Materiały i ich właściwości
Nagrzewanie indukcyjne stali, aluminium i innych materiałów.
Indukcja ogólnie
Indukcja jest niezawodną i wydajną metodą ogrzewania szerokiej gamy materiałów. Ciepło jest wytwarzane przez prąd indukowany w obrabianym przedmiocie, co stanowi podstawę szerokiego zakresu zastosowań, takich jak obróbka cieplna, lutowanie lub topienie.
W zależności od zadania, oprócz takich parametrów, jak wybór częstotliwości lub geometria obrabianego przedmiotu, należy również uwzględnić odpowiednie właściwości materiału. Szczególne znaczenie mają tutaj opór elektryczny właściwy i względna przenikalność magnetyczna, ponieważ mają one znaczący wpływ na głębokość wnikania prądu. Oprócz właściwości elektromagnetycznych, w procesie nagrzewania indukcyjnego istotne są termiczne właściwości materiału, takie jak pojemność cieplna właściwa lub przewodność cieplna. Różne właściwości różnych materiałów stwarzają pewne wyzwania, które należy wziąć pod uwagę, aby proces był wydajny i niezawodny.
Gęstość prądów wirowych maleje promieniowo od krawędzi przedmiotu obrabianego do wewnątrz. Jest to tzw. efekt Skin. Głębokość, na której gęstość prądu zmniejszyła się do 37% (1/e) swojej maksymalnej wartości, nazywana jest głębokością wnikania prądu. Głębokość wnikania prądu maleje wraz ze wzrostem częstotliwości i przenikalności magnetycznej, a rośnie proporcjonalnie do oporu elektrycznego. Przenikalność magnetyczna i opór elektryczny zmieniają się wraz ze wzrostem temperatury. Dlatego głębokość wnikania prądu jest silnie zależna od temperatury, zwłaszcza w przypadku materiałów ferrytycznych.
Chociaż materiały metaliczne są zasadniczo uważane za przewodzące prąd elektryczny, można je pogrupować według ich oporu elektrycznego. Istnieją materiały o niskiej rezystywności, takie jak miedź, magnez lub aluminium, oraz materiały o wysokiej rezystywności, takie jak stal, stal nierdzewna lub tytan. Ponadto materiały metaliczne można podzielić na magnetyczne i niemagnetyczne. Materiały takie jak aluminium, magnez, miedź, mosiądz lub tytan są w praktyce uważane za niemagnetyczne. Materiały takie jak stale o strukturze ferrytycznej są uważane za magnetyczne.
Stal
- Magnetyczna
- Wysoki opór elektryczny właściwy
- Wysokie wnikanie prądu
- Typowe temperatury końcowe: 850–1250°C
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Stal jest zaliczana do grupy materiałów o wysokim oporze elektrycznym właściwym. Wartość ta rośnie wraz ze wzrostem temperatury, co znacząco zmienia głębokość wnikania prądu. W przypadku materiałów ferromagnetycznych oprócz wartości rezystancji należy również uwzględnić liczbę przenikalności magnetycznej. Ze względu na przenikalność, oprócz strat wiroprądowych, występuje dodatkowe ogrzewanie spowodowane stratami tarcia (tzw. straty histerezowe), które są spowodowane odwróceniem biegunowości magnesów elementarnych. Ten dodatkowy efekt ma swój udział w całkowitym ogrzewaniu i, podobnie jak opór elektryczny, zależy od temperatury: powyżej pewnej temperatury, tzw. temperatury Curie, materiały ferromagnetyczne tracą swój magnetyzm. Na przykład głębokość wnikania dla stali w temperaturze 1200°C jest około 40 razy większa niż w temperaturze pokojowej.
Ze względu na wyżej wymienione właściwości, tzw. sprawność induktora jest wyższa w przypadku stali o wysokim oporze elektrycznym właściwym i właściwościach ferromagnetycznych niż w przypadku innych materiałów metalicznych. Dzięki temu stale można na ogół szybko i efektywnie podgrzewać indukcyjnie. Ponadto jednostkowe straty przewodzenia ciepła są stosunkowo niskie. Z tego powodu, w zależności od obszaru zastosowania, należy stosować niższe gęstości mocy niż np. w przypadku miedzi. Niska przewodność cieplna jest zaletą w obróbce cieplnej, takiej jak hartowanie warstwy powierzchniowej, ponieważ różnice temperatur między warstwą powierzchniową a środkiem elementu wyrównują się powoli.
Typowe temperatury końcowe w przypadku nagrzewania indukcyjnego elementów stalowych mieszczą się w zakresie od 850°C do 1250°C. W zależności od zastosowania można stosować niższe zakresy temperatur. Na przykład procesy suszenia można przeprowadzać już w temperaturze około 100°C.
