熱処理における電磁誘導の応用は一般的でした。 しかし、高周波熱処理の現状は、開発の余地が大いにあることを示しています。
自動車および航空産業における効率と環境保護の要求、誘導電源の革新、および誘導熱処理プロセス シミュレーションの進歩はすべて、「黄金期」に入ろうとしている誘導熱処理技術の開発に貢献しています。年"。
効率と環境上の利点:
電磁誘導の基本的な特性は、環境意識と低コストの追求の時代に熱処理業界にとって魅力的です。 誘導加熱は、周囲の環境からコンポーネントに伝達されるのではなく、加熱されるコンポーネントで熱が生成される直接的な加熱方法です。 誘導加熱は表面とその下で熱を発生するため、高速であるだけでなく、通常は非常に効率的です。
多くの場合、誘導熱処理プロセスの電磁効率は非常に高くなります。 炭素鋼やマルテンサイト ステンレス鋼などの強磁性材料の高周波焼入れの場合、この効率は通常 70 ～ 80% の範囲です (このような材料の焼戻しでは 90% 近くになります)。 高周波焼入れは、部品への化学物質の拡散も伴いません。 したがって、高周波焼入れは一般に、浸炭や窒化などの熱化学的方法と比較して「よりクリーンな」方法であると考えられています。
誘導電源のイノベーション:
1950年代から1960年代にかけてのトランジスタ高周波電源の開発は、高周波熱処理の様相を大きく変えました。 1990 年代後半から 20 世紀初頭にかけての同期 20 周波電源の出現により、特に小型および中型のギアの硬化を誘導する能力が大幅に向上しました。 近年、誘導電力の開発が XNUMX 年近く遅れた後、革新的な技術が登場しました。実際に動作周波数を瞬時に変調できるインバーターです。
誘導加熱では、適用される電磁界の周波数 (つまり、誘導コイルを通過する交流電流の周波数) が、加熱されるコンポーネントの熱エネルギー生成の深度に影響を与えます。 交流電流を流す導体がほとんどの熱 (約 86%) を生成する深さは、通常、浸透深さと呼ばれます。 侵入深さ (δ) は、導体の抵抗率 (ρ)、透磁率 (μ)、および印加磁場の周波数 (F) の関数であり、次のように概算できます。
ケーススタディ: スキャン強化
スキャン硬化は、可変周波数電源の成熟したアプリケーションです。 周波数を変更する機能は、スキャンされた部品の長さに沿ったさまざまな形状の硬化要件を満たす理想的なソリューションを提供します。
図 1 は、中炭素鋼 (SAE 4140) シャフトのスキャン硬化プロセスを示し、適切なケース スタディを提供します。 この中空シャフトは、多くの現代の自動車部品の代表です。 その端はフランジの形をしています。 シャフト本体の直径は大きく異なり、移行部分の上部と下部の直径はそれぞれ約 45 mm と 50 mm です。
図 1. 中炭素鋼 (SAE 4140) シャフトの走査硬化プロセス
この 5 mm の直径の変化は、必要な硬化層の深さに比べて非常に大きく、電磁界と加熱の制御が困難になります。 直径遷移の内側の角では、周囲の比較的大量の材料に伝達するのに十分な熱を生成することが困難です。 0.5 mm の溝が存在すると、コイルとコンポーネント間のローカル結合が効果的に改善されますが、プロセスに追加の課題が生じます。 さらに、外側の角は外側に突き出てシングル ターン コイルの周囲の磁力線領域に入るため、過熱しやすくなります。
このようなコンポーネントの硬化に単一の周波数を使用する場合、約 30 mm の効果的な硬化深さを確保するために 2 kHz が選択される可能性があります。 図 2 に示すように、このプロセスでは、コンポーネントの長さの大部分に沿って良好な硬化が達成されますが、直径の移行に問題があります。
図 2. このプロセスでは、コンポーネントの長さの大部分に沿って良好な硬化が達成されましたが、直径の変化に問題がありました。
オーステナイト化（加熱）が不十分なため、溝に微量のマルテンサイトが生成します。 この領域のコイル電力を増やしたり、有効な加熱時間を延長したりすることは、論理的な修正と思われます。 ただし、これにより、隣接する外側のコーナーでのピーク温度がさらに上昇します。 この温度がすでに 1,060°C (1,940°F) のレベルにある場合、さらに上昇すると、望ましくない (そしておそらく許容できない) 局所的な粒子の運搬が発生する可能性があります。
