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Oportunidades de aplicación para el tratamiento térmico por inducción

Oportunidades de aplicación para el tratamiento térmico por inducción (7)

  La aplicación de la inducción electromagnética en el tratamiento térmico ha sido común. Sin embargo, la situación actual del tratamiento térmico por inducción indica que puede haber mucho espacio para el desarrollo.

  La demanda de eficiencia y protección ambiental en las industrias automotriz y de aviación, la innovación de la fuente de alimentación de inducción y el progreso de la simulación del proceso de tratamiento térmico por inducción están contribuyendo al desarrollo de la tecnología de tratamiento térmico por inducción, que está a punto de entrar en un "oro". años".

Eficiencia y ventajas medioambientales:

  Las características fundamentales de la inducción electromagnética la hacen atractiva para la industria del tratamiento térmico en una era de conciencia ambiental y búsqueda de bajos costos. El calentamiento por inducción es un método directo de calentamiento en el que el calor se genera en el componente que se está calentando en lugar de transmitirse al componente desde el entorno circundante. Dado que el calentamiento por inducción genera calor en la superficie y debajo de ella, no solo es rápido, sino que suele ser muy eficiente.

  La eficiencia electromagnética del proceso de tratamiento térmico por inducción suele ser muy alta. Para el endurecimiento por inducción de materiales ferromagnéticos como el acero al carbono y el acero inoxidable martensítico, esta eficiencia suele estar en el rango del 70-80 % (e incluso más cerca del 90 % para el templado de dichos materiales). El endurecimiento por inducción tampoco implica la difusión de productos químicos en las piezas. Por lo tanto, el endurecimiento por inducción generalmente se considera un método "más limpio" en comparación con los métodos termoquímicos como la cementación y la nitruración.

Innovación en fuente de alimentación de inducción:

  El desarrollo de fuentes de alimentación de alta frecuencia transistorizadas en las décadas de 1950 y 1960 cambió en gran medida el aspecto del tratamiento térmico por inducción. El advenimiento de las fuentes de alimentación síncronas de doble frecuencia a fines de la década de 1990 y principios del siglo XX mejoró significativamente la capacidad de inducir el endurecimiento, especialmente para engranajes pequeños y medianos. En los últimos años, después de casi 20 años de lento desarrollo de la energía de inducción, ha surgido una tecnología revolucionaria: un inversor que puede modular la frecuencia de trabajo de manera instantánea.

  En el calentamiento por inducción, la frecuencia del campo electromagnético aplicado (es decir, la frecuencia de la corriente alterna que pasa a través de la bobina de inducción) afecta la profundidad de la generación de energía térmica en el componente que se calienta. La profundidad a la que un conductor que funciona con corriente alterna genera la mayor parte del calor (alrededor del 86%) se suele denominar profundidad de penetración. La profundidad de penetración (δ) es función de la resistividad del conductor (ρ), la permeabilidad (μ) y la frecuencia del campo magnético aplicado (F), y se puede aproximar de la siguiente manera:

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Estudio de caso: endurecimiento de escaneado

  El endurecimiento de escaneo es una aplicación madura de la fuente de alimentación de frecuencia variable. La capacidad de cambiar la frecuencia brinda una solución ideal para cumplir con los requisitos de endurecimiento de diferentes formas a lo largo de la pieza escaneada.

  La Figura 1 ilustra un proceso de endurecimiento por escaneo para un eje de acero al carbono medio (SAE 4140), que proporciona un caso de estudio adecuado. Este eje hueco es representativo de muchas piezas automotrices modernas. Su extremo tiene forma de brida. El diámetro del cuerpo del eje varía significativamente, siendo el diámetro por encima y por debajo de la parte de transición de unos 45 mm y 50 mm respectivamente.

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  Figura 1. Proceso de endurecimiento por barrido para un eje de acero al carbono medio (SAE 4140)

  Esta variación de 5 mm de diámetro es muy grande en relación con la profundidad requerida de la capa de endurecimiento, lo que dificulta el control del campo electromagnético y el calentamiento. En las esquinas internas de las transiciones de diámetro, es difícil generar suficiente calor para transmitir a una cantidad relativamente grande de material circundante. La existencia de ranuras de 0.5 mm mejora efectivamente el acoplamiento local entre la bobina y los componentes, pero plantea desafíos adicionales al proceso. Además, la esquina exterior es propensa a sobrecalentarse porque sobresale hacia afuera y entra en la región de la línea de campo magnético alrededor de la bobina de una sola vuelta.

  Si se utiliza una sola frecuencia para endurecer un componente de este tipo, es probable que se seleccionen 30 kHz para garantizar una profundidad de endurecimiento efectiva de aproximadamente 2 mm. Como se muestra en la Figura 2, el proceso logra un buen endurecimiento en la mayor parte de la longitud del componente, pero hay problemas con la transición del diámetro.

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  Figura 2. El proceso logró un buen endurecimiento en la mayor parte de la longitud del componente, pero hubo problemas con la transición del diámetro.

