4.1.1 感应淬火的基本原理

感应淬火是利用工件在交变电流产生的交变磁场中产生的感应电流，将工件表面加热到淬火温度，然后快速冷却的淬火方法，如图4-1所示。

交流电流对工件表面实现感应加热，与交流电流的以下几种物理特性有着密切的关系。

图4-1 感应淬火示意图

1.热效应

将工件置于通有交流电流的感应器中，由于电磁感应的作用，在工件上产生感应交流电流。这种交流感应电流在工件表面将电能转换为热能，将工件表面加热。根据焦尔-愣次定律，其热量为

Q=I²Rt （4-1）

式中 Q——发热量（J）；

I——感应电流（A）；

R——材料电阻（Ω）；

t——加热时间（s）。

2.集肤效应

感应交流电流通过导体时，沿导体裁截面上电流的分布很不均匀，在导体最表面处的电流密度最大，而且随着交流电流频率的升高表面层的电流密度增大，如图4-2所示。

在工程上，规定感应电流强度降至表面电流强度的1/e（1/e≈1/2.718≈0.368）处的深度，为电流透入深度，用Δ表示。电流透入深度与电流频率有如下关系：

式中 Δ——电流透入深度（mm）；

μ——工件材料的磁导率（Gs/Oe，1Gs/Oe=1.26×10^-6H/m）；

ρ——工件材料的电阻率（Ω·cm）；

f——电流频率（Hz）。

图4-2 感应电流在工件截面上的分布情况

由式（4-2）可知，电流透入深度与交流电流频率的平方根成反比。通过控制交流电流的频率，就可以得到不同深度的淬硬层。

此外，电流透入深度还与工件材料的磁导率和电阻率有关。在800～900℃范围内，各类钢的电阻率基本相同，约为10^-4Ω·cm。磁导率在低温（磁性转变温度770℃以下）时，μ为60～100Gs/Oe；在磁性转变温度770℃以上时，μ=1Gs/Oe，如图4-3所示。

冷态电流透入深度Δ（冷）（mm）可按下式计算：

热态电流透入深度Δ（热）（mm）可按下式计算：

可见，钢件在高温时的电流透入深度比低温时大得多。

3.邻近效应

当高频电流通过两个相邻的导体时，由于磁场的作用，导致电流的分布发生变化。当两相邻导体的电流方向相反时，电流从两导体的内侧流过；当两相邻导体的电流方向相同时，则电流从两导体相邻的外侧通过。高频电流的邻近效应如图4-4所示。根据邻近效应，当感应器与工件的间隙各处都相等时，涡流在工件表面的分布是均匀的，因而工件的加热温度也一致；否则，感应电流的分布将不均匀，工件的加热温度也不一致，间隙小的地方温度高于间隙大的地方。

图4-3 45钢相对磁导率和电阻率随加热温度的变化

ρ—电阻率 ρ₀—0℃时的电阻率 μ——磁导率

4.环流效应

当高频电流通过环状导体时，最大电流密度集中在环状导体的内侧，这种现象称为环流效应，如图4-5所示。

图4-4 交流电流的邻近效应

注：图中箭头所示为电流方向

图4-5 高频电流的环流效应

高频电流的环流效应对于加热工件的外表面十分有利。在环流效应和邻近效应的共同作用下，加热速度很快，热效率很高，可达85%。但在加热孔的内表面或平面时，则加热速度很慢，热效率最低，仅为40%。

5.尖角效应

把外形带有尖角、棱边或突起的工件在各处间隙相等的感应器中加热时，工件的尖角或突起处感应电流密度太大、加热速度太快的现象，称为尖角效应。尖角效应容易使工件的尖角或突起处过热，甚至熔化，必须避免发生。方法是在工件尖角或突起处的部分，增大感应器与工件的间隙，将工件尖角处的感应器做成圆弧状，以保持整个加热表面温度的均匀性，如图4-6所示。

图4-6 避免尖角效应的感应器

6.导磁体槽口效应

当交流电流通过嵌有导磁体的矩形导体时，电流只在导磁体开口处的导体表面通过，这种现象称为导磁体的槽口效应，如图4-7所示。利用导磁体槽口效应，可把通过感应器的交变电流驱赶到感应器的任何所需表面，以提高该处的加热效率。在生产中，在加热内孔或平面时，在感应器上都装有导磁体，以提高热效率。

图4-7 导磁体的槽口效应

a）导磁体槽口向外的内孔加热感应器 b）导磁体槽口向下的平面加热感应器

1—导磁体 2—导体 3—工件

集肤效应、邻近效应、环流效应、尖角效应和导磁体的槽口效应均随交流电流频率的增高而加剧，其中的邻近效应和环流效应还随导体截面的增大、导体间距减少和圆环曲的率增大而加剧。这些物理现象对于制造设备、选择设备、制订工艺、设计感应器及实际操作都是十分重要的。