Induktionshærdning - Induction hardening
Induktionshærdning er en type overfladehærdning , hvor en metaldel induktionsopvarmes og derefter slukkes . Det slukkede metal gennemgår en martensitisk transformation , hvilket øger hårdheden og skørheden af delen. Induktionshærdning bruges til selektivt at hærde områder af en del eller samling uden at påvirke egenskaberne af delen som helhed.
Behandle
Induktionsopvarmning er en kontaktfri opvarmningsproces, der anvender princippet om elektromagnetisk induktion til at producere varme inde i overfladelaget af et emne. Ved at placere et ledende materiale i et stærkt vekslende magnetfelt kan elektrisk strøm strømme i materialet og derved skabe varme på grund af I 2 R -tabene i materialet. I magnetiske materialer genereres yderligere varme under kuriepunktet på grund af hysteresetab . Den genererede strøm flyder overvejende i overfladelaget, idet dybden af dette lag dikteres af frekvensen af det vekslende felt, overfladeeffektdensiteten, materialets permeabilitet , varmetiden og diameteren på stangen eller materialetykkelsen. Ved at slukke dette opvarmede lag i vand, olie eller en polymerbaseret bratkøling ændres overfladelaget til en martensitisk struktur, der er hårdere end basismetallet.
Definition
En meget udbredt proces til overfladehærdning af stål. Komponenterne opvarmes ved hjælp af et skiftevis magnetfelt til en temperatur inden for eller over transformationsområdet efterfulgt af øjeblikkelig bratkøling. Komponentens kerne forbliver upåvirket af behandlingen og dens fysiske egenskaber er stangen, hvorfra den blev bearbejdet, mens sagens hårdhed kan ligge inden for intervallet 37/58 HRC . Kulstof- og legeringsstål med et ækvivalent kulstofindhold i området 0,40/0,45% er mest egnede til denne proces.
En stor vekselstrøm drives gennem en spole, der genererer et meget intens og hurtigt skiftende magnetfelt i rummet indeni. Det emne, der skal opvarmes, placeres inden for dette skiftevis magnetfelt, hvor der genereres hvirvelstrømme i emnet, og modstand fører til Joule -opvarmning af metallet.
Mange mekaniske dele, såsom aksler, tandhjul og fjedre, udsættes for overfladebehandlinger efter bearbejdning for at forbedre slidadfærden. Effektiviteten af disse behandlinger afhænger både af ændringer af overfladematerialers egenskaber og af indførelsen af restspænding . Blandt disse behandlinger, induktionshærdning er en af de mest almindeligt anvendt til at forbedre komponent holdbarhed . Det bestemmer i arbejdsemnet en hård kerne med resterende spændinger i træk og et hårdt overfladelag med trykbelastning , som har vist sig at være meget effektivt til at forlænge komponentens træthed og slidstyrke .
Induktionsoverfladehærdede lavlegerede mediumkulstofstål bruges i vid udstrækning til kritiske bil- og maskinapplikationer, der kræver høj slidstyrke. Slidstyrkeadfærden for induktionshærdede dele afhænger af hærdningsdybden og størrelsen og fordelingen af den resterende trykbelastning i overfladelaget.
Historie
Grundlaget for alle induktionsvarmesystemer blev opdaget i 1831 af Michael Faraday . Faraday beviste, at ved at vikle to trådspoler rundt om en fælles magnetisk kerne var det muligt at skabe en momentan elektromotorisk kraft i den anden vikling ved at tænde og slukke den elektriske strøm i den første vikling. Han bemærkede endvidere, at hvis strømmen blev holdt konstant, blev der ikke induceret nogen EMF i den anden vikling, og at denne strøm flød i modsatte retninger, afhængigt af om strømmen var stigende eller faldende i kredsløbet.
Faraday konkluderede, at en elektrisk strøm kan produceres af et skiftende magnetfelt. Da der ikke var nogen fysisk forbindelse mellem de primære og sekundære viklinger, siges emf i den sekundære spole at være induceret, og derfor blev Faradays induktionslov født. Når de først blev opdaget, blev disse principper anvendt i løbet af det næste århundrede eller deromkring i designet af dynamoer ( elektriske generatorer og elektriske motorer , som er varianter af det samme) og i former for elektriske transformere . I disse applikationer føltes enhver varme genereret i enten de elektriske eller magnetiske kredsløb for uønsket. Ingeniører gik langt og brugte laminerede kerner og andre metoder til at minimere virkningerne.
