Получение твердости при использовании концентраторов магнитного потока

 

Доктор Валерий Руднев, Рэй Кук, Дон Лавлесс

Inductoheat Inc.

 

 

Индукционная закалка стали при температуре аустенизации может привести к снижению твердости или отжигу смежных областей материала, которые были закалены предварительно.

Это очень важно при индукционной закалке коленвалов, распредвалов, зубчатых колес и деталей сложной формы. Сложность этой проблемы вытекает из того, что благодаря распространению электромагнитного поля, вихревые токи наводятся не только в заготовке, находящейся непосредственно под индуктором, но и в смежных областях. Результирующие вихревые токи выделяют тепло, которое может быть причиной нежелательного изменения структуры металла в этих областях. На различных стадиях цикла нагрева степень нагрева смежных областей может изменяться.

Особенностью индукционного нагрева деталей из углеродистых сталей является то, что заготовка располагается в индукторе соленоидального типа (рисунок 1). На первой стадии цикла нагрева наружная поверхность заготовки обладает магнитными свойствами, КПД индуктора высок и идет интенсивный нагрев областей, расположенных под индуктором. Из-за хорошей связи любая площадь поверхности заготовки, расположенная под индуктором (области А и В на рисунке 1) будет нагреваться гораздо более интенсивно, чем любая другая смежная область (например, область С на рисунке 1).

Рисунок 1 – Эскиз системы для индукционной закалки

 

 Спустя короткое время, поверхность нагреется до температуры точки Кюри, магнитная проницаемость упадет до 1, поверхностный слой станет немагнитным и интенсивность нагрева резко упадет. На этой стадии индуктор имеет не такой хороший коэффициент связи, как это было на первой стадии, когда вся заготовка обладала магнитными свойствами. Хотя поверхность детали потеряла магнитные свойства, смежные области сохранили их. Следовательно, коэффициент связи этих областей не будет уменьшаться, и большая часть электромагнитного поля будет концентрироваться в этих смежных областях.

 Итак, для того чтобы достичь малого времени цикла и сохранить интенсивность нагрева этой поверхности, расположенной под индуктором на том же уровне, который имел место быть в течение первой стадии нагрева, система может автоматически увеличить мощность, выделяемую в индукторе на поверхностях, прошедших точку Кюри. Это, естественно, приведет к дополнительному нагреву магнитных областей детали, расположенных в окрестностях индуктора, что будет приводить к снижению твердости этих областей.

 Магнитные концентраторы поля позволяют уменьшить связь между индуктором и прилегающими электрически связанными областями. Это уменьшает нежелательный нагрев этих областей, а также уменьшает результирующее снижение твердости (эффект отжига). Концентраторы обычно располагают в конечных областях индуктора. В результате этого, интенсивность электромагнитного поля в смежных областях резко уменьшается, так как концентратор обеспечивает области предпочтительного расположения магнитных линий, таким образом, что они обходят смежные области.

 

 Как концентраторы поля улучшают процесс

 

Результаты моделирования распространения магнитного поля на закаливаемой поверхности деталей сложной формы (например, элемент коленвала или других автомобильных деталей) приведены на рисунках 2 и 3. Эти результаты получены в компании INDUCTOHEAT Inc при использовании численного моделирования в исследовательских проектах, направленных на развитие применения индукционного нагрева в индукционной промышленности.

Рисунок 2 – Распределение электромагнитного поля в системе «заготовка − двухвитковый цилиндрический индуктор без концентратора поля»

 

Рисунок 3 – Распределение электромагнитного поля в системе «заготовка − двухвитковый цилиндрический индуктор с концентратором поля»

 

 Вектор магнитного потенциала поля, локализованного вокруг двухвиткового цилиндрического индуктора, показан на рисунке 2. Без концентратора магнитное поле будет распространяться вокруг индуктора и связанных с ним смежных электропроводящих областей, детали и, возможно, в элементах нагревательной установки и элементах крепления детали.

 Концентратор поля формирует канал распространения силовых линий поля основного магнитного потока индуктора в четко определенные требуемые области. После расположения магнитного концентратора поля вокруг индуктора, как это показано на рисунке 3, только малая часть электромагнитного поля индуктора будет достигать смежных областей. Например, при индукционной закалке распредвала, соответствующее использование магнитного концентратора поля позволяет уменьшить плотность энергии, индуцируемой в смежных областях от 4 до 12 раз по сравнению с использованием индуктора без концентратора.

