Indukciós hevítési és edzési eljárások
BME-Gépészmérnöki Kar Anyagtudomány és Technológia Tanszék 2011.11.15. Farkas Árpád Inductoheat Europe GmbH Inductotherm Group
1
Miért az indukció? Az ipar fejlődésével egyre több acélt és egyéb fémet kellett feldolgozni.
Az első hevítési és edzési technológia: a láng Tulajdonságai: - lassú (vékony edzett kéreg kialakítása nem lehetséges) - drága (relatív nagy energiabevitel szükséges) - nehezen szabályozható - az ismételhetősége korlátozott
Az indukciós hevítés mindezen hátrányokat kiküszöbölte!
2
Az indukciós hevítés alapjai, sajátosságai: A mágneses átáramlás: Φ = I * N , I = a tekercsen átáramlott áram, N = a tekercsek száma (pl. 1) Tehát a mágneses erővonalak száma az átáramoltatott árammal és a tekercsekek számával meghatározható.
- A képen egyenáram által létrehozott állandó mágneses mező látható. - Amenniyben egy ilyen körbe egy feszültségmérőt illesztünk, az nem jelez feszültséget. - Amennyiben a tekercsre váltóáramot vezetünk úgy a feszültségmérő feszültséget jelez.
3
Ez a feszültség mindig a primér tekercsben jön létre. Amennyiben egy ellenállást is bekötünk az áramkörbe, úgy az indukált feszültséget áram követi.
Az indukciós törvény: U = - N * dΦ / dt Ahol N a tekercs meneteinek száma, dΦ a mágneses áramlás változásának nagysága dt a mágneses mező változásához szükséges idő
Tehát a feszültséget a primér tekercsben váltakozó mágneses mező hozta létre a secunder tekercsben.
4
Transzformátor az indukciós hevítéshez: Hogyan érhetjük el? Toljuk el a szekunder tekecset, majd távolítsuk el a vasmagot (a transzformátor még mindig működik). Amennyiben a secundertekercsbe egy tengelyt teszünk, az átveszi a secundertekercs funkcióját. Ekkor a munkadarabban indukált feszültséget követő áram a darabot az ellenállás-hevítéssel melegíti.
5
Másképpen: Ha egy elektromos vezetőben periodikus váltakozó áram folyik, az maga körül váltakozó elektromágneses teret hoz létre. Ebbe a térbe helyezett másik vezetőben, a tér hatására szintén váltakozó elektromos áram folyik. Az energia átadás folyamata hasonló a transzformátor működésénél megismerthez. Az indukciós hevítés esetében az első vezető a hevítő tekercs, az induktor, a második vezető maga a munkadarab. Ha a munkadarabhoz illesztett induktorban jól megválasztott frekvenciájú és kellően nagy áram folyik, akkor a közelében lévő munkadarabban áramot indukál. A munkadarabban folyó váltakozó áram a munkadarabot felhevíti. A felmelegedés mértéke (nem ferromágneses anyagok esetén) az áram által átjárt részek fajlagos vezetőképességétől és az áram által átjárt keresztmetszettől függ. Ferromágneses anyagoknál ehhez hozzá adódik a periodikus átmágneseződésből adódó hiszterézis hő.
6
• Az indukált áramok a munkadarab felületi rétegében folynak. Minél magasabb a gerjesztő áram frekvenciája, annál vékonyabb rétegben, „kéregben” jön létre az indukált áram, ezért a a munkadarab felszínén hő keletkezik. Ez a „skin” hatás. A fentiekből következik, hogy megfelelően megválasztott frekvenciával és teljesítménnyel a munkadarab jól definiálható mélységű felszíni rétege hevíthető. • A munkadarabban az áram csak az induktor közvetlen közelében, annak geometriája által definiált alakban folyik. A megfelelő induktor kialakítással és teljesítmény megválasztással a munkadarab egyes részeinek irányított, koncentrált, lokális felhevítése érhető el. • Az indukciós hevítés esetén a hő közvetlenül a munkadarabban fejlődik, az induktor és a munkadarab közt nem szükséges mechanikai érintkezés. A hevítés történhet védő atmoszférákban (pl. nitrogén, argon stb), szeparált terekben, egyéb különleges helyzetekben. • Az indukciós hevítéssel átvihető felületi teljesítmény nagyságrenddel nagyobb a hagyományos hevítési eljárásokkal (láng, kemence, kontakt hevítés…) átvihető teljesítményhez képest, ezáltal olyan hőkezelési lehetőségeket nyújt, amelyek a 7 hagyományos eljárásokkal nem érhetők el.
