4.1.4 感应加热设备的选择

根据工件表面淬火层深度的要求、淬火面积的大小及淬火方式，来确定设备的频率和功率，选择感应加热设备。

图4-13 钢的表面硬度与碳含量的关系曲线

1—高频感应淬火 2—普通淬火 3—不完全淬火

1.设备频率的选择

电流频率是感应加热的主要工艺参数，应根据工件要求的淬硬层深度来选择。在选择电流频率时，要求感应加热的热态电流透入深度大于淬硬层深度，即全部采用透入式加热，而不用传导式加热。淬硬层深度δ与热态电流透入深度Δ（热）之间的关系应满足下列经验公式：

Δ（热）/4≤δ≤Δ（热） （4-6）

对于一般碳钢，热态电流透入深度Δ（热）（mm）与电流频率f（Hz）的关系为

f≈250000/Δ²（热） （4-7）

加热层深度为热态电流透入深度的40%～50%时，加热的总效率（包括电效率和热效率）最高。

感应加热的最佳频率是在δ=Δ（热）/2时所对应的频率，f（最佳）≈62500/δ²；最高频率是在δ=Δ（热）时所对应的频率，f（最高）≈250000/δ²；最低频率是在δ=Δ（热）/4时所对应的频率，f（最低）≈15000/δ²。

根据上述关系式求得淬硬层深度与电流频率的对应值，如表4-5所示。

表4-5 淬硬层深度与电流频率的关系

在选择频率时，还要适当考虑工件直径的大小和工件的形状。直径较小的工件应选用较高的电流频率，才能获得较好的电效率。表4-6所示为根据淬硬层深度和工件直径选择频率的依据。

表4-6 淬硬层深度、工件直径和频率的关系

注：好——表示加热效率高。

中——有两种情况：①比“好”的频率低，尚可用来将所需淬硬层深度加热到淬火温度，但效率低；②比“好”的频率高，比功率大时，易造成表面过热，加热效率亦低。

差——表示频率过高，只有用很低的功率才能保证表面不过热。

感应加热设备根据其输出电流的频率主要分为高频、超音频、中频和工频四种。感应加热的频率和应用范围如表4-7所示。

表4-7 感应加热的频率及应用范围

2.设备功率的选择

设备的输出功率应满足一定的加热速度，才能实现快速加热，达到表面淬火的目的。感应加热速度取决于比功率的大小。比功率越大，加热速度越快。通常，比功率与淬硬层深度、加热面积以及原始组织等有关，应按要求的加热深度选择合理的比功率。

（1）根据淬硬层深度选择比功率 表4-8和表4-9所示分别为轴类工件表面加热和齿轮全齿同时加热时比功率的选择范围。表4-10所示为根据要求的淬硬层深度选择加热时间和比功率的参照表。图4-14所示为一次加热淬火时淬硬层深度、最高加热温度、加热时间、比功率之间的关系曲线，图4-15所示为根据淬硬层深度和所需最高表面温度求比功率和感应器移动速度的曲线图。

表4-8 轴类工件表面加热比功率的选择

（续）

表4-9 齿轮全齿同时加热时的比功率（f=200～300kHz）

图4-14 根据淬硬层深度与所需最高表面温度求比功率与加热时间的曲线图

注：电源频率f=10kHz

图4-15 根据淬硬层深度和所需最高表面温度求比功率和感应器移动速度的曲线图

注：电源频率f=10kHz

表4-10 根据淬硬层深度选择加热时间与比功率的参照表

（续）

（续）

（续）

（2）根据淬火加热面积选择设备额定功率 轴类或圆柱形工件表面淬火时，工件的加热面积A为

A=πDH （4-8）

式中 D——工件加热部分直径（cm）；

A——工件的加热面积（cm²）；

H——工件加热部分长度（cm）。

计算的感应加热设备额定功率P为

P=Aρ/η （4-9）

式中 ρ——比功率（kW/cm²）；

P——设备额定功率（kW）；

η——设备总效率。

真空管高频设备总效率η为70%～75%（包括振荡回路、第二槽路、淬火变压器的效率和感应器的效率），新的固态电源的总效率η≥90%。根据感应加热的频率和功率在表4-11中选择所需要的感应加热设备。

表4-1 1感应加热设备技术参数

如果设备输出功率不能满足工件加热所需的功率，或当计算的感应加热设备额定功率大于实际设备的额定功率时，应选择额定功率较大的设备，或适当降低比功率再计算一次，重新选择；或采用降低比功率，适当延长加热时间的方法。

也可以用计算的加热面积直接与设备允许的最大加热面积进行比较，核实设备功率是否满足要求。常用感应加热设备的最大加热面积如表4-12所示。

表4-12 常用感应加热设备的最大加热面积

当计算的感应加热设备额定功率大于实际设备的额定功率较多时，应改用连续加热淬火。在实际生产中，对于大多数回转体形工件的表面淬火，最好采用连续淬火。因为连续淬火时，工件加热面积较小，比功率可选得小些，需要的设备功率也较小；同时，采用喷射冷却的冷却效果也好。