2.4 ttt-diagram

Geïntegreerde proef
Industriële wetenschappen
2de leerjaar – 3de graad TSO
Inductief Harden
Floris Devreese
Matthias Hardeman
Schooljaar 2008-2009
II
Woord vooraf
In ons laatste jaar industriële wetenschappen in het secundair onderwijs mocht er
een keuze gemaakt worden in verband met ons eindwerk. Omdat we sterk
geïnteresseerd zijn in nieuwe technologieën kozen we het onderwerp inductief
harden. Het wordt gebruikt in de industrie om snel en precies te harden. De
inductiekookplaat werkt op hetzelfde principe. Het eindwerk houdt dus heel wat in,
het bespreken van de werking, maar daarnaast ook het ontwerpen van een
demonstratiemodel. Er zijn vele weken hard werk in gekropen, maar het
eindresultaat mag er zijn.
Ons eindwerk is het resultaat van enerzijds de verworven kennis die we doorheen
de jaren in het VTI te Poperinge opstaken. Anderzijds zou dit eindwerk nooit tot
stand zijn gekomen zonder de hulp van enkele personen. Wij willen dan ook
gebruik maken van de gelegenheid om onze klastitularis, en tevens onze G.I.P.
verantwoordelijken te bedanken bij het realiseren van ons eindwerk. Daarnaast
konden wij steeds rekenen op de hulp en steun van dhr. Struye, waarvoor dank.
Tot slot willen wij onze ouders en vrienden bedanken, want zij zorgden ervoor dat
wij de moed niet opgaven, zelfs niet in de moeilijke dagen. Ook de morele steun
die wij van hen kregen appreciëren wij van harte, bedankt!
III
Inhoudsopgave
Inleiding ................................................................................................................... 1
1. Inductief verwarmen .............................................................................................. 1
1.1 Voorwaarden .................................................................................................. 1
1.2 Uitleg ............................................................................................................ 2
1.2.1
Opwarmen door hysteresiseffect: .............................................................. 2
1.2.2
De wervelstromen of foucaultstromen: ...................................................... 8
1.2.3
De curietemperatuur ...............................................................................10
1.2.4
Toepassingen van inductief verwarmen ....................................................12
2. Harden...... .........................................................................................................16
2.1 Hardheid ........................................................................................................16
2.2 Meten van hardheid.........................................................................................16
2.2.1 Hardheidsmeting volgens Brinell.................................................................17
2.2.2 Hardheidsmeting volgens Rockwell .............................................................18
2.2.3 Hardheidsmeting volgens Vickers (HV)........................................................20
2.2.4 Hardheidsmeting met Poldihamer (HP) .......................................................21
2.3 Invoed van het koolstofgehalte ........................................................................23
2.3.1 Koolstofgehalte van minder dan 0.3% ........................................................23
2.3.2 Koolstofgehalte van 0.3 tot 0.9% ...............................................................23
2.3.3 Koolstofgehalte van meer dan 0.9% ...........................................................24
2.3.4 Koolstofgehalte van meer dan 1.7% ...........................................................24
2.4 T.T.T.-diagram ................................................................................................24
2.4.1 Bepaling T.T.T. –Diagram ..........................................................................25
2.4.2 De afkoeling van technische werkstukken ...................................................29
2.4.3 De kritische afkoelsnelheid.........................................................................33
2.4.4 De hardingsdiepte .....................................................................................35
2.4.5 Austeniteren .............................................................................................38
2.4.6 Afschrikken ..............................................................................................39
2.4.7 Speciale hardingsmethoden .......................................................................41
2.4.8 Ontlaten...................................................................................................42
2.4.9 Veredelen.................................................................................................43
IV
2.4.10 Isotherm veredelen .................................................................................45
3. skin effect ...........................................................................................................46
3.1 Inleiding .......................................................................................................46
3.2 Principe ........................................................................................................46
3.3 Formule voor de skindiepte.............................................................................49
4. Praktische proef ..................................................................................................51
4.1 Schema ........................................................................................................51
4.2 IGBT (Insulated gate bipolar transistor) ...........................................................52
4.3 Resonantiefrequentie .....................................................................................52