Edzési mélység – behatolási mélység
A hevítéskor az indukált összenergia 86%-a a felületet melegíti a δ mélységig. A maradék energia a mélyebb rétegeket hevíti. δ ≅ 503 √ ρ / f μ ρ = anyagra jellemző elektromos ellenállás μ = permeábilitás (áteresztőképesség )
8
Anyagok relatív permeabilitása (példák) Csoport Ferromágneses anyagok
Paramágneses anyagok Diamágneses anyagok
Anyag Kobalt Nikkel Vas Permalloy ötvözetek Platina Alumínium Mangán Arany Ezüst Kén Réz Víz
µr 100-400 200-500 300-6000 5000-300000 1,0000004 1,0000043 1,0004 0,99997 0,999975 0,99998 0,99999 0,9999901 9
ρ és μ a hőmérséklet változásával módosul, tehát változik a behatolási mélység:
10
Pl.: azonos frekvencia alkalmazása esetén a szobahőmérsékleti behatolási mélységhez képest 1000 Celsiuson már 40-szer mélyebbre hatol be az elektromágneses tér. Figyelem ! A Curie pontnál (769) az acél elveszti a mágneses tulajdonságát!
Eindringtiefe mm
10,00
1,00
0,10
0,01 0
100
200
300
400
500
600
Temperatur °C
700
800
900
1000
11
Elektromagnetische Eindringtiefe 10
Eisen 15°C Silber 15°C Kupfer 15°C Aluminium 15°C
1
Kupfer 400°C Messing 15°C
mm
Aluminium 600°C Messing 800°C Nickel 1450°C
0,1
Eisen 840°C
0,01 100
1000
10000
100000
1000000
Frequenz ( Hz )
12
Egy mai transzformátor • Tranzisztoros transzformátor a legmodernebb kialakításban • MOSFET / IGBT MF – tartomány • Teljesítmény: 75, 150, ... kW • Frekvencia: 3, 10, 30, 50 kHz HF – tartomány • Teljesítmény: 50, 100,150, ... kW • Frekvencia: 50 – 200 kHz 13
13
A hevítés megoldott! Mit tudunk kezdeni vele? - olvasztás (acél, alumínium, réz, arany, ezüst, stb) - kovácsolási előhevítés - extrudálás (kisajtolás) - kéreg edzés - csőhegesztés, varrat lágyítás - forrasztás - átfedéses préselés - festékszárítás, festék leégetés - drót hőkezelés - megeresztés, feszültségmentesítés 14
Olvasztás
15
Kovácsolás
16
Inductoforge: Indukciós hevítőgép kovácsolási műveletekhez
17
Kovácsolási hevítési határok azonos induktorral
Max
70% 50%
Max. tömb átmérő
Régi határ 70% Max. Átm.
18
Hőmérséklet profil modul szabályozással az egyenletes hőmérséklet eloszlásért (3x 1.5 méter hosszú tekercs hevít 50mm átmérőjű cénacélt 1232 °C) 1400
500kW
1200
Surface Center
1000
800
370kW 310kW
600
400
200
0 0
10
Pod 1
20
30
40
Pod 2
50 Idő (sec)
60
Pod 3
70
80
90
19
100
Csőhegesztés, varrat lágyítás
20
Forrasztás
Kemény forrasztás Forraszanyagok: Ezüst, arany, réz, (1083°C) Lágy forrasztás: Forraszanyagok: Ón, bizmut, kadmium, Ólom, cink (419,4°C)
21
Indukciós kéregedzés
22
Szövetszerkezet változás szükséges! A cél: Martensit A martensit az austenitből gyors hűtés mellet alakul ki. Az átalakulást térfogatváltozás követ! Kb. +4 %
23
A vas-szén állapotábra:
24
Az indukciós edzés
25
A széntartalom és a keménység összefüggése:
26
Jominy teszt, átedzhetőség, elérhető edzési mélység
27
C35-ös ötvözetlen szénacél átedzhetőségi grafikonja: Härtbarkeitsstreuband C35
Megfelelő hűtéssel elérhető felületi keménység: 49-59 HRC, A felületi keménység 80%-a (55HRc) = 44 HRc a edzett kéreg vastagsága
Elérhető edzési mélység, 1- 5 mm 28
ZTU-Diagramm C35 Min 950°C (gyorsaustenitesítés!)