 В то же самое время, токи, наводимые в заготовке, непосредственно под витками индуктора практически равны токам, протекающим в соответствующих витках индуктора. Магнитный концентратор будет сжимать ток на поверхности индуктора, непосредственно охватывающей заготовку. Концентрация тока на этой поверхности индуктора является результатом высокого коэффициента связи системы «индуктор – заготовка» и, как следствие, повышения эффективности процесса нагрева.

 Вообще говоря, эффективность концентратора магнитного потока зависит от различных факторов, таких как его расположение, частота, напряженность магнитного поля, свойства материала и геометрия системы индукционного нагрева. Необходимо проявлять особую осторожность в области острых углов концентратора, которые имеют тенденцию к перегреву из-за электромагнитного краевого эффекта.

 Производители оборудования для индукционной термообработки нашли, что разработка и применение приемов управления полем имеет все большее и большее значение при уменьшении размеров и увеличении качества систем индукционного нагрева. Перед началом разработки должны быть проведены детальное математическое моделирование и лабораторные исследования магнитных концентраторов поля для определения успешности их применения в процессах индукционного нагрева. Такая детальная оценка электромагнитного поля была проведена на начальной стадии разработки вертикальной двухшпиндельной установки для закалки распредвалов (рисунок 4).

 

Рисунок 4 – Вертикальная двухшпиндельная установка для закалки распредвалов

 

 С особой осторожностью нужно применять концентраторы поля с многовитковыми индукторами. На многовитковых индукторах прикладываемое к ним напряжение может достигать больших величин, что может привести к пробою изоляции и короткому замыканию через концентратор поля. В этом случае надежность электрической изоляции играет значительную роль в конструкции индуктора.

 Различные способы применения могут требовать различных типов магнитных концентраторов поля. Выбор материала концентратора зависит от нескольких факторов, для которых чем большее значение величины параметра является предпочтительным. Среди них:

 - Относительная магнитная проницаемость;

 - Электрическое сопротивление;

 - Теплопроводность;

 - Точка Кюри;

 - Магнитная индукция насыщения;

 - Пластичность.

 Для других важных факторов предпочтительным является меньшее значение величины параметра. Среди них:

 - Потери на гистерезис;

 - Потери, вызываемые вихревыми токами.

 Дополнительные факторы, которые подлежат рассмотрению, включают: способность к охлаждению, устойчивость к высоким температурам, устойчивость к химическому воздействию охлаждающих жидкостей, обрабатываемость, гибкость, простота в монтаже, стоимость, которая зависит материала концентратора, рабочая частота и форма нагревательной системы.

 

 Обзор материалов концентраторов поля

 

Материалы, наиболее часто используемые при индукционном нагреве  для концентраторов поля:

 - Магнитные пластины;

 - Электролитическое железо, карбонильные материалы на основе железа;

 - Материалы на основе феррита;

 - Мягкие, гибкие материалы.

 Магнитные пластины являются адаптацией в область индукционного нагрева опыта, накопленного при создании сердечников электрических машин и трансформаторов. При изготовлении магнитных пластин применяются магнитные никель-железные сплавы с ориентированными кристаллами и холоднокатаные или горячекатаные сплавы на основе железо-кремний. Пакеты магнитных пластин набираются из предварительно вырубленных из листов пластин. Такие концентраторы поля эффективно используются на частотах до 30 килогерц. Магнитные пластины должны быть электрически изолированы друг от друга. Изоляция магнитных пластин обеспечивается минеральными и органическими покрытиями.

 Вообще говоря, при термообработке с использованием индукционного нагрева, используются магнитные пластины толщиной от 0,1 до 0,6 мм. При использовании этих пластин возникают некоторые проблемы. Магнитные пластины обычно чувствительны к агрессивным средам, таким как охлаждающие жидкости, что может приводить к коррозии. Когда пакет пластин недостаточно сильно стянут, в нем могут появляться вибрации, что в результате приводит к механическим повреждениям, шуму и, как следствие, поломке индуктора или нарушению всего процесса нагрева.

 Одним из главных преимуществ использования магнитных пластин является то, что они достаточно недороги и могут выдерживать достаточно высокие температуры лучше других материалов. Пакеты пластин с установкой изоляции также могут быть использованы для закрепления индуктора.

