Вы когда-нибудь задумывались, почему некоторые металлические детали отличаются исключительной прочностью и стойкостью? Эта статья посвящена увлекательному процессу индукционной закалки и ее удивительным эффектам. Вы узнаете, как эта технология повышает твердость поверхности, улучшает износостойкость и увеличивает усталостную прочность. В конце статьи вы поймете, какую важную роль играет индукционная закалка в продлении срока службы критически важных компонентов, обеспечивая их надежную работу в самых жестких условиях.
Эффект кожи также известен как поверхностный эффект.
Когда по проводнику течет постоянный ток, плотность тока во всех точках поперечного сечения проводника одинакова.
Однако, когда переменный ток течет по проводнику, плотность тока в поперечном сечении проводника меньше в середине и больше на поверхности.
Когда частота тока достаточно высока, в центре проводника может не быть тока, а весь ток сосредоточен в поверхностном слое проводника.
Это явление известно как поверхностный эффект высокочастотного тока, а скин-эффект высокочастотного тока на цилиндрическом проводнике показан на рисунке 1.
Рис. 1 Кожный эффект от тока высокой частоты
Причина скин-эффекта заключается в том, что когда переменный ток течет по проводнику, он одновременно создает магнитное поле, окружающее проводник.
Это магнитное поле создает на проводнике самоиндуцированную электродвижущую силу, которая противоположна по направлению первоначальной электродвижущей силе.
Самоиндуцированная электродвижущая сила наиболее сильна в центре цилиндрического проводника и наиболее слаба на его поверхности.
Аннулирование первоначальной электродвижущей силы самоиндуцированной электродвижущей силой приводит к максимальной поверхностной плотности тока и минимальной центральной плотности тока для высокочастотного тока, создавая скин-эффект.
Из-за скин-эффекта плотность тока в поперечном сечении проводника экспоненциально уменьшается от поверхности к центру.
Плотность тока Ix на расстоянии x от поверхности задается уравнением 1.
Где,
В технике это глубина от поверхности проводника до точки, где амплитуда Ix падает до 1/e от I0 (где e=2,718, поэтому 1/e ≈ 36,79%) называется глубиной проникновения тока, обозначаемой δ. Она может быть рассчитана с помощью уравнения 2.
Как видно из приведенного выше уравнения, глубина проникновения тока δ связана с ρ, μ и f. Когда ρ увеличивается, а μ, f уменьшаются, δ будет увеличиваться. Теоретические расчеты показывают, что в слое с глубиной проникновения тока δ на долю тепла, выделяемого током, приходится 86,5% от общего количества тепла, выделяемого током.
Уравнение 2 также показывает, что если частота тока f остается постоянной, то при изменении ρ и μ можно достичь различной глубины проникновения тока. Материалы имеют разные ρ и μ при разных температурах, что приводит к разной глубине проникновения тока при разных температурах.
Рис. 2 Взаимосвязь между магнитной проницаемостью, удельным электрическим сопротивлением стали и температурой нагрева.
На рис. 2 показана зависимость магнитной проницаемости μ и удельного электрического сопротивления ρ стали от температуры нагрева.
Видно, что удельное электрическое сопротивление стали увеличивается с повышением температуры нагрева. При температуре 800-900°C удельное сопротивление различных виды стали практически одинакова и составляет около 10-4 Ω-см. Магнитная проницаемость μ остается практически неизменной ниже точки магнитного превращения A2 или феррита.аустенит точка превращения, но резко снижается, когда она превышает A2 или превращается в аустенит.
Подставив значения ρ и μ при комнатной температуре или 800-900°C в уравнение 2, можно получить следующее упрощенное выражение:
При 20°C,
При температуре 800 ℃,
Глубина проникновения тока при 20°C обычно называется "глубиной проникновения тока в холодном состоянии", а глубина проникновения тока при 800°C, обозначаемая как δ800, называется "глубиной проникновения тока в горячем состоянии".
На распределение переменного тока внутри проводника влияет переменный ток в соседних проводниках - это явление известно как эффект близости.
В практических приложениях эффект близости проявляется в основном в двух ситуациях.
(1) Когда по двум параллельным проводникам текут одинаковые переменные токи в противоположных направлениях, ток концентрируется на внутреннем поверхностном слое двух проводников, и магнитное поле усиливается между двумя проводниками, а магнитное поле на внешней стороне проводников ослабевает. На рисунке 3a показан случай противоположных токов.
Рисунок 3 Проявление эффекта близости на прямоугольной шине.
a - Противоположные течения
b - Токи одинакового направления
(2) Когда по двум параллельным проводникам текут одинаковые переменные токи одного направления, ток концентрируется на внешнем поверхностном слое двух проводников, и магнитное поле между двумя проводниками самое слабое, в то время как магнитное поле на внешней стороне проводников усиливается из-за взаимной суперпозиции. На рисунке 3b показан случай токов одинакового направления.