Besluit .....................................................................................................................53
V
Figurenlijst
FIG 1.1: Onopgedeelde wijsgebieden.................................................................2
FIG 1.2: gelijkrichten van wijsgebieden............................................................. 3
FIG 1.5: Magnetisatiecurve (hysteresislus) ........................................................ 6
FIG 1.7: zelfroterende ionen ...........................................................................10
FIG 1.8: Inductiekookplaat .............................................................................12
FIG 1.9: Inductief lasapparaat.........................................................................14
FIG 2.1: Apparaat om Rockwellhardheid te meten. ...........................................18
FIG 2.2: Hardheidsmeting volgens Vickers .......................................................20
FIG 2.3: Meetapparaat voor hardheidsmeting volgens Poldihamer ......................21
FIG 2.4: Het Fe-C diagram ..............................................................................22
FIG 2.5: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling met 0,45%
C ..................................................................................................................26
FIG 2.6: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling................28
FIG 2.7: Afkoeling van lange ronde staven in water. .........................................31
FIG 2.8: Afkoeling van lange ronde staven in olie en lucht. ................................32
FIG 2.9: De variatie van de microstructuur als functie van de afkoelsnelheid .......34
FIG 2.10: Het verband tussen koolstofgehalte en kritische afkoelsnelheid. ..........35
FIG 2.11: Verloop van de hardheid over de doorsnede. .....................................35
FIG 2.12: Schematisch verloop van de hardheid over de doorsnede. ..................36
FIG 2.13: Schematische voorstelling van de getrapte harding ............................41
FIG 2.14: Ontlaatkrommen voor 3 verschillende staalsoorten.............................44
FIG 3.1: Skin effect op tandwiel ......................................................................46
FIG 3.2: Stijging van de hoofdflux....................................................................49
FIG 3.3: Versterking van flux aan buitenkant....................................................50
FIG 3.4: Daling van de flux aan de binnenkant..................................................50
VI
FIG 4.1: Schema van onze praktische proef......................................................53
VII
Lijst met tabellen
Tabel 1.1: curietemperaturen...........................................................................19
Tabel 2.1: Sterkte-eigenschappen van C60 in walstoestand en na veredelen.......52
Tabel 3.1: Soortelijke weerstand van middenstoffen..........................................58
VIII
I NLEIDING
Inductief verwarmen wil zeggen dat we een materiaal zullen verwarmen door
inductie. Dus met andere woorden door middel van een flux. Die flux zullen we in
de praktijk opwekken door middel van een spoel. De grootste concentratie van het
wisselend veld is in het midden van de spoel, dus zullen we dus ook ons materiaal
in het midden van de spoel plaatsen. De snelle verandering van het magnetisch
veld in functie van de tijd zal zorgen dat het materiaal opgewarmd wordt volgens
twee effecten, namelijk het hysteresiseffect en de wervelstromen.
1. I NDUCTIEF VERWARMEN
1.1
V OORWAARDEN
Niet alle stoffen kunnen we inductief verwarmen. Een voorwaarden is dat de stof
ferromagnetisch is. Dat wil zeggen dat wanneer we een dergelijk stof in een
magnetisch veld plaatsen dat deze stof zelf magnetisch zal worden. De relatieve
permeabiliteit (µr) is heel groot bij ferromagnetische stoffen. De relatieve
permeabiliteit is een dimensieloos getal die de doordringbaarheid van een
magnetisch veld door een materiaal ten opzichte van de doordringbaarheid van
een magnetisch veld door het luchtledige aantoont. De relatieve permeabiliteit
verandert ook naar mate de temperatuur verhoogt en naar mate de frequentie van
de flux verandert. Stoffen met een hoge relatieve permeabiliteit, dus waar een
magnetisch veld veel beter doordringt ten opzichte van het luchtledige zijn bv:
ijzer, nikkel, kobalt… dus als je een materiaal hebt die een van deze stoffen bevat,
in een gepaste hoeveelheid, zal die zeker bruikbaar zijn voor inductief verwarmen.
Ook één van de voorwaarden is dat het materiaal elektrisch geleidend is. Als een
stof niet elektrisch geleidend is zullen er bij gevolg ook geen wervelstromen door
dat materiaal lopen, en zal je materiaal dus niet warm worden. Dit is essentieel bij
transformators, maar niet voor inductief verwarmen. Bij transformatoren kan men
natuurlijk ook materiaal gebruiken die wel elektrisch geleidend is, maar dan
lameren ze de kern, zodat er niet te veel wervelstroomverliezen zijn.
1
Het is niet zo dat beide voorwaarden moeten vervuld zijn om inductief te kunnen
verhitten. Als we bijvoorbeeld een stuk materiaal hebben die niet elektrisch
geleidend is, maar wel magnetiseerbaar is, kunnen we dat stuk inductief verhitten.
Dit zal wel niet zo goed gaan, want nu zal het alleen het hysteresiseffect zijn die
zal zorgen voor de warmte, er zullen geen wervelstromen zijn. Ook zullen we het
probleem hebben dat we het stuk materiaal enkel tot zijn curie temperatuur
kunnen opwarmen.
Een voorwaarde die altijd moet voldaan zijn om te kunnen inductief verwarmen is
dat het stuk materiaal zich in een snel veranderend magnetisch veld moet
bevinden. Het is de fluxverandering in functie van de tijd die zal zorgen dat er
hysteresisverliezen en wervelstroomverliezen ontstaan. Die zullen zorgen dat je
materiaal warm krijgt.