Innen kell lehűteni, hogy 100% Martensitet érjünk el
Elérhető szövetarány %-os megoszlásba na mindenkori lehülési görbéhez, itt 40% Ferrit és 60% Perlit
Időtengely sec (logaritmikus)
Csak 0,7 másodperc a Martensit kezdeti Az elért keménység HV-ben a hőmérsékletig ! mindenkori lehülési görbéhez
Ms ( °C )
=
550 – 35*%C - 40*%Mn – 20*%Cr - 10*%Mo - 17*%Ni 29
C45 Kémiai összetétel C 0,45 Si 0,25 Mn 0,65 S <0,03
30
Ck 60 Vegyi összetétel: C 0,60 Si 0,25 Mn 0,75 S <0,03
31
Kémiai összetétel: C 0,42 Si 0,25 Mn 0,70 Cr 1,05 S <0,035
41Cr4
32
Kémiai összetétel: C 0,42 Si 0,25 Mn 0,75 Cr 1,10 Mo 0,22
42CrMo4
33
100Cr6 Kémiai összetétel: C Si Mn Cr
1,00 0,25 0,35 1,50
34
Változtatható frekvenciás indukciós hőkezelés IFP Transzformátor technológia Új egyedülálló és szabadalmaztatott transzformátor technológia EGY transzformátor széles alkalmazási területre
IFP – Transzformátor I F P
= = =
Independant controlled Frequency & Power
Teljesítmény & Frekvencia Terhelés alatt szabadon változtatható 35
IFP Transzformátor technológia Az egyedülálló IFP-technológia és előnyei • A teljesítmény és a frekvencia független beállítási lehetősége • A teljesítmény és a frekvencia terhelés alatti valós időben történő fokozatmentes változtathatósága • A frekvenciát kényelmesen, egy előírt érték megadásával beállítható – ez jelentős időmegtakarítást jelent, mivel nem kell kondenzátorokat le-felszerelni • Az IFP-transzformátor szélesebb illeszthetőségi területet biztosít, induktorgeometria, csatolási távolság és anyagminőség tekintetében. 36
IFP transzformátor - alkalmazások Egyszerű és kényelmes kezelés, áttekinthető kijelzése az alkalmazási állapotnak
37
IFP transzformátor - alkalmazások IFP – Hevítési folyamatokra • Kéreg és átedzés • Megeresztés (feszmentesítés) • Termikus olvasztás • Termikus illesztés, kalibrálás, zsugorítás • Forrasztás • Speciális alkalmazások 38
IFP transzformátor - alkalmazások A változó frekvencia felhasználási lehetőségei
Az edzés különböző frekvenciával (folyamatos előtolással) különböző edzési mélységet eredményez.
20 kHz
30 kHz
10 kHz 39
IFP transzformátor - alkalmazások A változó frekvencia felhasználási lehetőségei
Az alacsonyabb frekvenica lehetővé teszi a megfelelő edzési mélység elérését, még a vállaknál is.