Stal nierdzewna
- Magnetyczna ferrytyczna stal nierdzewna / niemagnetyczna martenzytyczna i austenityczna stal nierdzewna
- Wysoki opór elektryczny właściwy
- Wysokie wnikanie prądu
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Właściwości magnetyczne stali nierdzewnych są związane z mikrostrukturą. Ferrytyczne stale nierdzewne mają właściwości magnetyczne, natomiast martenzytyczne i austenityczne stale nierdzewne są uważane za niemagnetyczne. Te ostatnie stanowią zwykle największy udział w rynku stali nierdzewnych. Ze względu na niemagnetyczne właściwości austenitycznych stali nierdzewnych, podobnie jak w przypadku innych materiałów nieferrytycznych, podczas nagrzewania indukcyjnego nie występują straty wynikające z tarcia, a jedynie straty wynikające z prądów wirowych.
Stale nierdzewne są również zaliczane do grupy materiałów o wysokim oporze elektrycznym właściwym. Powoduje to na ogół dużą głębokość wnikania prądu i szybkie nagrzewanie się warstw powierzchniowych. Właściwości cieplne różnią się w zależności od mikrostruktury, ale ogólnie rzecz biorąc, są bardziej zbliżone do właściwości stali ferrytycznych.
Aluminium
- Niemagnetyczne
- Niski opór elektryczny właściwy
- Niskie wnikanie prądu
- Typowe temperatury końcowe: 450–580°C
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Elementy ze stopów aluminium mają niski opór elektryczny i są uważane za niemagnetyczne ze względu na swoje właściwości paramagnetyczne. Powoduje to generalnie mniejszą głębokość wnikania prądu w porównaniu ze stalami ferrytycznymi. Z tego powodu indukowana gęstość mocy w elementach aluminiowych jest skoncentrowana bliżej powierzchni elementu niż na przykład w identycznych strukturalnie elementach wykonanych ze stali. Ta specyficzna właściwość w przypadku grzania indukcyjnego elementów aluminiowych stanowi wyzwanie ze względu na ryzyko przegrzania powierzchni. Wysoka przewodność cieplna aluminium minimalizuje ten efekt, ponieważ różnice temperatur w obrabianym przedmiocie są wyrównywane szybciej niż na przykład w przypadku stali. Niemniej jednak efekt ten należy brać pod uwagę zwłaszcza w przypadku ogrzewania przedmiotów o dużych średnicach lub grubościach ścianek, gdy są one ogrzewane w pobliżu temperatury topienia.
Ze względu na stosunkowo wysoką właściwą pojemność cieplną aluminium, do ogrzania części elementu od temperatury początkowej do końcowej wymagana jest większa ilość ciepła. Typowe temperatury końcowe w przypadku nagrzewania indukcyjnego elementów aluminiowych mieszczą się w zakresie od 450°C do 580°C. W zależności od zastosowania można stosować inne zakresy temperatur. Procesy łączenia można na przykład przeprowadzać w temperaturze około 160°C.
Magnez
- Niemagnetyczny
- Niski opór elektryczny właściwy
- Niskie wnikanie prądu
Ze względu na swoje właściwości stopy magnezu są coraz częściej stosowane jako materiały lekkie, np. w produkcji samochodów. Magnez może być również ogrzewany indukcyjnie jako przewodnik elektryczny. Elementy ze stopów magnezu mają niską rezystywność elektryczną i są uważane za niemagnetyczne ze względu na swoje właściwości paramagnetyczne. Powoduje to na ogół niską głębokość wnikania prądu.
Ze względu na wysoką właściwą pojemność cieplną, wydajność ogrzewania indukcyjnego elementów magnezowych jest na ogół niska. Ze względu na łatwopalność, podczas topienia magnezu należy wziąć pod uwagę różne aspekty bezpieczeństwa.
Tytan
- Niemagnetyczny
- Wysoki opór elektryczny właściwy
- Wysokie wnikanie prądu
- Typowe temperatury końcowe: 950–1050°C
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Elementy wykonane ze stopów tytanu są zaliczane do grupy materiałów o wysokim oporze elektrycznym właściwym. Powoduje to na ogół dużą głębokość wnikania prądu i szybkie nagrzewanie się warstw powierzchniowych. Tytan jest uważany za niemagnetyczny ze względu na swoje właściwości paramagnetyczne. Podobnie jak w przypadku wszystkich materiałów niemagnetycznych, nagrzewanie się elementu odbywa się w wyniku strat wiroprądowych. Ze względu na niską przewodność cieplną tytanu, wyrównywanie temperatury warstw jest powolne w porównaniu np. z miedzią.