1.2
U ITLEG
Het inductief verwarmen gebeurt door 2 effecten; Het hysteresiseffect en de
wervelstromen.
1.2.1
Opwarmen door hysteresiseffect:
Een normaal (nog niet Magnetisch) materiaal is opgebouwd uit moleculen die in
kleine magnetische gebieden zijn opgedeeld. Elk gebied heeft een verschillende zin
en richting van magnetisme. Zie tekening.
FIG 1.1: Onopgedeelde wijsgebieden
2
Dit noemen we wijsgebieden. Die wijsgebieden zullen we natuurlijk alleen bij
ferromagnetische materialen vinden. Die wijsgebieden zijn in principe gevormd
door allerlei magneculen, die magneculen kunnen we beschouwen als kleine
magneten. Als we alle wijsgebieden nu optellen zullen we uitkomen dat de totale
som 0 is. Deze stof is dus geen magneet. Als we dit materiaal nu in een
uitwendige magnetisch veld brengen, dan zullen de verschillende wijsgebieden
groeien, en anderen zullen krimpen. De gebieden die dezelfde richting en zin
hebben als de uitwendige flux zullen groeien en de gebieden die een andere zin of
richting hebben zullen krimpen. Totdat alle gebieden dezelfde zin en richting
hebben.
FIG 1.2: gelijkrichten van wijsgebieden
Op deze figuur is de uitwendige flux afgebeeld in het groen. Je ziet dat alle
wijsgebieden verdwenen zijn, en dat er nu nog maar één groot wijsgebied, dat
dezelfde richting en zin heeft dan de uitwendige flux, overblijft.
3
Het opmeten van de hysteresislus gebeurt met de onderstaande schakeling ( FIG
1.3). De stroom in de primaire spoel wordt geleverd door een
gelijkspanningsvoeding. De stroom kan gevarieerd worden door de
voedingsspanning te variëren. Ompolen gebeurt met een ompoolschakelaar S. De
stroomsterkte wordt gemeten met de digitale ampèremeter van de spanningsbron
A. We mogen aannemen dat de diameter van de secundaire spoel gelijk
is aan deze van de doorsnede van de ijzeren ring T.
FIG: 1.3: Meetopstelling van de proef
De fluxverandering ∆Φ in de secundaire spoel wordt gemeten met een digitale
fluxmeter F, die werkt op netspanning. De fluxmeter is van het model MIF-1 van
Magnetech. De aflezing gebeurt digitaal (LED) en de aanduiding van de
fluxverandering wordt rechtstreeks weergegeven in milliweber.
Als men nu de stroom doet toenemen zal bijgevolg het uitwendig magnetisch veld
ook toenemen, en zal het stuk materiaal in de spoel geleidelijk aan ook
gemagnetiseerd worden. Als het materiaal in de spoel magnetisch wordt zal er een
magnetisch veld rond dat materiaal ontstaan, en dat magnetisch veld kan men
opmeten met F (de digitale fluxmeter). Zo kan men de hysteresislus opmeten.
4
De grafiek van het aantal gerichte deeltjes (zelfde zin en richting als de uitwendige
flux) in functie van het uitwendig magnetisch veld is geen zuiver lineair verband.
Het verloopt meer zoals deze tekening.
FIG 1.4: Grafiek van het aantal gerichte deeltjes (hysteresislus)
Als we een uitwendig magnetisch veld (H) over ons materiaal brengen, als het
materiaal nog niet magnetisch is, zal die zeer langzaam magnetiseren (stuk I). Als
we in dit gedeelte het magnetisch veld terug naar 0 A/m zetten zal het materiaal
weer naar zijn normale toestand gaan, het is in dit gedeelte dus elastisch.
Wanneer we nu het uitwendig magnetisch veld nog doen stijgen, zullen er nog
meer wijsgebieden van zin en richting veranderen. Dit is meer lineair (stuk II).
In stuk III zal dit niet meer lineair verlopen, omdat bijna alle wijsgebieden nu
dezelfde zin en richting hebben als de flux rondom. Je ziet dat M (de magnetisatie,
uitgedrukt in T) nog altijd een klein beetje stijgt totdat de grafiek horizontaal
komt. Nu zitten we in verzadiging.
Al de deeltjes die tijdens dit richtingsproces moesten veranderen van zin en
richting hebben eerst moeten trillen totdat ze de goede zin en richting hadden. Dat
trillen zorgt dat het materiaal warm krijgt. Dit noemen we ook de
hysteresisverliezen.