内側アングルと外側アングルの距離がわずか3ミリなので、外側アングルの温度を上げずに内側アングルの温度を上げるのは至難の業に思えます。 しかし、図 3 に示すように、これはコイルが到達する直径遷移を加熱するときに周波数を変更することで成功しています。
図3. 径変化部加熱時の周波数を変えることで、外角ではなく内角の温度を上げることに成功。
インバーターの出力周波数を 30 kHz から 10 kHz に下げると、コンポーネントの浸透深さが約 1.7 倍になり、内側のコーナーでの電磁近接効果が減少し、外側のコーナーでの過熱のリスクが減少します。 この周波数の変化は、スロットの表面硬化層の深さを効果的に増加させ、隣接するショルダーのピーク温度をほぼ 40°C 低下させました。
この比較的単純なケース スタディは、可変周波数スキャン硬化システムの重要な品質上の利点を示しています。 コンポーネントが長さに沿って硬化層の異なる深さを必要とする場合、周波数を調整する機能は追加の利点を提供します。 さらに、この記事の範囲外ではありますが、IFP 技術は、水平連続焼入れ、回転焼入れ (ギアとスプロケット用)、焼き戻し、応力除去など、他の多くの用途に質量と柔軟性の利点をもたらします。
装置およびプロセス設計におけるシミュレーション:
高周波熱処理システムの設計にコンピューター シミュレーションを使用すると、製品の品質を向上させ、設計時間を短縮し、製造コストを削減し、プロセス開発をスピードアップできます。 ただし、これらの利点は、信頼性の高いモデルを開発して目的の結果を計算するのにかかる時間によって簡単に消えてしまいます。
特定のアプリケーション、特に XNUMX 次元シミュレーションを必要とするアプリケーションでは、シミュレーションを通じて有用な情報を取得するのに必要な時間は、まったく受け入れられません。 幸いなことに、シミュレーション ソフトウェアの能力が向上し、コンピュータ ハードウェアのコストが低下したことで、このハードルはどんどん小さくなっています。
ケース スタディ: XNUMX 回限りの硬化:
4 回の硬化プロセスでは、円周方向と縦方向の両方の電流を誘導できる誘導コイルを使用して、硬化するコンポーネント全体を加熱します (図 XNUMX)。 加熱・急冷の過程で部品が回転し、全体を均一に硬化させます。 妥当な時間内に XNUMX 回限りの硬化プロセスを確実にシミュレートする機能は、高周波熱処理装置のメーカーとユーザーにとって重要です。その理由は次のとおりです。
図。 4. XNUMX 回の硬化プロセスでは、コンポーネント全体を加熱するために円周方向と縦方向の両方の電流を生成する誘導コイルが使用されます。
• ワンタイム硬化は、非常に一般的な高周波熱処理プロセスです。
• 使い捨て誘導コイルの設計は、他のほとんどの誘導硬化コイルよりもはるかに直感的ではありません。
• 硬化処理の効果は、主にプロセス パラメータではなくコイル形状に依存します (スキャン硬化とは異なります)。
• 試行錯誤の設計では何度も修正を繰り返す必要があることを考えると、コイルの作成にはコストがかかる可能性があります。
• 使い捨て誘導コイルは、通常、電力密度が高いため、早期に損傷する傾向があります。
残念ながら、XNUMX 回の硬化プロセスの物理的特性により、XNUMX 次元電磁加熱シミュレーションを使用する必要があり、XNUMX 次元の有限要素モデルを確立して正確な結果を計算するのに必要な時間がかなりの障害となっていました。 したがって、業界でのXNUMX回限りの高周波焼入れプロセスシミュレーションはまだ非常にまれです。
ただし、図 5 が示すように、これは変化しています。 ソフトウェアの能力が向上し、コンピューティング リソースのコストが低下したことで、大量のリソースを必要とする複雑なシミュレーションがますます実現可能になりました。 高周波熱処理装置のメーカーとユーザーは、その恩恵を受けています。
図 5. ソフトウェアの機能が向上し、コンピューティング リソースのコストが低下したことで、大量のリソースを必要とする複雑なシミュレーションがますます実現可能になりました。