感应加热表面淬火基本原理.docx
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感应加热表面淬火基本原理
感应加热表面淬火基本原理
感应加热表面淬火的应用及基本原理分析。
一、应用
承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件,要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性,需对工件表面提出强化要求,适于含碳量We=0.40~0.50%钢材。
二、工艺法
快速加热与立即淬火冷却相结合。
通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度,不等热量传到中心即迅速冷却,仅使表层淬硬为马氏体,中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火(或正火及调质)组织。
三、主要法
感应加热表面淬火(高频、中频、工频),火焰加热表面淬火,电接触加热表面淬火,电解液加热表面淬火,激光加热表面淬火,电子束加热表面淬火。
四、感应加热表面淬火
(一)基本原理:
将工件放在用空心铜管绕成的感应器,通入中频或高频交流电后,在工件表面形成同频率的的感应电流,将零件表面迅速加热(几秒钟即可升温800~1000度,心部仍接近室温)后立即喷水冷却(或浸油淬火),使工件表面层淬硬。
(如下图所示)
(二)加热频率的选用
室温时感应电流流入工件表层的深度δ(mm)与电流频率f(HZ)的关系为
频率升高,电流透入深度降低,淬透层降低。
常用的电流频率有:
1、高频加热:
100~500KHZ,常用200~300KHZ,为电子管式高频加热,淬硬层深为0.5~2.5mm,适于中小型零件。
2、中频加热:
电流频率为500~10000HZ,常用2500~8000HZ,电源设备为机械式中频加热装置或可控硅中频发生器。
淬硬层深度~10mm。
适于较大直径的轴类、齿轮等。
3、工频加热:
电流频率为50HZ。
采用机械式工频加热电源设备,淬硬层深可达10~20mm,适于大直径工件的表面淬火。
(三)、感应加热表面淬火的应用
与普通加热淬火比较具有:
1、加热速度极快,可扩大A体转变温度围,缩短转变时间。
2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体,硬度稍高(2~3HRC)。
脆性较低及较高疲劳强度。
3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳,甚至有些工件处理后可直接装配使用。
4、淬硬层深,易于控制操作,易于实现机械化,自动化。
五、火焰表面加热淬火
适于中碳钢35、45钢和中碳合金结构钢40Cr及65Mn、灰口铸铁、合金铸铁的火焰表面淬火。
是用乙炔-氧或煤气-氧混合气燃烧的火焰喷射快速加热工件。
工件表面达到淬火温度后,立即喷水冷却。
淬硬层深度为2~6mm,否则会引起工件表面重过热及变形开裂。
一、高频感应加热的原理
感应加热是利用导体在高频磁场作用下
产生的感应电流(涡流损耗、。
以及导体磁
场的作用(磁滞损耗)引起导体自身发热而进
行加热的。
三、感应加热系统的构成
感应加热系统田高频电源(高频发生
器)、导线、变压器、感应器组成。
其工作步骤是①由高频电源把普通电源
(220v/50hz)变成高压高频低电流输出,(其
频率的高低根据加热对象而定,就其包材而
言,一般频率应在480kHZ左右。
)②通过变压
器把高压、高频低电流变成低压高频大电
流。
③感应器通过低压高频大电流后在感应
器围形成较强的高频磁场。
一般电流越
大.磁场强度越高。
全晶体管高频感应加热设备
1高频感应加热设备现状
高频感应加热设备在我省已得到广泛应
用,设各频率围在20}}-450kHz,高频功率
最大可达400kW。