I begyndelsen af sidste århundrede blev principperne undersøgt som et middel til at smelte stål, og motorgeneratoren blev udviklet til at levere den nødvendige effekt til induktionsovnen . Efter generel accept af metoden til smeltning af stål begyndte ingeniører at undersøge andre muligheder for anvendelse af processen. Det var allerede forstået, at dybden af strømindtrængning i stål var en funktion af dens magnetiske permeabilitet, resistivitet og frekvensen af det anvendte felt. Ingeniører fra Midvale Steel og Ohio Crankshaft Company trak på denne viden til at udvikle de første overfladehærdende induktionsvarmesystemer ved hjælp af motorgeneratorer.
Behovet for hurtige nemt automatiserede systemer førte til massive fremskridt i forståelsen og anvendelsen af induktion hærdningsprocessen og ved slutningen af 1950'erne mange systemer, der anvender motoriske generatorer og Termioniske emission triode oscillatorer var i regelmæssig brug i en bred vifte af industrier. Moderne induktionsvarmeenheder bruger det nyeste inden for halvlederteknologi og digitale kontrolsystemer til at udvikle en række kræfter fra 1 kW til mange megawatt .
Principielle metoder
Enkelt skud hærdning
I enkeltskudssystemer holdes komponenten statisk eller roteres i spolen, og hele det område, der skal behandles, opvarmes samtidigt i en forudindstillet tid efterfulgt af enten en oversvømmelses- eller dråbeslukningssystem. Enkeltskud bruges ofte i tilfælde, hvor ingen anden metode vil opnå det ønskede resultat, for eksempel til fladhærdning af hamre, kanthærdning af komplekse formede værktøjer eller produktion af små tandhjul.
I tilfælde af skafthærdning er en yderligere fordel ved single shot -metoden produktionstiden sammenlignet med progressive travershærdningsmetoder. Derudover kan evnen til at bruge spoler, der kan skabe langsgående strømstrøm i komponenten frem for diametrisk strøm, være en fordel med visse komplekse geometri.
Der er ulemper ved single shot -tilgangen. Spoledesignet kan være en ekstremt kompleks og involveret proces. Ofte er brug af ferrit eller laminerede lastmaterialer påkrævet for at påvirke magnetfeltkoncentrationerne i givne områder for derved at forfine det producerede varmemønster. En anden ulempe er, at der kræves meget mere effekt på grund af det øgede overfladeareal, der opvarmes i forhold til en tværgående tilgang.
Hærdning på tværs
I tværhærdningssystemer føres emnet gradvist gennem induktionsspolen, og der anvendes en efterfølgende bratkølespray eller -ring. Travershærdning bruges i vid udstrækning til fremstilling af akseltypekomponenter såsom akselaksler, gravemaskineskovlstifter, styrekomponenter, værktøjsaksler og drivaksler. Komponenten føres gennem en ringtype induktor, der normalt har en enkelt omdrejning. Svingets bredde bestemmes af tværhastigheden, generatorens tilgængelige effekt og frekvens. Dette skaber et bevægeligt varmebånd, der, når det slukkes, skaber det hærdet overfladelag. Slukningsringen kan enten være en integreret del af et efterfølgende arrangement eller en kombination af begge underlagt kravene i applikationen. Ved varierende hastighed og effekt er det muligt at oprette en aksel, der er hærdet i hele sin længde eller bare i bestemte områder og også at hærde aksler med trin i diameter eller splines. Det er normalt, når man hærder runde aksler at rotere delen under processen for at sikre, at eventuelle variationer på grund af spolens og komponentens koncentritet fjernes.
Traverse metoder er også med i fremstillingen af kantkomponenter, såsom papirknive, læderknive, plæneklipperens nederste knive og savklinge. Disse typer applikationer bruger normalt en hårnålspole eller en tværgående flusspole, der sidder over kanten af komponenten. Komponenten føres gennem spolen og en efterfølgende spraydæmpning bestående af dyser eller borede blokke.