Рис. 4 Эффект близости при индукционном нагреве
Эффект близости также проявляется между индукционной катушкой и нагреваемой деталью, как показано на рисунке 4 для эффекта близости при индукционном нагреве.
На рисунке 4a показан дугообразный вихревой ток на плоской пластине, нагреваемой однополюсной трубчатой проволокой с круглым сечением, соответствующий распределению тока на трубчатой проволоке с круглым сечением;
На рисунке 4b показан прямой вихретоковый слой на плоской пластине, нагреваемой однополюсным проводом из квадратной трубы;
На рисунке 4c показаны слои равномерного тока и вихревых токов на твердой цилиндрической заготовке, нагреваемой круговой катушкой, с одинаковыми зазорами между катушкой и заготовкой во всех местах;
На рисунке 4d показаны неравномерные слои тока и вихревых токов из-за неравномерных зазоров между цилиндрической заготовкой и кольцевой катушкой: более толстые слои тока и вихревых токов в местах с меньшими зазорами и более тонкие слои в местах с большими зазорами.
Когда высокочастотный ток течет по кольцевому проводнику, максимальная плотность тока распределяется на внутренней стороне кольцевого проводника, и это явление известно как скин-эффект. По сути, скин-эффект - это эффект близости кольцевого индуктора.
На рисунке 5 показана схема скин-эффекта в круговом кольце.
Рис. 5 Схематическая диаграмма кольцевого эффекта
Используя принцип скин-эффекта, можно объяснить значительную разницу в эффективности нагрева при использовании одного и того же кругового индуктора для нагрева внешней поверхности цилиндрической заготовки и внутренней поверхности цилиндрической заготовки со сквозным отверстием, как показано на рис. 6.
На рисунке 6 показано использование кругового индуктора для нагрева цилиндрической заготовки и цилиндрической заготовки со сквозным отверстием по отдельности. Эффективность нагрева двух заготовок значительно отличается из-за скин-эффекта.
Рис. 6 Нагрев цилиндрических деталей и деталей с круглыми отверстиями с помощью кольцевых индукторов
b1 - ширина нагрева цилиндрической поверхности
b2 - ширина нагрева внутренней поверхности отверстия
a - зазор; φ - магнитный поток
При нагреве внешней поверхности цилиндрической заготовки нагрев происходит интенсивно, и температура быстро повышается, что приводит к увеличению площади нагрева b1. С другой стороны, при нагреве внутренней поверхности цилиндрической заготовки со сквозным отверстием нагрев происходит мягко, температура повышается медленно, в результате чего область нагрева b2 становится более узкой. Из рисунка видно, что b1 ≥ b2, несмотря на то, что зазоры в обоих случаях равны a.
Из-за скин-эффекта высокочастотный ток концентрируется на внутренней стороне индуктора. При нагреве внутренней поверхности цилиндрической заготовки истинный зазор между заготовкой и индуктором намного больше a, что приводит к значительно меньшей интенсивности вихревых токов на внутренней поверхности сквозного отверстия по сравнению с внешней поверхностью цилиндрической заготовки. Это приводит к более мягкому нагреву внутренней поверхности сквозного отверстия.
Когда прямоугольный медный проводник помещается в щель магнитопровода, высокочастотный ток течет только через поверхностный слой проводника в отверстии магнитопровода. Это явление известно как щелевой эффект магнитопровода, как показано на рисунке 7.
Рис. 7 Эффект надреза магнитного проводника
H - напряженность магнитного поля; I - ток высокой частоты
Магнитопровод обладает высокой магнитной проницаемостью и низким магнитным сопротивлением. Магнитный поток, создаваемый токоведущим проводником, будет концентрироваться в магнитопроводе на дне щели.
Хотя проводник в нижней части щели имеет наибольшую связь с магнитным потоком, он также генерирует большое количество электродвижущей силы самоиндукции.
Аналогично, проводник в отверстии щели генерирует наименьшую электродвижущую силу самоиндукции. В результате высокочастотный ток вынужден течь через эту область.
Рис. 8 эффективная катушка, проводящий магнит и распределение тока в индукторе
1-проводящий магнит
2-эффективная катушка индуктора
3-ток
Используя щелевой эффект магнитопровода, мы можем направить высокочастотный ток на внешнюю поверхность круглого индуктора, тем самым повышая эффективность нагрева внутренней поверхности сквозного отверстия. Эффективные витки индуктора, магнитопровода и распределение тока показаны на рис. 8.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO