幾十度的溫度范圍內(nèi)完成的。該圖表明，加熱速度越快，相變進行最激烈的溫度和完成相變的溫度越高，但亞共析鋼中的自由鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度上限不會超過910℃，因為此時α-Fe 可以在無碳的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)?γ 相。
▲圖12 w（C）0.85%的鋼在各種加熱速度下的溫度-時間曲線
2.1.2 加熱速度對相變動力學(xué)的影響
在一般等溫條件下，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的速度隨等溫溫度的提高而加快，見表5、圖13 。
▼表5 珠光體在不同溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的時間（w（C）0.86%）
▲圖13 珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的等溫溫度與時間的關(guān)系（GCr15）
1-轉(zhuǎn)變開始 2-轉(zhuǎn)變完成
在連續(xù)加熱的條件下，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變動力學(xué)也可用圖3 來說明。由A1 點出發(fā)的不同仰角的射線表示相變區(qū)的各種不同的加熱速度。他們分別與曲線1和曲線2相交于 a1、b1......和a2、b2......顯然，加熱速度越大（v2＞v1），進行相變的溫度就越高，而所需要的的時間就越短。
以不同速度加熱所得到的奧氏體，冷卻時的等溫轉(zhuǎn)變動力學(xué)曲線如圖14 所示。
▲圖14 40Cr和40CrNi鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線
與加熱速度的關(guān)系（奧氏體化溫度為950℃）
a）40Cr b）40CrNi
×-感應(yīng)加熱，v=225℃/s
○-感應(yīng)加熱，v=120℃/s
△-爐中加熱 ，v≈0.2 ℃/s
由圖可見，在加熱溫度相同的的條件下加熱速度越高，奧氏體的穩(wěn)定性就越差。這是由于加熱速度越高，加熱時間越短，形成的奧氏體晶粒越小，且成分不均勻。提高加熱溫度，奧氏體的穩(wěn)定性將會增加。
2.2 快速加熱對相變后的組織與性能的影響
2.2.1 加熱速度對奧氏體晶粒大小的影響
實踐證明，對具有均勻分布的鐵素體和滲碳體組織的鋼進行快速加熱時，當加熱速度由0.02℃/s 增高到100~1000℃/s 時，初始奧氏體晶粒度由 8~9級細化到 13~15 級。加熱速度為10℃/s 時初始奧氏體晶粒度為11~12 級。要得到14~15級的超細化晶粒必須采用100~1000℃/s 加熱速度，見表6 。
▼表6 幾種鋼在不同加熱速度連續(xù)
加熱條件下，轉(zhuǎn)變終了溫度與
初始奧氏體晶粒面積的關(guān)系
在生產(chǎn)中采用大于3~10℃/s 的加熱速度可得到11~12 級的奧氏體晶粒。如果要得到 14~15 級的超細晶粒，必須先進行淬火或調(diào)質(zhì)處理以消除自由鐵素體，并采用高達100~1000℃/s 的加熱速度。
2.2.2 加熱速度對淬火鋼組織的影響
在快速加熱的條件下，珠光體中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，仍會殘留部分碳化物。即使這些碳化物全部溶解，奧氏體也不一定會全部均勻化。淬火后將得到含碳量不等的馬氏體。提高加熱溫度可以減輕或消除這些現(xiàn)象，但溫度過高又將導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大。
對于碳鋼，即使加熱到910℃以上，在快速加熱條件下，仍難于完成奧氏體的均勻化，有時甚至?xí)诖慊痄撝谐霈F(xiàn)鐵素體。
當材料原始組織一定時，加熱溫度應(yīng)根據(jù)加熱速度選擇。
2.2.3 加熱速度對表面淬火件硬度的影響
感應(yīng)加熱表面淬火時，在一定的加熱速度下，可在某一相應(yīng)的溫度下獲得最高硬度，見圖15 。提高加熱速度，這一溫度向更高的方向推移，見圖16 。
▲圖15 表面硬度與加熱溫度的關(guān)系
（加熱速度為380~400℃/s）
▲圖16 在不同加熱速度下的表面硬度與淬火溫度的關(guān)系
對相同材料，經(jīng)過感應(yīng)加熱表面淬火（噴射冷卻）后，其硬度比普通加熱淬火的高2~6HRC（見圖17）。這種現(xiàn)象稱為 “超硬度”。
2.2.4 表面淬火的耐磨性
零件工作時的磨損量在很大程度上取決于硬度。對同樣的材料，高頻淬火零件的耐磨性比普通淬火零件高得多（見圖18）。
▲圖18 淬火過的45鋼的平均磨損
2.2.5 抗疲勞性能
在采用正確的表面淬火工藝獲得合理的硬化層分布時，可以顯提高工件的抗疲勞性能。
如果工件表面有缺口，采用表面淬火幾乎可以完全消除缺口對疲勞性能的有害影響（見表7）。
▼表7 高頻表面淬火對40CrNiMo鋼疲勞性能的影響
表面淬火能提高鋼疲勞強度的原因除表層本身強度的提高外，還在表面形成很大的殘留壓應(yīng)力有關(guān)。表面殘留壓應(yīng)力越大，鋼制工件的抗疲勞性能就越好。淬硬層過深會降低表面殘留應(yīng)力，只有選擇最佳的淬硬層深度才能獲得最高的疲勞性能，見圖19 。
若硬化區(qū)分布不合理，例如過渡層在工作長度內(nèi)露出表面，此處就往往成為疲勞裂紋源，其結(jié)果將使疲勞壽命比不淬火還低。
2.3 原始組織對快速加熱相變的影響
鋼的原始組織不僅對相變速度起決定性的作用，而且還會顯著地影響淬火后的組織和性能。原始組織越細，兩相接觸面積越大，奧氏體形核位置就越多，碳原子擴散路程越短，越會加速相變。對組織和性能要求嚴格的零件，采用感應(yīng)淬火時，事先應(yīng)對鋼材進行預(yù)備熱處理。結(jié)構(gòu)鋼的預(yù)備熱處理多為調(diào)質(zhì)。
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