10 kHz
5 kHz 40
IFP transzformátor - alkalmazások A változó frekvencia felhasználási lehetőségei A változtatható frekvencia megengedi az edzést a beszúrásokban, megelőzi a mag átedződését, valamint az edzés és a megeresztés egy állásban lehetséges. 30 kHz
25 kHz
10 kHz
35 kHz
40 kHz
10 kHz
30 kHz
10 kHz 41
IFP transzformátor - alkalmazások Optimális edzési kontúr a frekvencia igazításával 40 kHz
40 kHz
15 kHz
7 kHz 15 kHz 20 kHz 40 kHz / 4,5 sec 42
IFP transzformátor - alkalmazások A változó frekvencia felhasználási lehetőségei
A változtatható frekvencia csökkenti a repedésterjedést
30 kHz
20 kHz 8 kHz
15 kHz 6 kHz 43
IFP transzformátor - alkalmazások A változó frekvencia felhasználási lehetőségei • Felületi edzés az optimális frekvencia pontos kiválasztásával • 1. Hevítési ciklus alacsonyabb frekvenciával 10 kHz-nél 1,5 sec • 2. Hevítési ciklus a megfelelő 40 kHz frekvenciával 0,62 sec
44
Indukciós kéregedző alkalmazások – jellemző munkadarabok
45
45
Az indukciós kéregedzés általános specifikációi: Felületi keménység • Csak a választott anyagnak megfelelő lehet, magasabb keménység nem érhető el, alacsonyabb keménység a megfelelő megeresztési technológiával biztosítható
Edzési mélység / kéregvastagság A DIN50190 szerint az edzési mélység (kéregvastagság) az a mélység, ahol a mérhető keménység a felületi keménység 80 %-ára esik • Az edzési mélység tűréseit a DIN6773-as szabvány szabályozza
Edzési terület • A munkadarab, amit edzeni kell. • Az átmeneti zóna az edzett és az edzetlen terület között mindig a névleges edzési területen kívül esik (nem számolhatjuk bele) (DIN 6773 6.2 ) 46
Edzési mélység - kéregvastagság
47
Edzési terület
Kéregedzett és a teljes munkadarab megeresztett 525 + 100 HV10 CHD / Rht 425 = 0,4 + 0,4 Hol kell edzeni és hol megengedett az edzés? 48
Indukciós edzés számítógépes modellezése
49
Indukciós kéregedzés alkalmazások: Lehet szkennelő eljárás
Lehet statikus, álló eljárás
50
Indukciós kéregedzés alkalmazások: Lehet függőleges eljárás
Lehet vízszintes eljárás
51
Indukciós kéregedzés alkalmazások: Álló-forgó eljárás
52
Indukciós kéregedzés alkalmazások: Teljes felület eljárás
53
Indukciós edzéssel szerkezetileg erősített alkatrészek személy- és teherautókhoz
54
Indukciós edzéssel szerkezetileg erősített alkatrészek személy- és teherautókhoz
55
Indukciós edzéssel szerkezetileg erősített alkatrészek személy- és teherautókhoz
56
Fékkulcs profil és szár edzés egy lépésben, egy induktorral (3 tengelyes gép)
57
Indukciós alkalmazások: Fogaskerék edzés
58
Indukciós alkalmazások Szinkrongyűrű indukciós edzése
59
Indukciós alkalmazások: Golyósorsó anya edzése
60
Indukciós alkalmazások: Acél hüvely külső átmérő és váll edzése
61
Indukckiós alkalmazások: Furat edzés
62
Indukciós alkalamazások: Tengely edzés
63
Indukciós alkalmazások: Persely belső felület edzés
64
Vezérműtengely edzése Védőgáz alatt
Védőgáz nélkül
65
Speciális berendezések Vezérműtengely edzőberendezés
Sík induktor, egyszerre 8 bütyök edzése
66
Speciális berendezések Személyautó vezérműbütyök edző és megeresztő berendezés
67
67
Speciális berendezések Edzés és kalibrálás tüske segítségével Folyamat
Forgóasztal Automata töltés
68
Megfigyelő pozícionálás Hibás darab kitérő
68
Csapszeg edző berendezés • Nagy sebességű három állásos ejtő mechanikás edzőgép • Kihozatal kb. 100 db / min
69
Speciális berendezések Tengely edző berendezés Egycsatornás vízszintes edzőberendezés indukciós edzésre és megeresztésre Átmérők: 18 – 60 mm Hosszok:
2 - 6 Meter
Előtolási sebesség: 20 mm/sec. ø 60 mm 85 mm/sec. ø 20 mm 70
(anyag: Cf53)
70
Inductoscan hevítő berendezés Motoralkatrész átmelegítés zsugor alkalmazásokhoz hőmérséklet felügyelettel
71
71
Féktárcsa hevítés
Indukciós hevítő berendezés egy teherautó féktárcsához a valós üzemeltetési feltételek szimulálásához laborkörülmények között 72
72
Néhány induktor és zuhany
73
Anealing colours
By radiation
Tempering colours
By colour of oxides
74
