El endurecimiento por inducción es un tipo de endurecimiento superficial en el que una pieza de metal se calienta por inducción y luego se enfría . El metal enfriado sufre una transformación martensítica , lo que aumenta la dureza y la fragilidad de la pieza. El endurecimiento por inducción se utiliza para endurecer selectivamente áreas de una pieza o conjunto sin afectar las propiedades de la pieza en su conjunto. [1]
El calentamiento por inducción es un proceso de calentamiento sin contacto que utiliza el principio de inducción electromagnética para producir calor dentro de la capa superficial de una pieza de trabajo. Al colocar un material conductor en un campo magnético alterno fuerte , se puede hacer que fluya corriente eléctrica en el material, creando así calor debido a las pérdidas I2R en el material. En los materiales magnéticos, se genera más calor por debajo del punto de Curie debido a las pérdidas por histéresis . La corriente generada fluye predominantemente en la capa superficial, y la profundidad de esta capa está determinada por la frecuencia del campo alterno, la densidad de potencia de la superficie, la permeabilidad del material, el tiempo de calentamiento y el diámetro de la barra o el espesor del material. Al enfriar esta capa calentada en agua, aceite o un temple a base de polímeros , la capa superficial se altera para formar una estructura martensítica que es más dura que el metal base. [2]
Un proceso ampliamente utilizado para el endurecimiento superficial del acero. Los componentes se calientan mediante un campo magnético alterno a una temperatura dentro o por encima del rango de transformación seguido de un enfriamiento inmediato. El núcleo del componente permanece inalterado por el tratamiento y sus propiedades físicas son las de la barra a partir de la cual se mecanizó, mientras que la dureza de la carcasa puede estar dentro del rango de 37/58 HRC . Los aceros al carbono y aleados con un contenido de carbono equivalente en el rango de 0,40/0,45% son los más adecuados para este proceso. [1]
Se hace pasar una gran corriente alterna a través de una bobina, lo que genera un campo magnético muy intenso y que cambia rápidamente en el espacio interior. La pieza que se va a calentar se coloca dentro de este campo magnético alterno, donde se generan corrientes parásitas dentro de la pieza y la resistencia provoca un calentamiento Joule del metal.
Muchas piezas mecánicas, como ejes, engranajes y resortes, se someten a tratamientos superficiales después del mecanizado para mejorar el comportamiento frente al desgaste. La eficacia de estos tratamientos depende tanto de la modificación de las propiedades de los materiales de la superficie como de la introducción de tensiones residuales . Entre estos tratamientos, el endurecimiento por inducción es uno de los más utilizados para mejorar la durabilidad de los componentes. Determina en la pieza de trabajo un núcleo tenaz con tensiones residuales de tracción y una capa superficial dura con tensiones de compresión , que han demostrado ser muy eficaces para extender la vida útil del componente por fatiga y la resistencia al desgaste . [3]
Los aceros de bajo contenido de carbono y baja aleación endurecidos superficialmente por inducción se utilizan ampliamente en aplicaciones críticas de automoción y maquinaria que requieren una alta resistencia al desgaste. El comportamiento de resistencia al desgaste de las piezas endurecidas por inducción depende de la profundidad de endurecimiento y de la magnitud y distribución de la tensión de compresión residual en la capa superficial. [2]
La base de todos los sistemas de calentamiento por inducción fue descubierta en 1831 por Michael Faraday . Faraday demostró que al enrollar dos bobinas de alambre alrededor de un núcleo magnético común era posible crear una fuerza electromotriz momentánea en el segundo devanado al encender y apagar la corriente eléctrica en el primer devanado. Observó además que si la corriente se mantenía constante, no se inducía ninguna fuerza electromotriz en el segundo devanado y que esta corriente fluía en direcciones opuestas, independientemente de si la corriente aumentaba o disminuía en el circuito. [4]