5
Als we nu het huidig magnetisch veld terug laten dalen tot 0 A/m zal de
magnetisatie van het materiaal ook terug dalen. Maar die zal niet dalen tot 0, want
er zullen altijd een aantal deeltjes hun huidige zin en richting behouden. Er zal dus
een beetje remanent magnetisme over blijven. De magnetisatie (M) zal dus niet
volgens dezelfde weg teruglopen. Dit verschijnsel staat bekend als het
hysteresiseffect.
Als men nu het magnetisch veld in de tegengestelde zin als voordien doen lopen
zal de magnetisatie ook van zin veranderen. En bij gevolg zal het materiaal dus
ook weer verzadigen. De deeltjes zullen dus weer trillen om van zin te veranderen
en dus zal het materiaal weer warm krijgen.
U ziet op de grafiek (FIG 1.5) dat we eerst het uitwendig magnetisch veld tot een
bepaalde waarde moeten brengen voordat de magnetisatie van het materiaal van
richting en zin zal veranderen.
FIG 1.5: Magnetisatiecurve (hysteresislus)
6
Deze grafiek (FIG: 1.5) lijkt heel verdacht op de B-H karakteristiek. Dit is ook
logisch omdat:
B = µ0.H + µ0.M
Met:
(1.1)
M = Magnetisatie (A/m)
B = Magnetische fluxdichtheid (Vs/m2 )
H = Magnetische veldsterkte (A/m)
µ0 = Absolute permeabiliteit (= 4 π 10 -7 H/m)
Wanneer een stof gemakkelijk te magnetiseren is, zal er een minder hoog
magnetisch veld nodig zijn om de magnetisatie van het materiaal (M) te laten
stijgen. De grafiek zal dus smaller zijn, want het materiaal zal sneller verzadigd
zijn. Als de grafiek smaller is zal er minder energie nodig zijn om te magnetiseren
omdat de deeltjes minder moeten trillen om van zin en richting te veranderen. Dus
zal de stof minder warm krijgen. Als de stof moeilijk te magnetiseren is zal het snel
warm worden, maar er zal dan ook veel meer energie nodig zijn.
Om een gemakkelijk te magnetiseren stof te verhitten zal men de frequentie van
de flux verhogen zodat de deeltjes sneller moeten veranderen, en warmer zullen
worden.
Het is niet zo dat het hysteresiseffect altijd hetzelfde effect heeft.
Als een materiaal warmer krijgt zal die minder magnetiseren, en bij gevolg dus ook
minder opwarmen door het hysteresiseffect. Er is zelfs een temperatuur waarbij
het materiaal helemaal niet meer te magnetiseren is. Dit noemen we de
curietemperatuur.
7
1.2.2
De wervelstromen of foucaultstromen:
Als we door een materiaal een wisselend magnetisch veld laat lopen, zal er een
emk gevormd worden die zodanig gericht is dat die zijn ontstaan tegenwerkt. Het
ontstaan is dus de wisselflux (groene pijl)dat door het materiaal loopt. Nu zal dat
emk de fluxverandering proberen tegen te weken door een flux te vormen die de
tegengestelde zin heeft (rode pijl). Deze flux kan enkel opgewekt worden door
cirkelvormige stroompjes (rode cirkels). Dit zijn wervelstromen. Deze stroompjes
zullen zorgen dat het materiaal opwarmt volgens het Joule effect.
FIG 1.6: Fluxverandering
Op deze tekening hierboven zie je een doorsnede van een cilindrisch stuk
materiaal. De groene pijl toont de fluxverandering in functie van de tijd aan. De
oranje stippellijn toont de hoofdflux aan (een momentopname). U ziet dat de flux
die door het materiaal loopt stijgend is in functie van de tijd.
De fluxverandering zal tegengewerkt worden door de emk. Er zal dus een flux
gevormd worden die de verandering tegenwerkt, dit is de rode pijl. Deze flux kan
enkel opgewekt worden door cirkelvormige stroompjes, dit zijn je rode cirkels. Dit
zijn de wervelstromen
8
De wervelstromen zullen vermeerderen als de frequentie verhoogt. Dat is logisch
want als de frequentie verhoogt zal je verandering van flux in functie van de tijd
ook verhogen, en zal je emk bij gevolg ook verhogen. Dit kan je ook zien aan de
formule van je emk:
|e| = N. ∆Ф / ∆t
Met:
(1.2)
e = Geïnduceerde emk (V)
N = Aantal windingen
∆Ф / ∆t = Fluxverandering (Wb/s)
Je fluxverandering zal verhogen, dus je emk in absolute waarde ook. Het is je emk
die ervoor zal zorgen dat wervelstromen gevormd worden. Hoe groter je emk, hoe
groter je wervelstromen. Die wervelstromen in je materiaal zullen volgens het
joule effect zorgen voor warmte.
