Глубина проникновения тока в металл

6 ноября 2018

Явление поверхностного эффекта

Постоянный ток в проводнике распределяется равномерно по сечению, переменный ток распределяется по сечению неравномерно в зависимости от частоты тока (рис. 10.6.).

Рис. 10.6. Глубина проникновения тока в металл в зависимости от его частоты: а - постоянный, б, в, г - переменный 50, 10 000, 125 000 Гц соответственно

При пропускании переменного тока наибольшая противоэлектродвижущая сила индуктируется в центре проводника, который охватывается полным магнитным потоком. Чем ближе к поверхности проводника, тем слабее магнитное поле, а, следовательно, меньше противо электродвижущая сила. Существование этой силы равноценно появлению в проводнике некоторого добавочного сопротивления, носящего название индуктивного сопротивления цепи. Встречая в центре проводника наибольшее индуктивное сопротивление, ток будет стремиться пройти в направлении наименьшего сопротивления и вытисниться к поверхности проводника.

Свойство тока высокой частоты протекать только по поверхностному слою проводника принято называть поверхностным эффектом, или скин-эффектом.

Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока. Неравномерное распределение индукционных токов приводит к неравномерному нагреву деталей: поверхностные слои очень быстро нагреваются до высоких температур, а сердцевина или совсем не нагревается или нагревается незначительно, благодаря теплопроводности стали.

Для количественной оценки явления поверхностного эффекта введено понятие глубины проникновения тока 8 (дельта). При этом считают, что переменный ток протекает только в поверхностном слое, толщина которого равна глубине проникновения тока, и имеет на этой глубине равномерную плотность.

Глубина проникновения тока или толщина слоя определяется по формуле:

где р - удельное электрическое сопротивление, Ом-мм²/м; р - магнитная проницаемость, Гс/Э; f- частота тока, Гц.

Следовательно, с увеличением частоты глубина проникновения индукционных токов уменьшается (рис. .103, таблица 10.4.). Если менять частоту тока, то можно в широких пределах изменять глубину проникновения 8, а, следовательно, и толщину слоя, по которому идет ток, вызывающий нагрев поверхности закаливаемой детали.

Из приведенных в табл., данных следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока растет и достигает наибольшего значения при температуре потери магнитных свойств - точки Кюри.

Таблица 10.4

Глубина проникновения тока в металл при различных частотах

С ростом температуры нагрева (рис. 10.7.) стальных деталей удельное сопротивление р возрастает и выше 1000°С достигает своего максимального значения.

Рис. 10.7. Кривые изменения магнитной проницаемости и удельного электрического сопротивления стали 45 в зависимости от температуры нагрева

Магнитная проницаемость в интервале 600...700°С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем ее повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума ( jli =1).

Для практических расчетов глубину проникновения 8 тока в металл вычисляют по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15° С:

 мм и при температуре 760° С , мм

Где: S- глубина проникновения тока, мм; f- частота тока, Гц.

Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780° С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единице. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.

Наибольшее значение глубины проникновения тока называют горячей глубиной проникновения и обозначают  _ГОр- Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле:

Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме.

В первый момент начинается, нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств, глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже. Повышение температуры в первом нагретом слое замедляется.

После потери магнитных свойств вторым слоем начинает быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.

Повышение температуры в слое с горячей глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях - в основном за счет теплопроводности.

Этот процесс нагрева объясняет причину быстрого распространения тепла при нагреве ТВЧ, в связи с изменениями магнитных свойств. На рис. 10.5 изображен график индукционного нагрева, из которого видно, что более быстрый нагрев происходит при температурах ниже точки Кюри (769°С). Выше этой критической точки нагрев замедляется в связи с потерей сталью магнитных свойств и фазовыми превращениями.

Существует три основных способа поверхностной индукционной закалки в зависимости от размера, формы детали и некоторых специальных требований нагрева: одновременный, непрерывно последовательный и последовательный (поочередный).

Рис. 10.8. График индукционного нагрева