  Debido a una austenización inadecuada (es decir, calentamiento), se genera una cantidad muy pequeña de martensita en las ranuras. Aumentar la potencia de la bobina en esta área y/o extender el tiempo de calentamiento efectivo parecerían ser correcciones lógicas. Sin embargo, esto aumentará aún más la temperatura máxima en la esquina exterior adyacente. Si esta temperatura ya está en un nivel de 1,060 °C (1,940 °F), los aumentos adicionales pueden resultar en un transporte local de grano no deseado (y posiblemente inaceptable).

  Dado que la distancia entre el ángulo interior y el ángulo exterior es de solo 3 milímetros, aumentar la temperatura en el ángulo interior sin aumentar la temperatura en el ángulo exterior parece una tarea imposible. Sin embargo, como se muestra en la Figura 3, esto se logra cambiando la frecuencia cuando se calienta la transición de diámetro donde llega la bobina.

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  Figura 3. Al cambiar la frecuencia al calentar la parte de transición del diámetro, la temperatura en la esquina interior sin la esquina exterior se elevó con éxito.

  Reducir la frecuencia de salida del inversor de 30 kHz a 10 kHz aumenta la profundidad de penetración en el componente alrededor de 1.7 veces, reduce el efecto de proximidad electromagnética en la esquina interior y reduce el riesgo de sobrecalentamiento en la esquina exterior. Este cambio de frecuencia aumentó efectivamente la profundidad de la capa de endurecimiento de la superficie en la ranura y redujo la temperatura máxima del hombro adyacente en casi 40 °C.

  Este estudio de caso relativamente simple demuestra una importante ventaja de calidad de los sistemas de endurecimiento por exploración de frecuencia variable. La capacidad de ajustar la frecuencia brinda beneficios adicionales si el componente requiere diferentes profundidades de la capa de endurecimiento a lo largo de la longitud. Además, aunque está más allá del alcance de este artículo, la tecnología IFP ofrece beneficios de masa y flexibilidad para muchas otras aplicaciones, incluido el endurecimiento continuo horizontal, el endurecimiento rotatorio (para engranajes y ruedas dentadas), el revenido y el alivio de tensión.

Simulación en el diseño de equipos y procesos:

  El uso de simulación por computadora en el diseño de sistemas de tratamiento térmico por inducción puede mejorar la calidad del producto, acortar el tiempo de diseño, reducir los costos de fabricación y acelerar el desarrollo del proceso. Sin embargo, estas ventajas se pueden borrar fácilmente con el tiempo que lleva desarrollar modelos confiables y calcular los resultados deseados.

  En ciertas aplicaciones, especialmente aquellas que requieren simulación tridimensional, el tiempo requerido para obtener información útil a través de la simulación es simplemente inaceptable. Afortunadamente, el poder cada vez mayor del software de simulación y la caída del costo del hardware de la computadora están haciendo que este obstáculo sea cada vez más pequeño.

Estudio de caso: endurecimiento de una sola vez:

  En el proceso de endurecimiento de una sola vez, se utiliza una bobina de inducción capaz de inducir corrientes circunferenciales y longitudinales para calentar todo el componente que se va a endurecer (Figura 4). Las piezas giran durante el proceso de calentamiento y templado para promover un endurecimiento uniforme de todo el cuerpo. La capacidad de simular de forma fiable el proceso de endurecimiento único en un tiempo razonable es importante para los fabricantes y usuarios de equipos de tratamiento térmico por inducción porque:

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  HIGO. 4. El proceso de endurecimiento de una sola vez utiliza bobinas de inducción que generan corrientes circunferenciales y longitudinales para calentar los componentes en su conjunto.

• El endurecimiento de una sola vez es un proceso de tratamiento térmico por inducción muy común.

• El diseño de las bobinas de inducción desechables es mucho menos intuitivo que el de la mayoría de las otras bobinas de endurecimiento por inducción.

• El efecto del tratamiento de endurecimiento depende principalmente de la forma de la bobina más que de los parámetros del proceso (a diferencia del endurecimiento por exploración).

• Las bobinas pueden ser costosas de fabricar, especialmente considerando que los diseños de prueba y error a menudo requieren revisiones repetidas.

• Las bobinas de inducción desechables suelen tener una alta densidad de potencia y, por lo tanto, son propensas a sufrir daños prematuros.

  Desafortunadamente, las características físicas del proceso de endurecimiento de una sola vez requieren el uso de simulación de calentamiento electromagnético TRIDIMENSIONAL, y el tiempo requerido para establecer modelos tridimensionales de elementos finitos y calcular resultados precisos ha sido un obstáculo considerable. Por lo tanto, la simulación del proceso de endurecimiento por inducción de una sola vez en la industria sigue siendo muy rara.

  Sin embargo, como muestra la Figura 5, esto está cambiando. El poder cada vez mayor del software, junto con la disminución del costo de los recursos informáticos, hace que las simulaciones complejas que requieren grandes cantidades de recursos sean cada vez más factibles. Los fabricantes y usuarios de equipos de tratamiento térmico por inducción están cosechando los frutos.

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  Figura 5. Las crecientes capacidades del software y el costo decreciente de los recursos informáticos hacen que las simulaciones complejas que requieren grandes cantidades de recursos sean cada vez más factibles.

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