Het is niet zo dat die wervelstromen gelijk verdeeld zijn in het materiaal. Als men
een hoog frequente flux door een materiaal laat lopen zullen je wervelstromen zich
concentreren aan de buitenkant van je materiaal. Dit is te wijten aan het skin
effect.
Een voorwaarde voor wervelstromen is dat het materiaal elektrisch geleidend moet
zijn, want als het niet elektrisch geleidend is kunnen er ook bijna geen stroompjes
door het materiaal lopen en zullen er bij gevolg bijna geen wervelstromen
gevormd worden (De wervelstromen zullen heel beperkt in grootte zijn). Je emk
zal hetzelfde blijven bij een niet elektrisch geleidend materiaal.
|e| = N . ∆Ф / ∆t zal constant blijven, maar omdat je materiaal nu minder goed
geleidt, zal er voor dezelfde emk waarde minder stroom worden opgewekt. Dit
komt omdat de weerstandswaarde van het materiaal te groot is en bijgevolg kan
je het stuk niet opwarmen.
9
1.2.3
De curietemperatuur
Wanneer men een magneet opwarmt zal die magneet zijn magnetisme gedeeltelijk
verliezen, tot op een bepaalde temperatuur deze nagenoeg nul is.
De temperatuur wanneer een magneet niet meer magnetisch is noemen we de
curietemperatuur.
Dit fenomeen is het gevolg van het verliezen van de oorspronkelijke
magnetisatierichting. Dit komt omdat men energie toevoegt aan de atomen en
deze verstoren de wijsgebieden dan.
Dit is simpeler uit te leggen. Magnetisatie is het fenomeen dat de ionen die rond
de kern bewegen zelf rond hun eigen as zullen draaien.
FIG 1.7: zelfroterende ionen
Doordat het materiaal nu warmer zal komen zullen al de deeltjes beginnen te
bewegen in een willekeurige vorm. Deze beweging zal de beweging van de
deeltjes rond de kern verwarren. Hoe warmer het materiaal zal komen, hoe
slechter de beweging van de ionen rond hun eigen as zal zijn. Zo zal het materiaal
minder goed te magnetiseren zijn.
10
Als je materiaal minder goed te magnetiseren is, of zelfs niet te magnetiseren is
zal je hysteresiseffect ook verminderen of zelfs helemaal geen effect meer hebben.
Als we een materiaal met een curietemperatuur van bijvoorbeeld 1043K (Fe) willen
opwarmen tot 1500K zullen we die laatste 457°C moeten opwarmen door puur de
wervelstromen te gebruiken.
Tabel 1.1: curietemperaturen
Materiaal Curietemp. Materiaal Curietemp. Materiaal Curietemp.
(K)
(K)
(K)
Fe
1043 MnOFe2O3
573 EuS
16,5
Co
1388 FeOFe2O3
858 CrBr3
Ni
627 NiOFe2O3
858 Au2MnAl
200
Gd
292 CuOFe2O3
728 Cu2MnAl
630
88 MgOFe2O3
713 Cu2MnIn
500
318
37
Dy
MnAs
318 Y3Fe5O12
560 MnAs
MnBi
670 CrO2
386 GdCl3
MnSb
587 EuO
77 Fe2B
1015
MnB
578
2,2
11
1.2.4
Toepassingen van inductief verwarmen
Inductie verwarmen wordt in heel veel toepassingen gebruikt omdat het
rendement veel groter is dan andere toepassingen.
1.2.4. 1
INDUCTIEKOOKPLATEN
Inductiekookplaten is een nieuwe rage in de keuken, het zijn van die kookplaten
waar je niet merkt en voelt als ze aanstaan of niet. Je voelt de warmte niet omdat
deze kookplaten, zoals de naam zegt, werken op het principe van inductief
verwarmen. Je zult dus je hand niet verbranden als je de inductiekookplaat
aanlegt. Natuurlijk moet je wel opletten als je net een kookpan van de
inductiekookplaat neemt, want er is natuurlijk wel de stralingswarmte van de
kookplaat die het glas van de inductiekookplaat opwarmt.
FIG 1.8: Inductiekookplaat
Voordelen
∗
Veilig systeem: enkel de kookpot krijgt warm (door stralingswarmte zal het
beschermingsglas ook warm krijgen)
∗
Snelle opwarming: bijvoorbeeld twee liter water van 20° naar 90° opwarmen
kan met een inductieplaat op iets meer dan 5 minuten, voor gas iets meer dan
8 minuten en voor vitrokeramische kookplaten (de warmtebron zit onder een
beschermend glas) 9 minuten.