Mange metoder bruges til at tilvejebringe den progressive bevægelse gennem spolen, og der bruges både lodrette og vandrette systemer. Disse anvender normalt en digital encoder og programmerbar logisk controller til positionsstyring, omskiftning, overvågning og indstilling. I alle tilfælde skal hastigheden af krydsning kontrolleres tæt og konsekvent, da variation i hastighed vil have en effekt på dybden af hårdhed og den opnåede hårdhedsværdi.
Udstyr
Strøm påkrævet
Strømforsyninger til induktionshærdning varierer i effekt fra et par kilowatt til hundredvis af kilowatt afhængigt af størrelsen af den komponent, der skal opvarmes og den anvendte produktionsmetode, dvs. enkeltskudshærdning, tværhærdning eller nedsænket hærdning.
For at vælge den korrekte strømforsyning er det først nødvendigt at beregne overfladearealet på den komponent, der skal opvarmes. Når dette er blevet fastslået, kan en række forskellige metoder bruges til at beregne den krævede effekttæthed, varmetid og generatorens driftsfrekvens. Traditionelt blev dette gjort ved hjælp af en række grafer, komplekse empiriske beregninger og erfaring. Moderne teknikker anvender typisk endelige elementanalyser og computerstøttede fremstillingsteknikker , men som med alle sådanne metoder er det stadig nødvendigt med et grundigt kendskab til induktionsopvarmningsprocessen.
For enkeltskudsprogrammer skal det samlede areal, der skal opvarmes, beregnes. I tilfælde af tværhærdning multipliceres komponentens omkreds med spolens bredde. Der skal udvises forsigtighed ved valg af spolebredde, at det er praktisk at konstruere spolen med den valgte bredde, og at den vil leve med den effekt, der kræves til applikationen.
Frekvens
Induktionsvarmesystemer til hærdning fås i en række forskellige driftsfrekvenser typisk fra 1 kHz til 400 kHz. Højere og lavere frekvenser er tilgængelige, men typisk vil disse blive brugt til specialiserede applikationer. Forholdet mellem driftsfrekvens og strømindtrængningsdybde og derfor hårdhedsdybde er omvendt proportional. dvs. jo lavere frekvens jo dybere sagen.
| Sagens dybde [mm] | Stangdiameter [mm] | Frekvens [kHz] |
|---|---|---|
| 0,8 til 1,5 | 5 til 25 | 200 til 400 |
| 1,5 til 3,0 | 10 til 50 | 10 til 100 |
| > 50 | 3 til 10 | |
| 3,0 til 10,0 | 20 til 50 | 3 til 10 |
| 50 til 100 | 1 til 3 | |
| > 100 | 1 |
Ovenstående tabel er rent illustrerende, gode resultater kan opnås uden for disse områder ved at afbalancere effekttætheder, frekvens og andre praktiske overvejelser, herunder omkostninger, der kan påvirke det endelige valg, varmetid og spolebredde. Udover effekttætheden og frekvensen vil den tid, materialet opvarmes til, påvirke den dybde, som varmen vil strømme til ved ledning. Tiden i spolen kan påvirkes af krydshastigheden og spolens bredde, men dette vil også have en effekt på det samlede effektbehov eller udstyrets kapacitet.
Det kan ses af ovenstående tabel, at valget af det korrekte udstyr til enhver applikation kan være ekstremt komplekst, da mere end én kombination af effekt, frekvens og hastighed kan bruges til et givet resultat. Men i praksis er mange valg umiddelbart indlysende baseret på tidligere erfaring og praktisk.
Fordele
- Hurtig proces, ingen holdetid er påkrævet, derfor mere produktionshastighed
- Ingen skalering eller afkulning
- Mere dybde på op til 8 mm
- Selektiv hærdning
- Høj slidstyrke og træthed
Ansøgninger
Processen kan anvendes til elektrisk ledende magnetiske materialer, såsom stål.
Lange emner som aksler kan bearbejdes.
Se også
Referencer
Noter
Bibliografi
- Davies, John; Simpson, Peter (1979), Induction Heating Handbook , McGraw-Hill, ISBN 0-07-084515-8.
- Rapoport, Edgar; Pleshivtseva, Yulia (2006), Optimal kontrol af induktionsopvarmningsprocesser , CRC Press, ISBN 0-8493-3754-2.
- Rudnev, Valery; Kærlighedsløs, Don; Cook, Raymond; Black, Micah (2002), Handbook of Induction Heating , CRC Press, ISBN 0-8247-0848-2.