Indukciós hevítési és edzési eljárások

Átírás

1 Indukciós hevítési és edzési eljárások BME-Gépészmérnöki Kar Anyagtudomány és Technológia Tanszék Farkas Árpád Inductoheat Europe GmbH Inductotherm Group 1

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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 hagyományos eljárásokkal nem érhetők el. 7

8 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

9 Anyagok relatív permeabilitása (példák) Csoport Anyag µ r Ferromágneses Kobalt anyagok Nikkel Vas Permalloy ötvözetek Paramágneses Platina 1, anyagok Alumínium 1, Mangán 1,0004 Diamágneses Arany 0,99997 anyagok Ezüst 0, Kén 0,99998 Réz 0,99999 Víz 0,

10 ρ és μ a hőmérséklet változásával módosul, tehát változik a behatolási mélység: 10

11 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! 10,00 Eindringtiefe mm 1,00 0,10 0, Temperatur C 11

12 Elektromagnetische Eindringtiefe 10 Eisen 15 C 1 mm 0,1 Silber 15 C Kupfer 15 C Aluminium 15 C Kupfer 400 C Messing 15 C Aluminium 600 C Messing 800 C Nickel 1450 C Eisen 840 C 0, Frequenz ( Hz ) 12

13 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 13 Frekvencia: khz 13

14 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

15 Olvasztás 15

16 Kovácsolás 16

17 Inductoforge: Indukciós hevítőgép kovácsolási műveletekhez 17

18 Kovácsolási hevítési határok azonos induktorral Max 70% 50% Max. tömb átmérő Régi határ - 70% Max. Átm. 18

19 Hőmérséklet profil modul szabályozással az egyenletes hőmérséklet eloszlásért 1400 (3x 1.5 méter hosszú tekercs hevít 50mm átmérőjű cénacélt 1232 C) kW Surface 1000 Center kW 310kW Pod 1 Pod 2 19 Idő (sec) Pod 3

20 Csőhegesztés, varrat lágyítás 20

21 Forrasztás Kemény forrasztás Forraszanyagok: Ezüst, arany, réz, (1083 C) Lágy forrasztás: Forraszanyagok: Ón, bizmut, kadmium, Ólom, cink (419,4 C) 21

22 Indukciós kéregedzés 22

23 Szövetszerkezet változás szükséges! A cél: Martensit A martensit az austenitből gyors hűtés mellet alakul ki. Az átalakulást térfogatváltozás követ! Kb. +4 % 23

24 A vas-szén állapotábra: 24

25 Az indukciós edzés 25

26 A széntartalom és a keménység összefüggése: 26

27 Jominy teszt, átedzhetőség, elérhető edzési mélység 27

28 C35-ös ötvözetlen szénacél átedzhetőségi grafikonja: Härtbarkeitsstreuband C35 Megfelelő hűtéssel elérhető felületi keménység: HRC, A felületi keménység 80%-a (55HRc) = 44 HRc a edzett kéreg vastagsága Elérhető edzési mélység, 1-5 mm 28

29 ZTU-Diagramm C35 Min 950 C (gyorsaustenitesítés!) Innen kell lehűteni, hogy 100% Martensitet érjünk el Elérhető szövetarány %-os megoszlásba n a mindenkori lehülési görbéhez, itt 40% Ferrit és 60% Perlit Időtengely sec (logaritmikus) Csak 0,7 másodperc a Martensit kezdeti hőmérsékletig! Az elért keménység HV-ben a mindenkori lehülési görbéhez Ms ( C ) = *%C - 40*%Mn 20*%Cr - 10*%Mo - 17*%Ni 29

30 C45 Kémiai összetétel C 0,45 Si 0,25 Mn 0,65 S <0,03 30

31 Vegyi összetétel: C 0,60 Si 0,25 Mn 0,75 S <0,03 Ck 60 31

32 Kémiai összetétel: C 0,42 Si 0,25 Mn 0,70 Cr 1,05 S <0,035 41Cr4 32

33 Kémiai összetétel: C 0,42 Si 0,25 Mn 0,75 Cr 1,10 Mo 0,22 42CrMo4 33

34 Kémiai összetétel: 100Cr6 C 1,00 Si 0,25 Mn 0,35 Cr 1,50 34

35 Változtatható frekvenciás indukciós hőkezelés IFP Transzformátor technológia Új egyedülálló és szabadalmaztatott transzformátor technológia EGY transzformátor széles alkalmazási területre IFP Transzformátor I = Independant controlled F = Frequency & P = Power Teljesítmény & Frekvencia Terhelés alatt szabadon változtatható 35