12
∗
Minder hoge temperaturen in de keuken: enkel de pot zelf en niet de
omringende ruimte wordt opgewarmd
∗
Onderhoudsvriendelijker omdat het gevaar dat een bepaald goedje zich in het
glas gaat inbranden veel lager is
∗
Inductieplaat laat bepaalde handelingen toe die niet haalbaar zijn met gewone
kookplaten tenzij je het ‘au bain-marie’ procedé toepast (bijvoorbeeld
chocolade smelten, bearnaisesaus bereiden, gerechten een halve tot een hele
dag warm houden zonder aanbrandingsgevaar.)
∗
Een heel hoog rendement:
-
Een inductie kookplaat: 90% rendement
-
Een klassieke keramische kookplaat: 60% rendement
-
Een gaskookplaat: 50% rendement
Nadelen
∗
Principe werkt alleen als de bodem van de kookpotten (gedeeltelijk) bestaat uit
ijzer. Vroeger kon dat soms een probleem geven, maar tegenwoordig zijn de
meeste verkochte kookpotten geschikt voor inductie.
∗
Bij sommige apparaten werkt de kookplaat niet als de inductiezone groter is
dan de diameter van de kookpot
13
1.2.4. 2
INDUCTIELASSEN:
Inductielassen is zoals gewoon lassen, maar je warmt je 2stukken op voorhand
door inductief verwarmen. Doordat je 2 stukken al opgewarmd zijn kan je ze heel
snel lassen zonder problemen. In de vliegtuigbouw wordt inductielassen nog op
een andere manier gebruikt, daar warmen ze de 2 stukken op en laten ze aan
elkaar smelten.
FIG 1.9: Inductief lasapparaat
Inductielassen is net als de inductiekookplaat bezig aan zijn opmars. Dit is ook niet
verwonderlijk, want inductielassen heeft veel voordelen. Nu wordt inductielassen
in tal van mogelijkheden gebruikt zoals:
♦ Pijplassen
♦ Buislassen
♦ Vernieuwen procesinstallaties
♦ Onderhoud energiecentrale
♦ Constructie zware materialen
♦ Lassen van olieleidingen
♦ Lassen van gasleidingen
♦ Allerlei laswerken met hooggelegeerde metalen
♦ Metalen met hoge sterktes
14
De voordelen van inductielassen
Lassen van pijpleidingen door ze eerst inductief te verwarmen zorgt voor een
tijdswinst van 55% ten opzichte van gewoon lassen. Eveneens verhoogt de
kwaliteit van de lasverbinding. Dit komt doordat de temperatuur en de
afkoelsnelheid zeer gemakkelijk in te stellen zijn. Het stuk kan ook nooit smelten
want via inductie kan je maar enkele graden boven de curietemperatuur werken.
Via deze manier wordt ook gas uitgespaard.
Bij de vliegtuigbouw is inductief lassen een belangrijk onderdeel. Doordat het
proces volledig te automatiseren is, is de kans op menselijke fouten aanzienlijk
kleiner. De verbindingen worden ook veel beter gemaakt en er is maar weinig
overbodig materiaal dat overblijft, wat belangrijk is voor de uitsparing van
overtollig gewicht.
1.2.4. 3
INDUCTIEHARDEN
inductie harden is zoals normaal harden, maar nu gebeurt het opwarmen door
inductie verwarmen.
Voordelen:
Rendement: - De warmte wordt in het stuk zelf gecreëerd. Er moet dus
geen warmte aan de buitenkant van het materiaal gecreëerd
worden. Dit zorgt ervoor
dat het rendement drastisch verhoogd.
Kwaliteit:
- Doordat je inductief verwarmt zal volgens het skin effect
alleen de buitenkant van je stuk materiaal opgewarmd
worden. Dit zorgt er bij gevolg voor dat alleen de buitenkant
hard zal worden. Dit is heel efficiënt bij het harden van
assen bijvoorbeeld; wanneer men een stuk materiaal volledig
hard, zal dat stuk materiaal harder zijn, maar dus ook
minder buigbaar, en als men dan dat stuk materiaal buigt zal
het materiaal sneller breken. Wanneer men nu een as
inductief zal harden zal alleen de buitenkant hard komen
en de binnenkant nog soepel blijven waardoor de sterkte van
de as niet verloren gaat.
15
2. H ARDEN
Harden is een warmtebehandeling, waarbij het staal vanuit het austenietgebied
met een zodanige snelheid wordt afgekoeld, dat perliet- en bainietvorming worden
onderdrukt, zodat het staal wordt omgezet in martensiet. De hardheid en de
weerstand tegen slijtage worden hierdoor sterk verhoogd.
2.1 H ARDHEID
De hardheid van een voorwerp is de weerstand dat het biedt tegen blijvende
vervorming aan het oppervlak onder invloed van een zeer plaatselijke belasting.
