中碳钢凸轮轴热处理工艺设计(6)
感应淬火可以分为高频淬火、中频淬火和工频淬火三类。如表1.3感应加热的分类所示。
表1.3 感应加热的分类
名称 工作电流频率Hz 特点和用途
高频感应 200000～300000 电流穿透深度1.0mm左右，主要用于小模数齿轮和小轴类零件的表面淬火
中频感应 1000～8000 电流穿透深度4.0mm左右，主要用于中、小模数齿轮、曲轴、凸轮轴、轴类零件的表面淬火
工频 50 电流穿透深度80～100mm左右，主要用于大型轧辊和柱塞的表面淬火
1.3.1 感应加热的基本原理
当感应器（感应线圈）中有一定频率的交流电通过时，感应器中必定会产生一定的交变磁场。钢材工件通过感应器时，钢材工件被交变磁场磁力线所切割，工件产生出交流电，工件上的交流电沿着工件的横截面自成回路，很像漩涡，称为“涡流”。[14]
当涡流沿工件横截面流动时，工件所具有的电阻变将电能转变为热能，使工件受到加热。这种利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件加热的加热方法，称为感应加热。
图1.1 感应加热原理示意图
感应加热原理如图1.1所示。
感应加热是将零件置于感应器内，当有一定的电流频率的交流电通过感应器时，在零件表面就有感应电流产生，此电流分布在表面，并以涡流的形式出现，迅速加热表面使其达到淬火温度，然后切断电源，并将零件急速冷却，实现感应加热加热表面淬火。
1.3.2 电磁感应
将零件置于感应器内，当感应器中有交变电流通过时，在感应器内部和周围产生与电流频率相同的交变磁场，周围分布变化的磁场力线，磁力线切割零件，因此，在零件内就相应地产生感应电势，而在零件表面产生感应电流，这种现象称为电磁感应。[14]
1.3.3 感应电流
当一个金属零件通过直流电时，在金属零件的界面上电流的分布是均匀的；当金属零件通过交流电时，沿金属零件截面的电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在金属零件的最表面。这种交变电流的频率越高，电流向表面集中的现象就越严重。这种电流通过导体时，沿导体表面密度最大，越往中心电流密度越小的现象称为高频电流的集肤效应，又称表面效应。
感应加热过程分为三阶段：冷态、过渡态、热态。
图1.2 高频加热时零件表面涡流密度与温度的变化
在感应加热开始时，零件处于室温，此时，电流透入深度很小，加热仅在薄层内进行，其电流分布如图1.2中的冷态，称为冷态电流分布特性。当表面温度升高达到磁性转变温度 的一层薄膜时，加热层被分为两层，即外层的磁性消失层和与之紧密连接的磁性未消失层。在磁性消失层中，由于磁导率和加热层中的功率消耗激烈下降，因此，电流强度就大大降低，因此，电流强度就大大降低，是的最大电流密度推向磁性未消失层和磁性消失层的交界处，如1.2中的过渡态。此时，电流分布变化，使交界处的温度迅速上升，从而使高温层不断向内移动，这样的加热方式称为透入式加热。当磁性消失层的厚度超过热态电流投入深度后，涡流完全安置热态特性分布，如图1.2中的热态。继续加热时，热量总在厚度为热态电流透入深度的这一薄层中放出，此层的温度将得到提高。同时，由于热传导的作用，加热层的厚度也将随时间延长而不断增加。这和传统加热一样，称为传导式加热。
1.3.4 钢感应加热时的相变特点
传统热处理是外热源加热，对零件进行淬火加热，可以根据铁-碳相图相应地确定出其加热温度，并在制定工艺时确定出加热、保温盒冷却三个阶段。然而，感应加热是内热源加热，是以电磁感应、表面效应、邻近效应和环状效应为基础，实现快速加热。实际上，并不存在一个在一定温度下的保温过程，因此，其相变条件与铁-碳相图上的平衡条件相差很大，表现出快速加热时相变的特点。