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 hagyományos eljárásokkal nem érhetők el. 7
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 Anyag µ r Ferromágneses Kobalt 100-400 anyagok Nikkel 200-500 Vas 300-6000 Permalloy ötvözetek 5000-300000 Paramágneses Platina 1,0000004 anyagok Alumínium 1,0000043 Mangán 1,0004 Diamágneses Arany 0,99997 anyagok Ezüst 0,999975 Kén 0,99998 Réz 0,99999 Víz 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! 10,00 Eindringtiefe mm 1,00 0,10 0,01 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Temperatur C 11
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 0,01 100 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 13 Frekvencia: 50 200 khz 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 1400 (3x 1.5 méter hosszú tekercs hevít 50mm átmérőjű cénacélt 1232 C) 1200 500kW Surface 1000 Center 800 600 370kW 310kW 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pod 1 Pod 2 19 Idő (sec) Pod 3
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 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 ) = 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
Vegyi összetétel: C 0,60 Si 0,25 Mn 0,75 S <0,03 Ck 60 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
Kémiai összetétel: 100Cr6 C 1,00 Si 0,25 Mn 0,35 Cr 1,50 34
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
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 40 khz 30 khz 25 khz 35 khz 10 khz 10 khz 10 khz 41
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
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
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 Megfigyelő pozícionálás Hibás darab kitérő 68 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 70 Előtolási sebesség: 20 mm/sec. ø 60 mm 85 mm/sec. ø 20 mm (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 Tempering colours By radiation By colour of oxides 74