Faraday concluyó que una corriente eléctrica puede ser producida por un campo magnético cambiante. Como no había conexión física entre los devanados primario y secundario, se decía que la fem en la bobina secundaria era inducida y así nació la ley de inducción de Faraday . Una vez descubiertos, estos principios se emplearon durante el siglo siguiente aproximadamente en el diseño de dinamos ( generadores eléctricos y motores eléctricos , que son variantes de lo mismo) y en formas de transformadores eléctricos . En estas aplicaciones, cualquier calor generado en los circuitos eléctricos o magnéticos se consideraba indeseable. Los ingenieros hicieron grandes esfuerzos y utilizaron núcleos laminados y otros métodos para minimizar los efectos. [4]
A principios del siglo pasado, se exploraron los principios como un medio para fundir acero, y se desarrolló el generador de motor para proporcionar la energía necesaria para el horno de inducción . Después de la aceptación general de la metodología para fundir acero, los ingenieros comenzaron a explorar otras posibilidades para el uso del proceso. Ya se entendía que la profundidad de penetración de la corriente en el acero era una función de su permeabilidad magnética, resistividad y la frecuencia del campo aplicado. Los ingenieros de Midvale Steel y The Ohio Crankshaft Company se basaron en este conocimiento para desarrollar los primeros sistemas de calentamiento por inducción de endurecimiento de superficies utilizando generadores de motor. [5]
La necesidad de sistemas rápidos y fácilmente automatizados condujo a avances masivos en la comprensión y el uso del proceso de endurecimiento por inducción y, a fines de la década de 1950, muchos sistemas que utilizaban generadores de motor y osciladores de triodo de emisión termoiónica se usaban regularmente en una amplia gama de industrias. Las unidades de calentamiento por inducción modernas utilizan lo último en tecnología de semiconductores y sistemas de control digital para desarrollar una gama de potencias que van desde 1 kW hasta muchos megavatios .
En los sistemas de inyección única, el componente se mantiene de forma estática o rota en la bobina y toda la zona a tratar se calienta simultáneamente durante un tiempo preestablecido, seguido de un enfriamiento por inmersión o por goteo. El sistema de inyección única se utiliza a menudo en casos en los que ningún otro método consigue el resultado deseado, por ejemplo, para el endurecimiento de las caras planas de los martillos, el endurecimiento de los bordes de herramientas de formas complejas o la producción de engranajes pequeños. [6]
En el caso del endurecimiento de ejes, otra ventaja de la metodología de inyección única es el tiempo de producción en comparación con los métodos de endurecimiento transversal progresivo. Además, la capacidad de utilizar bobinas que pueden crear un flujo de corriente longitudinal en el componente en lugar de un flujo diametral puede ser una ventaja con determinadas geometrías complejas.
El método de un solo disparo tiene sus desventajas. El diseño de la bobina puede ser un proceso extremadamente complejo y laborioso. A menudo se requiere el uso de materiales de carga laminados o de ferrita para influir en las concentraciones del campo magnético en áreas determinadas y, de ese modo, refinar el patrón de calor producido. Otro inconveniente es que se requiere mucha más energía debido a la mayor área de superficie que se calienta en comparación con un método transversal. [7]
En los sistemas de endurecimiento transversal, la pieza de trabajo pasa a través de la bobina de inducción de forma progresiva y se utiliza un anillo o pulverizador de temple posterior. El endurecimiento transversal se utiliza ampliamente en la producción de componentes de tipo eje, como ejes, pasadores de cucharas de excavadoras, componentes de dirección, ejes de herramientas eléctricas y ejes de transmisión. El componente se alimenta a través de un inductor de tipo anillo que normalmente presenta una sola espira. El ancho de la espira está determinado por la velocidad transversal, la potencia disponible y la frecuencia del generador. Esto crea una banda de calor móvil que, cuando se enfría, crea la capa superficial endurecida. El anillo de temple puede ser parte integral de una disposición posterior o una combinación de ambos, según los requisitos de la aplicación. Al variar la velocidad y la potencia, es posible crear un eje que se endurezca en toda su longitud o solo en áreas específicas y también endurecer ejes con escalones de diámetro o estrías. Es normal, al endurecer ejes redondos, girar la pieza durante el proceso para garantizar que se eliminen las variaciones debidas a la concentricidad de la bobina y el componente.