 Электролитические и карбонильные материалы на основе железа лучше обрабатываются и широко применяются в современном индукционном нагреве. Некоторые сплавы предназначены для работы на частотах до 450 килогерц. Некоторые материалы этого класса предназначены специально для более низких частот. Остальные материалы изготавливаются на основе феррита. Ферриты являются плотными керамическими структурами и достаточно хрупки. Благодаря высокому электрическому сопротивлению, магнитные концентраторы, выполненные из феррита, обычно используются в сильных полях или на частотах 50 килогерц и выше. Некоторые материалы для концентраторов поставляются в мягком, упругом состоянии и им легко может быть придана требуемая форма, позднее они обрабатываются с требуемыми допусками, если это необходимо. В некоторых случаях, магнитные концентраторы поля могут изготавливаться из материалов, перечисленных выше. В других случаях, возможно применение и других материалов.

 Использование магнитных концентраторов поля в современном индукционном нагреве обеспечивает существенные выгоды, такие как улучшение электрического КПД процесса, обеспечение улучшенных режимов обработки, минимизация геометрических искажений заготовки и т.д. Опыт использования различных типов магнитных концентраторов поля (таких как Fluxtrol, Ferrotron, Alphaform и т.д.) в компании INDUCTOHEAT показывает, что во многих случаях,  дополнительная стоимость применения концентраторов поля меньше по сравнению с выгодами, которые получаются при улучшении функционирования системы нагрева.

 

 Основные области применения концентраторов поля

 

 Один из тонких вопросов, который обычно не обсуждается в большинстве публикаций – это надежность концентраторов поля. Обычно концентраторы поля паяются, крепятся на резьбовом соединении или, в некоторых случаях, просто приклеиваются к индуктору. Со временем, в зависимости от различных факторов, это может привести к неожиданным сдвигам или перемещениям концентратора в нештатную позицию. Обычно магнитный концентратор располагается в области сильных магнитных полей. Поэтому на концентраторы действуют электромагнитные силы. Со временем, в результате действия этих сил, крепление концентратора может ослабнуть.

 В дополнение к электромагнитным силам ослабление крепления может быть вызвано перепадом температур. Во время цикла работы концентратор может быть нагрет до 250ºС. Затем, во время охлаждения, он может остыть до температуры охлаждающей среды. При стандартной закалке поверхности такой цикл «нагрев – охлаждение» может повторяться от 200 до 600 раз за час. Благодаря последовательности циклов «нагрев – охлаждение» имеет место явление «расширение – сжатие» концентратора поля. Перепад температур может также привести к тому, что концентратор поля переместится или займет нештатное положение. В результате этого режим нагрева и, как следствие, режим закалки, изменятся.

 Неожиданные изменения режима закалки могут привести к существенным повреждениям. Например, в автомобильной промышленности это может привести к тому, что автомобиль будет отозван для замены бракованных деталей. Для предотвращения таких ситуаций концентратор поля время от времени необходимо контролировать и, если необходимо, ремонтировать. В некоторых случаях устанавливается специальная система мониторинга, определяющая изменения в работе концентратора. Однако, установка такой системы может в результате привести к повышению стоимости оборудования.

 Заключение

 При выборе материала концентратора, термообработчик может быть приведен в растерянность широким ассортиментом имеющихся на рынке предложений. Некоторые производители магнитных концентраторов поля могут заявлять, что их продукция лучше подходит к определенным условиям индукционного нагрева, чем остальные. Компания INDUCTOHEAT имеет опыт использования различных материалов для магнитных концентраторов и будет счастлива передать наши знания при проведении независимой экспертизы.

 При выборе концентратора магнитного поля в случае стандартного применения, вышеупомянутые параметры, по которым производится выбор, должны быть тщательно проанализированы. В то же время, особая тщательность необходима при определении положения концентратора, его формы и применяемой частоты. В случаях, когда необходимо рассмотрение большого количества факторов для получения требуемого режима нагрева, особенно важными становятся возможности, которые предоставляются при моделировании, что дает безусловную фору перед компаниями, которые пользуются только накопленными опытом и ошибками.

Общество с ограниченной ответственностью

«Индукционные Машины»

 

ИНН 0278194207 КПП 027801001

ОГРН 1120280048030

ОКАТО 80401390000 ОКПО 12702813

ОКОГУ 4210014 ОКФС 16 ОКОПФ 12165

Тел: +7(347)285-75-13

e-mail: im@imltd.ru

www: imltd.ru

 

Юридический адрес

450078, РБ, г.Уфа, ул. Владивостокская, 1а

Физический адрес

450071, г.Уфа, ул. 50 лет СССР, 39, корп.6

Почтовый адрес

450064, а/я 75

Яндекс.Метрика
Каталог предприятий: Официальные сайты фирм, адреса и телефоны организаций

Индукционные Машины, 2017

Закалочные станки * Индукционные установки * Электротермическое оборудование * Индукционные  вихревые нагреватели