我省的高频感应加热设备
主要应用于金属热处理、’淬火、透热、熔炼、钎
焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半
导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。
现
在我省使用的高频感应加热设备都是以大功
率真空管(发射电子管)为核心构成单级自激
振荡器,把高压直流电能量转换成高频交流
电能量,它们的电子管板极转换效率一般在
75环左右,设备的整机总效率一般在50绒以
下,水和电能的消耗非常大。
自70年代中期后,对高频设备也进行了
一系列改进,如:
(1)用节能型牡钨烟丝电子管代替老式
纯钨灯丝系列电子管,如FV-911代替
FV-433}FV-431,FV-89F管等;
<2)采用高压硅堆整流代替充汞闸流管
整流;
(3)采用大功率双向可控硅结合微机调
压代替原闸流管调压;
(4)根据各自工艺条件重新更改振荡回
路,选择合理的振荡频率。
这样,经过一系列改造后,使我省的高频
设备整机总电效率有一定的提高,在节能
面有一定的效果,但由于振荡电子管这个耗
电最大的器件未能改掉,所以在节能面,并
不是特别显著。
2全晶体xx高频感应加热设备
电子技术的发展,可谓日新月异。
80年
代初,日本首先改进半导体生产工艺,开发生
产出场控电力电子器件—大功率静电感应
晶体管(SIT),并设计制成换流桥式的,把直
流电能量转换成高频电能量的全晶体管xx
频感应加热设备,随后xx、xx等发达
也迅速研制,使之很快就商品化了。
2.1大功率静电感应晶体管(SIT)的特点
大功率静电感应晶体管(SIT)是一种大
功率电力电子器件,它的符号与三极管相同,
作用也相似,但它主要用在大功率换流或导
通的控制场合,它具有以下几个特点:
(1)具有“正导通”特性,在正栅压为
"0V”时,SIT处于导通状态,而在加上负栅
压时,则将处于关断状态;
(2)开关速度快,可用于高频段;
(3)是高输入阻抗的电压控制型器件,所
以用较小的驱动功率就能控制较大的功率;
(4)SIT元件是高耐压大电流型器件;
(5)电流的负温度系数不会使电流集中,
从而有利于xx驱动,因此可运用于大功率
装置。
目前,静电感应晶体管 耗有1kW和3kW级的电力电子器件,供组 装高频逆变设备. 2.2全晶体管高频感应加热设备主电路 由静电感应晶体管SIT组装的高频感 应加热设备主回路如附图所示,主电路由3 部份组成: (1)直流电源部份: 该部份是把工频三相 交流电转换为直流电,并控制下面几部份。 该 部份主要由三相晶闸管(SCR)可调电路和直 流电抗器La与电解电容Ca组成的直流滤波 器组成,调整三相晶闸管整流电路的直流输 出电压,可调节该设备的输出功率。 输入电压 为工频3}p380V,最大直流电压可达500V以 上,输出直流可以100~100%连续可调。 C2)逆变部份: 该部份把直流交换为高频 交流,并控制后面部份,这部份由电压型单相 全桥电路构成,使用1kW或3kW级功耗的 SIT作为逆变桥的开关器件,使用同一级功 耗的SIT器件组成电路时,设备的功率越 大,频率越高,每一桥臂上并联的SIT器件 愈多;RC。 和D.为缓冲电路,当SIT开始 关断而产生浪涌电压,超过这些电路中的直 流电压时,二级管D,导通,而电容器C。 吸收 该浪涌能量,使逆变桥中的SIT器件安全运 行。 SIT元件的导通或关断是由设备上所配 备的微机和专用程序控制触发信号,控制其 导通或关断。 (3)负载回路部份: 该部份的功能是把高 频功率输向被加热的金属工件上,负载回路 是由谐振回路、电流互感器和加热线圈组成, 该电路中的xx谐振回路构成了电压型逆变 电路,电容器CT和电感LT两端各产生几干 伏以上的高频电压。 高频变流器次级侧通常 做成单匝,联接着加热线圈L},巨大的高频 电流在L。 围所产生,高频磁通使金属工件 迅速急剧发热。 