Typowe temperatury końcowe w przypadku nagrzewania indukcyjnego elementów tytanowych mieszczą się w zakresie od 950°C do 1050°C. W zależności od zastosowania można stosować inne zakresy temperatur.
Miedź
- Niemagnetyczna
- Bardzo niski opór elektryczny właściwy
- Niskie wnikanie prądu
- Typowe temperatury końcowe: 750–1050°C
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Przedmioty obrabiane wykonane z miedzi mają bardzo niski opór elektryczny i są uważane za niemagnetyczne ze względu na swoje właściwości diamagnetyczne. Skutkuje to mniejszą głębokością wnikania prądu w porównaniu ze stalą ferrytyczną, a także niską sprawnością induktora. Wysoka przewodność cieplna miedzi prowadzi do szybkiego wyrównania temperatury między warstwą powierzchniową a środkową elementu. Ponadto straty przewodzenia ciepła przez miedź mogą być wysokie. Należy to wziąć pod uwagę podczas lutowania elementów z litej miedzi, które mają być lutowane częściowo. Dlatego, szczególnie w tym przypadku, należy stosować możliwie największą gęstość mocy, aby utrzymać czas lutowania na niskim poziomie, co pozwoli uniknąć nadmiernych strat ciepła spowodowanych jego rozproszeniem.
Typowe temperatury końcowe w przypadku nagrzewania indukcyjnego elementów miedzianych mieszczą się w zakresie od 750°C do 1050°C. Temperatury zastosowania np. w lutowaniu miękkim miedzi, mieszczą się w zakresie od 220°C do 300°C.
Mosiądz
- Niemagnetyczny
- Niski opór elektryczny właściwy
- Niskie wnikanie prądu
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Przedmioty obrabiane wykonane z mosiądzu mają niski opór elektryczny i są uważane za niemagnetyczne. Powoduje to na ogół mniejszą głębokość wnikania prądu. Sprawność induktora jest nieco wyższa niż w przypadku materiałów miedzianych. Przewodność cieplna jest niższa niż na przykład w przypadku miedzi lub aluminium, ale wyższa niż w przypadku materiałów stalowych. W związku z tym można oczekiwać wolniejszego wyrównywania temperatury warstw i mniejszych strat przewodzenia ciepła.
Podczas topienia mosiądzu w temperaturach powyżej 900°C należy liczyć się ze szkodliwymi oparami cynku (tzw. gorączka par metalu). Podczas podgrzewania mosiądzu do temperatury bliskiej temperaturze odlewania należy uwzględnić różne aspekty bezpieczeństwa.
Grafit
- Bardzo wysoki opór elektryczny właściwy
- Bardzo duża głębokość wnikania prądu
Wczytując film, akceptujesz zasady ochrony prywatności obowiązujące w serwisie YouTube.
Dowiedz się więcej
Grafit jest stosowany w ogrzewaniu indukcyjnym, na przykład jako tygiel lub jako tzw. susceptor przewodzący prąd elektryczny. Ze względu na bardzo wysoką właściwą oporność elektryczną ma dużą głębokość wnikania prądu. Dzięki temu proces nagrzewania indukcyjnego przebiega bardzo szybko. Przewodność cieplną grafitu można porównać z właściwościami mosiądzu i tym samym zaklasyfikować go do przedziału pomiędzy stalą a aluminium.
Tworzywa sztuczne i kompozyty z tworzyw sztucznych wzmacniane włóknami
- Wysoki opór elektryczny właściwy
Ze względu na dobre właściwości mechaniczne i małą gęstość, kompozyty tworzyw sztucznych wzmacniane włóknami są stosowane w różnych dziedzinach jako lekkie materiały konstrukcyjne. Włókna węglowe przewodzą prąd elektryczny. Mają one wysoki opór elektryczny i dlatego nadają się do nagrzewania indukcyjnego. Jeśli obecna jest matryca termoplastyczna, można ją podgrzać powyżej temperatury topienia. Dlatego kompozyty termoplastyczne wzmacniane włóknem węglowym nadają się do spawania indukcyjnego.
Tworzywa sztuczne bez zawartości włókien węglowych lub cząstek stałych nie są uważane za przewodzące prąd elektryczny. Mogą one być ogrzewane przez wymianę ciepła za pomocą susceptora przewodzącego prąd elektryczny, takiego jak grafit lub siatki metalowe.
Ponadto możliwe jest ogrzewanie indukcyjne za pomocą nanocząstek magnetycznych wprowadzonych do układu. Na przykład kleje lub powłoki mogą być utwardzane lub rozpuszczane.
Ogólny zakres częstotliwości umożliwiający efektywne nagrzewanie tych (bardzo cienkich) struktur mieści się w zakresie wysokich częstotliwości od 1 do 2 MHz.