De hardheid kan men volgend enkele proeven bepalen, waaronder Rockwell,
Brinell, en Vickers de meest voorkomende zijn. De hardheid van staal hangt af van
het percentage koolstof, maar ook van andere legeringen.
2.2 M ETEN
VAN HARDHEID
Omdat het belangrijk is de kleinste verschillen in hardheid te bepalen,
ontwikkelde men verschillende methoden met elk hun specefiek
toepassingsgebied. De volgende methoden passen we het meest toe in
de praktijk:
♦ De hardheidsmeting volgens Brinell; aangeduid met HB
♦ De hardheidsmeting volgens Rockwell;
o
Met een kogel, aangeduid met FRB (B van Ball)
o
Met een kegel, aangeduid met HRC (C van Cone)
♦ De hardheidsmeting volgens Vinckers, aangeduid met HV
♦ De hardheidsmeting volgens Poldihamer, aangeduid met HP
16
2.2.1 Hardheidsmeting volgens Brinell
Bij de hardheidsmeting volgens Brinell druk je een geharde stalen kogel met een
vastgestelde diameter en met een bepaalde kracht gedurende een zekere tijd in
het materiaal. Na verwijdering van de kogel meet je de diameter van de
indrukking.
De hardheid Birnell (HB) vind je door kracht te delen door het oppervlak van het
bolsegment.
HB = F/A = F/(0.5пD(D-√(D²-d²))
met:
(2.1)
D = diameter kogel (mm)
F = Belasting (N)
t = Belastingstijd (t)
In de praktijk zal men deze berekening niet maken, maar zal men de waarden uit
een tabel aflezen.
Voordelen
♦ Betrekkelijk grote indrukking waardoor je de gemiddelde hardheid van niethomogene materialen kunt meten.
Nadelen
♦ De proef wordt meestal uitgevoerd met een stalen kogel waardoor je
slechts hardheden kunt meten kleiner dan 450 HB.
♦ In sommige gevallen wordt het werkstuk onbruikbaar door de inkrimping.
♦ De hardheidsbepaling is tijdrovend, omdat de indrukking van de kogel en
het meten van de indrukking 2 gescheiden handelingen zijn.
17
2.2.2 Hardheidsmeting volgens Rockwell
De hardheidsmeting volgen Rockwell pas je heel veel toe omdat je gier geen
bijkomende metingen moet doen. Men gaat ervan uit dat de diepte van een
indrukking kleiner is bij hardere dan bij zachtere materialen. Dus men kan nu de
hardheid meten aan de hand van de diepte van de indrukking. De
Rockwellhardheidsmetingen kan gebeuren met twee verschillende indruklichamen
afhankelijk van het materiaal waarvan je de hardheid wilt kennen.
FIG 2.1: Apparaat om Rockwellhardheid te meten.
2.2.2. 1 M E T H O D E M E T D E K E G E L (HRC)
Bij deze methode druk je een diamanten kegel met een tophoek van 120° in het
materiaal met een voorlast van 100N. Zo drinkt de punt een klein stukje in het
materiaal. De wijzer stellen we in op 100N. Dan wordt de hoofdlast van 1400N
langzaam op de kegel gebracht. De uitwijking van de wijzer wordt bepaald na een
tijd wachten, omdat het materiaal achteraf nog een klein beetje terugduwt. Deze
waarde geven we weer in HRC.
18
Voordelen
♦ Doordat de hardheid van diamant veel hoger is dan die van gehard staal,
kan je alles stalen meten.
♦ Door de geringe indrukking beschadig je het werkstuk minder dan bij
Brinell
♦ De hardheidsmeting loopt snel doordat het indrukken en het meten slechts
1 handeling vragen.
Nadelen
♦ Door de geringe indrukking is de kans op meetfouten groot.
2.2.2. 2 M E T H O D E M E T E E N B A L (HRB)
Omdat de HRC-meting een beperkt toepassingsgebied heeft, ontwikkelde Rockwell
een methode met een geharde stalen kogel van 1/16”. Het verschil met de HRCmeting is dat de hoofdlast hier slechts 900N bedraagt. Je drukt de kogel in het
materiaal met een voorlast van 100N. Als je de hoofdlast wegneemt meet je de
HRB-waarde.
Je past de HRB-methode toe bij niet gehard staal, gietijzer en harde non-ferro
metalen.
19
2.2.3 Hardheidsmeting volgens Vickers (HV)
Hier gebruik je een diamanten lichaam, dat de vorm heeft van een piramide met
een vierkante basis en een tophoek van 136°. Je drukt het lichaam met een
bepaalde kracht F gedurende een zeker tijd in het materiaal. Na verwijdering van
de piramide meet je de gemiddelde diagonaal van de indrukking. Deze metingen
gebeuren met hetzelfde apparaat als bij Rockwell.
