L'application de l'induction électromagnétique dans le traitement thermique est courante. Cependant, la situation actuelle du traitement thermique par induction indique qu'il peut y avoir beaucoup de place pour le développement.
La demande d'efficacité et de protection de l'environnement dans les industries automobile et aéronautique, l'innovation de l'alimentation par induction et les progrès de la simulation du processus de traitement thermique par induction contribuent tous au développement de la technologie de traitement thermique par induction, qui est sur le point d'entrer dans une « sphère dorée ». âge".
Efficacité et avantages environnementaux :
Les caractéristiques fondamentales de l'induction électromagnétique la rendent attrayante pour l'industrie du traitement thermique à une époque de conscience environnementale et de recherche de faibles coûts. Le chauffage par induction est une méthode directe de chauffage dans laquelle la chaleur est générée dans le composant chauffé plutôt que transmise au composant depuis l'environnement environnant. Étant donné que le chauffage par induction génère de la chaleur à la surface et sous la surface, il est non seulement rapide mais généralement très efficace.
Le rendement électromagnétique du procédé de traitement thermique par induction est souvent très élevé. Pour la trempe par induction de matériaux ferromagnétiques tels que l'acier au carbone et l'acier inoxydable martensitique, cette efficacité est généralement de l'ordre de 70 à 80 % (et même plus proche de 90 % pour le revenu de ces matériaux). La trempe par induction n'implique pas non plus la diffusion de produits chimiques dans les pièces. Par conséquent, la trempe par induction est généralement considérée comme une méthode « plus propre » par rapport aux méthodes thermochimiques telles que la cémentation et la nitruration.
Innovation dans l'alimentation à induction :
Le développement des sources d'alimentation haute fréquence transistorisées dans les années 1950 et 1960 a considérablement changé le visage du traitement thermique par induction. L'avènement des alimentations synchrones à double fréquence à la fin des années 1990 et au début du 20e siècle a considérablement amélioré la capacité d'induire le durcissement, en particulier pour les engrenages de petite et moyenne taille. Ces dernières années, après près de 20 ans de lent développement de l'alimentation par induction, une technologie révolutionnaire est apparue - un onduleur capable de moduler instantanément la fréquence de travail.
Dans le chauffage par induction, la fréquence du champ électromagnétique appliqué (c'est-à-dire la fréquence du courant alternatif traversant la bobine d'induction) affecte la profondeur de la génération d'énergie thermique dans le composant chauffé. La profondeur à laquelle un conducteur fonctionnant en courant alternatif génère la majeure partie de la chaleur (environ 86%) est généralement appelée profondeur de pénétration. La profondeur de pénétration (δ) est fonction de la résistivité du conducteur (ρ), de la perméabilité (μ) et de la fréquence du champ magnétique appliqué (F), et peut être approchée comme suit :
Étude de cas : durcissement par balayage
Le durcissement par balayage est une application mature de l'alimentation à fréquence variable. La possibilité de modifier la fréquence offre une solution idéale pour répondre aux exigences de durcissement de différentes formes sur la longueur de la pièce numérisée.
La figure 1 illustre un processus de durcissement par balayage pour un arbre en acier à teneur moyenne en carbone (SAE 4140), fournissant une étude de cas appropriée. Cet arbre creux est représentatif de nombreuses pièces automobiles modernes. Son extrémité est en forme de collerette. Le diamètre du corps de l'arbre varie considérablement, le diamètre au-dessus et au-dessous de la partie de transition étant respectivement d'environ 45 mm et 50 mm.
Figure 1. Processus de durcissement par balayage pour un arbre en acier à teneur moyenne en carbone (SAE 4140)
Cette variation de diamètre de 5 mm est très importante par rapport à la profondeur requise de la couche de durcissement, ce qui rend difficile la maîtrise du champ électromagnétique et de l'échauffement. Aux coins intérieurs des transitions de diamètre, il est difficile de générer suffisamment de chaleur pour la transmettre à une quantité relativement importante de matériau environnant. L'existence de rainures de 0.5 mm améliore efficacement le couplage local entre la bobine et les composants, mais pose des défis supplémentaires au processus. De plus, le coin extérieur est sujet à la surchauffe car il fait saillie vers l'extérieur et pénètre dans la région de la ligne de champ magnétique autour de la bobine à un tour.
Si une seule fréquence est utilisée pour durcir un tel composant, 30 kHz est susceptible d'être sélectionné pour assurer une profondeur de durcissement efficace d'environ 2 mm. Comme le montre la figure 2, le processus permet d'obtenir un bon durcissement sur la majeure partie de la longueur du composant, mais il existe des problèmes avec la transition de diamètre.
Figure 2. Le processus a permis d'obtenir un bon durcissement sur la majeure partie de la longueur du composant, mais il y avait des problèmes avec la transition de diamètre.
