4.1.9 钢的感应穿透加热调质

利用感应加热对钢材棒料实行穿透加热淬火，并随之进行感应透热高温回火，可在连续作业生产线上完成调质工艺。这种工艺方法对各类中碳钢（包括低合金钢）的中小截面尺寸的棒材、管材和轴类零件均适用，具有生产率高、畸变小、无氧化脱碳、不污染环境及生产过程易自动化等特点，特别适合于大批量生产。

1.穿透加热频率的选择

根据电流透入深度（h）与电流频率（f）关系的公式（4-2），被加热圆棒直径d与电流透入深度h之比值d/h=4∶1时，对应的电源电流频率称为临界频率。感应透热加热电源的频率应尽量接近临界频率。设备频率低于临界频率时感应加热的效率太低，高于临界频率时电效率增加不大，但设备费用较高。

钢有效加热的临界频率与工件尺寸的关系如图4-24所示。

图4-24 钢有效加热的临界频率与工件尺寸的关系

2.穿透加热设备功率的选择

在穿透加热时，工件的透热是在温度梯度的作用下，靠外层热量向截面中心的传导来实现的。但工件表面温度太高，易使表面过热，温度太低，又会使加热效率显著下降，所以应选择适当的加热功率密度。表4-36列出了钢在不同频率和不同温度下穿透加热所需的功率密度。

表4-36 钢穿透加热所需的功率密度 （单位：W/cm²）

注：此表是在设备频率适当、总工作效率正常情况下得出的数据，适用于截面尺寸为12～50mm工件的淬火和回火加热。

在感应加热调质处理生产线上，穿透加热电源的功率P可用下式表示

图4-25 工件感应透热加热温度与单位质量的工件所需能量的关系

P=GQ/η （4-19）

式中 G——每小时的生产能力（kg/h）；

P——穿透加热电源的功率（kW）；

Q——加热单位质量工件所需能量（kW·h/kg），如图4-25所示；

η——加热效率。

透热过程与钢的热导率[W/（mm·K）]及感应热系数K_T[W/（mm·K）]有关。圆棒工件的d/h值与K_T及热导率的关系如图4-26所示。

图4-26 钢制圆棒工件K_T与d/h值及热导率的关系

利用上图求透热功率的步骤如下。

1）选择加热频率。

2）计算加热圆棒形工件d/h值，d/h应为1～4。

3）求感应热系数K_T。根据圆棒工件加热时的热导率及d/h值，在图4-26中查出对应的感应热系数K_T。

4）计算单位长度工件所需有用功率（P_L）

P_L=K_T（t_s-t_c） （4-20）

式中 t_s——表面温度（℃）；

P_L——单位长度工件所需有用功率（W/mm）；

t_c——中心温度（℃）。

5）考虑到设备及感应器的效率（η），加热单位长度工件所需功率等于P_L/η。

6）加热单位长度工件所需功率乘以加热长度即为所需的设备功率。