Los métodos transversales también se utilizan en la producción de componentes de borde, como cortadores de papel, cuchillos para cuero, cuchillas inferiores de cortadoras de césped y hojas de sierra para metales. Este tipo de aplicaciones normalmente utilizan una bobina de horquilla o una bobina de flujo transversal que se coloca sobre el borde del componente. El componente avanza a través de la bobina y un siguiente enfriamiento por pulverización que consta de boquillas o bloques perforados.
Se utilizan muchos métodos para proporcionar el movimiento progresivo a través de la bobina y se utilizan sistemas tanto verticales como horizontales. Estos normalmente emplean un codificador digital y un controlador lógico programable para el control de posición, conmutación, monitoreo y configuración. En todos los casos, la velocidad de desplazamiento debe controlarse de cerca y ser constante, ya que la variación de la velocidad tendrá un efecto en la profundidad de dureza y el valor de dureza alcanzado.
Las fuentes de alimentación para el endurecimiento por inducción varían en potencia desde unos pocos kilovatios hasta cientos de kilovatios dependiendo del tamaño del componente a calentar y del método de producción empleado, es decir, endurecimiento por disparo único, endurecimiento transversal o endurecimiento sumergido.
Para seleccionar la fuente de alimentación correcta, primero es necesario calcular la superficie del componente que se va a calentar. Una vez que se ha establecido esto, se pueden utilizar diversos métodos para calcular la densidad de potencia necesaria, el tiempo de calentamiento y la frecuencia de funcionamiento del generador. Tradicionalmente, esto se hacía utilizando una serie de gráficos, cálculos empíricos complejos y experiencia. Las técnicas modernas suelen utilizar análisis de elementos finitos y técnicas de fabricación asistidas por ordenador ; sin embargo, como ocurre con todos estos métodos, sigue siendo necesario un conocimiento práctico profundo del proceso de calentamiento por inducción.
Para aplicaciones de un solo disparo, se debe calcular el área total que se va a calentar. En el caso del endurecimiento transversal, la circunferencia del componente se multiplica por el ancho de la cara de la bobina. Al seleccionar el ancho de la cara de la bobina, se debe tener cuidado de que sea práctico construir la bobina del ancho elegido y de que funcione con la potencia requerida para la aplicación.
Los sistemas de calentamiento por inducción para el endurecimiento están disponibles en una variedad de frecuencias de funcionamiento diferentes, generalmente de 1 kHz a 400 kHz. Hay frecuencias más altas y más bajas disponibles, pero generalmente se utilizan para aplicaciones especializadas. La relación entre la frecuencia de funcionamiento y la profundidad de penetración de la corriente y, por lo tanto, la profundidad de endurecimiento es inversamente proporcional, es decir, cuanto menor sea la frecuencia, más profunda será la carcasa.
La tabla anterior es puramente ilustrativa. Se pueden obtener buenos resultados fuera de estos rangos si se equilibran las densidades de potencia, la frecuencia y otras consideraciones prácticas, incluido el costo, que puede influir en la selección final, el tiempo de calentamiento y el ancho de la bobina. Además de la densidad de potencia y la frecuencia, el tiempo durante el cual se calienta el material influirá en la profundidad a la que fluirá el calor por conducción. El tiempo en la bobina puede verse influenciado por la velocidad transversal y el ancho de la bobina; sin embargo, esto también tendrá un efecto en el requisito de potencia general o en el rendimiento del equipo.
De la tabla anterior se desprende que la selección del equipo correcto para cualquier aplicación puede ser extremadamente compleja, ya que se puede utilizar más de una combinación de potencia, frecuencia y velocidad para obtener un resultado determinado. Sin embargo, en la práctica, muchas selecciones son inmediatamente obvias en función de la experiencia previa y la practicidad.
El proceso es aplicable a materiales magnéticos conductores de electricidad como el acero.
Se pueden procesar piezas largas como ejes.