36 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

37 IFP transzformátor - alkalmazások Egyszerű és kényelmes kezelés, áttekinthető kijelzése az alkalmazási állapotnak 37

38 IFP transzformátor - alkalmazások IFP Hevítési folyamatokra Kéreg és átedzés Megeresztés (feszmentesítés) Termikus olvasztás Termikus illesztés, kalibrálás, zsugorítás Forrasztás Speciális alkalmazások 38

39 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

40 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

41 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 40 khz 30 khz 25 khz 35 khz 10 khz 10 khz 10 khz 41

42 IFP transzformátor - alkalmazások Optimális edzési kontúr a frekvencia igazításával 40 khz 40 khz 15 khz 7 khz 15 khz 40 khz / 4,5 sec 20 khz 42

43 IFP transzformátor - alkalmazások A változó frekvencia felhasználási lehetőségei A változtatható frekvencia csökkenti a repedésterjedést 30 khz 20 khz 8 khz 6 khz 15 khz 43

44 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

45 Indukciós kéregedző alkalmazások jellemző munkadarabok 45 45

46 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 ) 46

47 Edzési mélység - kéregvastagság 47

48 Edzési terület Kéregedzett és a teljes munkadarab megeresztett HV10 CHD / Rht 425 = 0,4 + 0,4 Hol kell edzeni és hol megengedett az edzés? 48

49 Indukciós edzés számítógépes modellezése 49

50 Indukciós kéregedzés alkalmazások: Lehet szkennelő eljárás Lehet statikus, álló eljárás 50

51 Indukciós kéregedzés alkalmazások: Lehet függőleges eljárás Lehet vízszintes eljárás 51

52 Indukciós kéregedzés alkalmazások: Álló-forgó eljárás 52

53 Indukciós kéregedzés alkalmazások: Teljes felület eljárás 53

54 Indukciós edzéssel szerkezetileg erősített alkatrészek személy- és teherautókhoz 54

57 Fékkulcs profil és szár edzés egy lépésben, egy induktorral (3 tengelyes gép) 57

58 Indukciós alkalmazások: Fogaskerék edzés 58

59 Indukciós alkalmazások Szinkrongyűrű indukciós edzése 59

60 Indukciós alkalmazások: Golyósorsó anya edzése 60

61 Indukciós alkalmazások: Acél hüvely külső átmérő és váll edzése 61

62 Indukckiós alkalmazások: Furat edzés 62

63 Indukciós alkalamazások: Tengely edzés 63

64 Indukciós alkalmazások: Persely belső felület edzés 64

65 Vezérműtengely edzése Védőgáz alatt Védőgáz nélkül 65

66 Speciális berendezések Vezérműtengely edzőberendezés Sík induktor, egyszerre 8 bütyök edzése 66

67 Speciális berendezések Személyautó vezérműbütyök edző és megeresztő berendezés 67 67

68 Speciális berendezések Edzés és kalibrálás tüske segítségével Folyamat Forgóasztal Automata töltés Megfigyelő pozícionálás Hibás darab kitérő 68 68

69 Csapszeg edző berendezés Nagy sebességű három állásos ejtő mechanikás edzőgép Kihozatal kb. 100 db / min 69

70 Speciális berendezések Tengely edző berendezés Egycsatornás vízszintes edzőberendezés indukciós edzésre és megeresztésre Átmérők: mm Hosszok: 2-6 Meter 70 Előtolási sebesség: 20 mm/sec. ø 60 mm 85 mm/sec. ø 20 mm (anyag: Cf53) 70

71 Inductoscan hevítő berendezés Motoralkatrész átmelegítés zsugor alkalmazásokhoz hőmérséklet felügyelettel 71 71

72 Féktárcsa hevítés Indukciós hevítő berendezés egy teherautó féktárcsához a valós üzemeltetési feltételek szimulálásához laborkörülmények között 72 72

73 Néhány induktor és zuhany 73

74 Anealing colours Tempering colours By radiation By colour of oxides 74