3全晶体管化高频与电子管式高频比较 全晶体管化高频感应加热设备在如下几 个面优于电子管式高频感应加热设备。 3.1工作模式得到彻底改变 电子管高频感应加热设备需将工频 3}p380V升高后,经高压整流器件变换成相 应的直流高压才能供给电子管工作,电子管 板极阻天,有大量功率损耗在板极上发热, 而且需要及时加水冷却,同时还需把一部份 功率反馈到栅极,并且要较大的灯丝加热功 率,这样就有大量的电能损耗在转换之中。 而 晶体管高频中的SIT电力电子器件,只需较 小的驱动功率来控制较大功率换流的产生, SIT元件正向导通压降很小,损耗不大,并且 采用直流500V的低压工作状态。 电子管板 极转换效率最高为750o,SIT电力电子器件 为9200;全晶体管高频省去了高压整流变压 器、高压硅堆;如果多管并用,能使热量分散, 只需加少量的水便可,30kW以下小功率高 频可减去水冷却,晶体管高频整机总效率比 电子管高频要高20000 3.2能源的节约 电子管高频电压转换次数多,电压变化 大,而全晶体管高频电压变化不大,在几百伏 变动,不需多次变换电能,所以全晶体管高 频比同功率电子管高频节电3000.节水 83沁,如输出为80kW级(FV-911S)电子 管高频,振荡工作时输入功率为158kW,用 水31/s,而同样的输出功为80kW的全晶体 管高频,振荡工作时,输入功率只需113kW, 用水。 .51/s,电子管还另需消耗2.2kW的 灯丝加热功率。 3.3设备一与维护 全晶体管高频体积只有电子管高频的 所以设备占地面积也只有,晶体管 高! p没备洁构简单.l一作1卜常稳定.故障少 (据国使用厂家介绍,使用2年多没有发现 任故障),维修费用低,省去了原电子管高 'G}r1ri;}"1: 需换的1}? 电r管(6',llookW高 频为例),约7000元,水套((2年更换1只)约 3500元,每年1次的整流变压器检修、滤油 费约}m>o七.整个维修费1年最少可节约1 万多元。 因用水量减少,水泵也可根据需要改 用较小功率的。 4国外研制动态 4.1国外产品情况 目前在世界上只有少数几个的大公 xx制造全晶体管高频,如xx的岛田理化 工业(株),富士电波机(株),电气兴业(株), 美国的ENI公司,德国的FDF公司,EMA 公司等,产品规格已成系列化,如: 日本的: T系列20-}30kHz3}-50kW七 种规格, A系列200-}-300kHz2,5,10kW 三种规格, SST系列20^"200kHz2.0,30,40 kW三种规格, 20~150kHz50~200 kW六种规格, 20~100kHz300,400 kW二种规格。 美国的: STATITRON系列50^-300kHz 25一400kW八种规格 西德的: ELOMATTGI系歹,j50^-200kHz 15^-240kW等规格,而且他们还在 试制更高频,更大功率的高频设备, 用途已不只是工业.如广播电台,军 事通讯等。 4.2国产化研制情况 我国非常重视国际上这一电力电子器件 技术的研究和应用,计委、科委、机电部 已确定SIT元件和晶体管高频的研制为“八 五”重点科技攻关项目,具体布署了SIT 器件及全晶体管化高频设备整机的同步攻 关,目前我国有关科研单位已研制出小功率 0.1kW级以下的SIT元件.大功率级的研 制还在进行,整机的研制在电子设备厂 进行,目前已研制并出产了几台输出功率为 80kW的全晶体管高频感应加热设备,并在 1993年中国国际计算机设备展览会上演示 了他们的产品;现在他们又在研制输出功率 为160kW级的全晶体管高频感应加热设 备,估计到1996年研制出样机,输出在80 kW以下的高频感应加热设备频率可达300 kHzo 科学技术在不断进步,电子管高频被大 功率晶体管代替是必然趋势,这个日子已不 会很长,让我们迎接这个时代的到来,为我省 的节能技术工作做出新贡献。 附件:
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