En raison d'une austénitisation inadéquate (c'est-à-dire d'un chauffage), une très petite quantité de martensite est générée au niveau des rainures. Augmenter la puissance de la bobine dans cette zone et/ou allonger le temps de chauffage effectif semblerait être des corrections logiques. Cependant, cela augmentera encore la température maximale au coin extérieur adjacent. Si cette température est déjà à un niveau de 1,060 1,940 °C (XNUMX XNUMX °F), des augmentations supplémentaires peuvent entraîner un transport local de grains indésirable (et éventuellement inacceptable).
Étant donné que la distance entre l'angle intérieur et l'angle extérieur n'est que de 3 millimètres, augmenter la température à l'angle intérieur sans augmenter la température à l'angle extérieur semble être une tâche impossible. Cependant, comme le montre la figure 3, cela se fait avec succès en modifiant la fréquence lors du chauffage de la transition de diamètre où la bobine arrive.
Figure 3. En changeant la fréquence lors du chauffage de la pièce de transition de diamètre, la température au coin intérieur sans le coin extérieur a été augmentée avec succès.
La réduction de la fréquence de sortie de l'onduleur de 30 kHz à 10 kHz augmente la profondeur de pénétration dans le composant d'environ 1.7 fois, réduit l'effet de proximité électromagnétique au niveau du coin intérieur et réduit le risque de surchauffe au niveau du coin extérieur. Ce changement de fréquence a effectivement augmenté la profondeur de la couche de durcissement de surface au niveau de la fente et a réduit la température maximale de l'épaulement adjacent de près de 40°C.
Cette étude de cas relativement simple démontre un avantage de qualité important des systèmes de durcissement par balayage à fréquence variable. La possibilité d'ajuster la fréquence offre des avantages supplémentaires si le composant nécessite différentes profondeurs de la couche de durcissement sur la longueur. De plus, bien qu'au-delà de la portée de cet article, la technologie IFP offre des avantages de masse et de flexibilité pour de nombreuses autres applications, y compris le durcissement continu horizontal, le durcissement rotatif (pour les engrenages et les pignons), le revenu et le soulagement des contraintes.
Simulation dans la conception d'équipements et de procédés :
L'utilisation de la simulation informatique dans la conception des systèmes de traitement thermique par induction peut améliorer la qualité des produits, raccourcir le temps de conception, réduire les coûts de fabrication et accélérer le développement des processus. Cependant, ces avantages peuvent facilement être effacés par le temps qu'il faut pour développer des modèles fiables et calculer les résultats souhaités.
Dans certaines applications, notamment celles qui nécessitent une simulation tridimensionnelle, le temps nécessaire pour obtenir des informations utiles par simulation est tout simplement inacceptable. Heureusement, la puissance croissante des logiciels de simulation et la baisse du coût du matériel informatique rendent cet obstacle de plus en plus petit.
Étude de cas : durcissement ponctuel :
Dans le processus de durcissement ponctuel, une bobine d'induction capable d'induire des courants circonférentiels et longitudinaux est utilisée pour chauffer l'ensemble du composant à durcir (Figure 4). Les pièces tournent pendant le processus de chauffage et de trempe pour favoriser un durcissement uniforme de tout le corps. La possibilité de simuler de manière fiable le processus de durcissement ponctuel dans un délai raisonnable est importante pour les fabricants et les utilisateurs d'équipements de traitement thermique par induction car :
FIGUE. 4. Le processus de durcissement unique utilise des bobines d'induction qui génèrent des courants circonférentiels et longitudinaux pour chauffer les composants dans leur ensemble.
• La trempe unique est un processus de traitement thermique par induction très courant.
• La conception des bobines d'induction jetables est beaucoup moins intuitive que celle de la plupart des autres bobines de durcissement par induction.
• L'effet du traitement de durcissement dépend principalement de la forme de la bobine plutôt que des paramètres du processus (contrairement au durcissement par balayage).
• Les bobines peuvent être coûteuses à fabriquer, surtout si l'on considère que les conceptions par essais et erreurs nécessitent souvent des révisions répétées.
• Les bobines d'induction jetables ont généralement une densité de puissance élevée et sont donc sujettes à des dommages prématurés.
Malheureusement, les caractéristiques physiques du processus de durcissement ponctuel nécessitent l'utilisation d'une simulation de chauffage électromagnétique TROIS DIMENSIONS, et le temps nécessaire pour établir des modèles d'éléments finis tridimensionnels et calculer des résultats précis a été un obstacle considérable. Par conséquent, la simulation de processus de trempe par induction unique dans l'industrie est encore très rare.
Cependant, comme le montre la figure 5, cela est en train de changer. La puissance croissante des logiciels, associée à la diminution du coût des ressources informatiques, rend les simulations complexes nécessitant de grandes quantités de ressources de plus en plus réalisables. Les fabricants et les utilisateurs d'équipements de traitement thermique par induction en récoltent les fruits.
Figure 5. Les capacités croissantes du logiciel et la diminution du coût des ressources informatiques rendent les simulations complexes nécessitant de grandes quantités de ressources de plus en plus réalisables.