El endurecimiento por inducción es un tipo de endurecimiento superficial en el que una pieza metálica se calienta por inducción y luego se enfría . El metal templado sufre una transformación martensítica , aumentando la dureza y 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 fuerte campo magnético alterno , se puede hacer que la corriente eléctrica fluya en el material, creando así calor debido a las pérdidas de I 2 R en el material. En los materiales magnéticos, se genera más calor por debajo del punto Curie debido a las pérdidas por histéresis . La corriente generada fluye predominantemente en la capa superficial, siendo dictada la profundidad de esta capa por la frecuencia del campo alterno, la densidad de potencia superficial, 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 enfriamiento a base de polímero , 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 rápido. El núcleo del componente no se ve afectado por el tratamiento y sus propiedades físicas son las de la barra a partir de la cual fue mecanizado, mientras que la dureza de la caja puede estar dentro del rango 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]
Una gran corriente alterna pasa a través de una bobina, generando un campo magnético muy intenso y que cambia rápidamente en el espacio interior. La pieza de trabajo que se va a calentar se coloca dentro de este campo magnético alterno donde se generan corrientes parásitas dentro de la pieza de trabajo y la resistencia conduce al calentamiento Joule del metal.
Muchas piezas mecánicas, como ejes, engranajes y resortes, se someten a tratamientos superficiales después del mecanizado para mejorar el comportamiento al desgaste. La eficacia de estos tratamientos depende tanto de la modificación de las propiedades de los materiales superficiales 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 prolongar la vida útil a la fatiga y la resistencia al desgaste del componente . [3]
Los aceros de medio carbono de baja aleación y endurecidos superficialmente por inducción se utilizan ampliamente para aplicaciones críticas de automóviles y máquinas que requieren una alta resistencia al desgaste. El comportamiento de resistencia al desgaste de las piezas endurecidas por inducción depende de la profundidad del 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 EMF en el segundo devanado y que esta corriente fluía en direcciones opuestas dependiendo de si la corriente aumentaba o disminuía en el circuito. [4]
Faraday concluyó que se puede producir una corriente eléctrica mediante 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 en el diseño de dinamos ( generadores eléctricos y motores eléctricos , que son variantes de la misma cosa) y en formas de transformadores eléctricos . En estas aplicaciones, se consideró indeseable cualquier calor generado en los circuitos eléctricos o magnéticos. Los ingenieros hicieron todo lo posible y utilizaron núcleos laminados y otros métodos para minimizar los efectos. [4]
A principios del siglo pasado se exploraron estos principios como medio para fundir acero y se desarrolló el motor generador 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 sabía que la profundidad de la penetración de la corriente en el acero era función de su permeabilidad magnética, resistividad y frecuencia del campo aplicado. Los ingenieros de Midvale Steel y The Ohio Crankshaft Company aprovecharon este conocimiento para desarrollar los primeros sistemas de calentamiento por inducción de endurecimiento de superficies utilizando motogeneradores. [5]
La necesidad de sistemas rápidos y fácilmente automatizables condujo a avances masivos en la comprensión y el uso del proceso de endurecimiento por inducción y, a finales de la década de 1950, muchos sistemas que utilizaban generadores de motor y osciladores de triodo de emisión termoiónica se utilizaban regularmente en una amplia gama de industrias. Las unidades modernas de calentamiento por inducción 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 disparo único, el componente se mantiene estático o se gira en el serpentín y toda el área a tratar se calienta simultáneamente durante un tiempo preestablecido, seguido de un sistema de enfriamiento por inundación o por caída. El disparo único se utiliza a menudo en casos en los que ningún otro método logrará el resultado deseado, por ejemplo, para el endurecimiento de caras planas de martillos, el endurecimiento de 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 disparo único 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 cierta geometría compleja.
Existen desventajas con el enfoque de disparo único. El diseño de la bobina puede ser un proceso extremadamente complejo y complicado. A menudo se requiere el uso de ferrita o materiales de carga laminados para influir en las concentraciones del campo magnético en áreas determinadas y así refinar el patrón de calor producido. Otro inconveniente es que se requiere mucha más potencia debido a la mayor superficie que se calienta en comparación con un enfoque transversal. [7]
En los sistemas de endurecimiento transversal, la pieza de trabajo pasa progresivamente a través de la bobina de inducción y a continuación se utiliza un rociador o anillo de enfriamiento. El endurecimiento transversal se utiliza ampliamente en la producción de componentes tipo eje, como semiejes, pasadores de cucharón de excavadora, 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 vuelta. El ancho del giro está dictado por la velocidad de avance, la potencia disponible y la frecuencia del generador. Esto crea una banda móvil de calor que, cuando se apaga, crea la capa superficial endurecida. El anillo de enfriamiento puede ser integral o una combinación de ambos, sujeto a los requisitos de la aplicación. Variando la velocidad y la potencia es posible crear un eje endurecido en toda su longitud o sólo en zonas específicas y también endurecer ejes con escalones de diámetro o estrías. Al endurecer ejes redondos, es normal rotar la pieza durante el proceso para garantizar que se elimine cualquier variación debida a la concentricidad de la bobina y el componente.
Los métodos transversales también se utilizan en la producción de componentes de borde, como cuchillos para papel, cuchillos para cuero, hojas inferiores de cortacésped y hojas de sierra para metales. Estos tipos 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 del serpentín y luego de un 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. Normalmente emplean un codificador digital y un controlador lógico programable para el control posicional, conmutación, monitoreo y configuración. En todos los casos, la velocidad de recorrido debe controlarse estrechamente y ser constante, ya que la variación de la velocidad tendrá un efecto en la profundidad de la 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 a calentar. Una vez establecido esto, se pueden utilizar diversos métodos para calcular la densidad de potencia requerida, 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, todavía se requiere un conocimiento práctico exhaustivo del proceso de calentamiento por inducción.
Para aplicaciones de un solo disparo, es necesario calcular el área total a calentar. En el caso del endurecimiento transversal, la circunferencia del componente se multiplica por el ancho de la cara de la bobina. Se debe tener cuidado al seleccionar el ancho de la cara de la bobina para que sea práctico construir la bobina del ancho elegido y que funcione con la potencia requerida para la aplicación.
Los sistemas de calentamiento por inducción para endurecimiento están disponibles en una variedad de frecuencias operativas diferentes, generalmente de 1 kHz a 400 kHz. Hay disponibles frecuencias más altas y más bajas, pero normalmente se utilizarán para aplicaciones especializadas. La relación entre la frecuencia de funcionamiento y la profundidad de penetración actual y, por tanto, la profundidad de dureza, es inversamente proporcional. es decir, cuanto menor es la frecuencia, más profundo es el caso.
La tabla anterior es puramente ilustrativa; se pueden obtener buenos resultados fuera de estos rangos equilibrando las densidades de potencia, la frecuencia y otras consideraciones prácticas, incluido el costo, que pueden 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 de calentamiento del material influirá en la profundidad a la que fluirá el calor por conducción. El tiempo en la bobina puede verse influenciado por la velocidad de recorrido y el ancho de la bobina; sin embargo, esto también tendrá un efecto en el requisito general de energía o en el rendimiento del equipo.
En la tabla anterior se puede ver 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 un resultado determinado. Sin embargo, en la práctica muchas selecciones son inmediatamente obvias según la experiencia previa y la practicidad.
El proceso es aplicable a materiales magnéticos eléctricamente conductores como el acero.
Se pueden procesar piezas de trabajo largas, como por ejemplo ejes.