FIG 2.2: Hardheidsmeting volgens Vickers
De hardheid in Vickers kun je bepalen door een kracht F te delen door de
oppervlakte van de piramidevormige indrukking.
De resultaten van Vickers zijn niet afhankelijk van de kracht. Aangezien je steeds
dezelfde piramidevorm gebruikt, vind je bij een grotere kracht ook een grotere
oppervlakte van indrukking, zodat de kracht gedeeld door de oppervlakte gelijk
blijft.
De uitkomende waarden druk je uit in HV
voordelen
♦ Met hetzelfde indrukkingslichaam kun je de hardheid van zowel
harde als zachte materialen bepalen.
♦ Door de geringe indrukking beschadig je het werkstuk minder dan
bij Brinell.
♦ De hardheidsmeting is nauwkeurig.
♦ De hardheid van dunne platen kun je meten met de geringste
belasting.
20
Nadelen
♦ Door de geringe indrukking kun je de gemiddelde hardheid van
niet-homogene materialen niet meten.
♦ De hardheidsbepaling is tijdrovend doordat het indrukken en het
meten ervan 2 gescheiden handelingen zijn.
2.2.4 Hardheidsmeting met Poldihamer (HP)
je schuift een geijkt staafje waarvan je de HB kent in het toestel, aan de
bovenkent van de kogel. Je zet het toestel met de kogel op het testmateriaal. Met
de hamer klop je op het toestel en de kogel zorgt voor een indrukking zowel in het
testmateriaal S' als in het geijkte staafje S. Je meet de beide indrukkingen en
bepaalt de oppervlakken. A en A'. je weet dat HB=F/A of F= HB.A. De poldihardheid is, zoals bij brinell, gelijk aan: HP=F/A'
FIG 2.3: Meetapparaat voor hardheidsmeting volgens Poldihamer
Het voordeel van Poldihamer is dat het klein, draagbaar en goedkoop is. De
moeilijkheid hier is, net zoals bij Brinell, het bepalen van de diameter.
21
Voorwaarden
Het is niet zo dat we ieder staal kunnen harden. Er moet namelijk een bepaalt
percentage koolstof in het staal zitten voor dit hard zal worden. De invloed van
koolstof op staal wordt in het volgende diagram, namelijk het Fe-C diagram,
duidelijk gemaakt.
FIG 2.4: Het Fe-C diagram
In het Fe-C diagram hierboven word de temperatuur in functie van het procenten
koolstof weergegeven. Alle volle lijnen stellen omvormingslijnen van structuur naar
structuur voor.
22
2.3 I NVOED
VAN HET KOOLSTOFGEHALTE
2.3.1 Koolstofgehalte van minder dan 0.3%
Als we staal harden met minder dan, of net 0.3% koolstof zullen we de hardheid in
de praktijk bijna niet merken. Daarom zullen we zo’n staal bijna nooit in de
praktijk doen.
2.3.2 Koolstofgehalte van 0.3 tot 0.9%
Als we zo’n staal zullen harden, zullen we de hardheid ook echt merken. We
moeten het materiaal nu opwarmen boven de GS lijn (zie Fe-C diagram), dit omdat
we dan zuiver austeniet verkrijgen en het is austeniet die hard kan komen, als we
snel genoeg afkoelen (zie het T-T-T-diagram). In de driehoek PGS hebben we ook
austeniet, maar er zit dan ook nog een ferrietstructuur in het staal. Alleen het
austeniet zal hard komen, dus zal je materiaal minder hard zijn. Als we nu een
Eutectoïdestaal (0.9%C) hebben zullen we het materiaal maar tot een maximum
temperatuur van 721°C mogen brengen(*). Dit omdat de structuur bij het
opwarmen direct van perliet naar austeniet gaat zonder dat er een ferriet- of
cementietstructuur gevormd wordt.
Als we dus het staal van 0.3 tot 0.9% koolstof eerst opwarmen tot boven de GS
lijn, en dan snel genoeg afkoelen (zie het T-T-T-diagram) zullen we een maximum
hardheid bekomen.
23
2.3.3 Koolstofgehalte van meer dan 0.9%
We zien wanneer we meer dan 0.9% koolstof in het staal hebben, dat er dan
automatisch een cementietstructuur zal gevormd worden. Cementiet is al van
nature hard, dus me moeten nu alleen tot boven 721°C opwarmen (*). Dan zullen
we de aanwezige austenietstructuur ook kunnen harden als we die op de juiste
manier afkoelen.
(*) Om kristalgroei te vermeiden, wat een nadelige invloed heeft op de
mechanische eigenschappen van het staal moet we maken dat we het staal toch
altijd 50°C boven de GS lijn verhitten.
2.3.4 Koolstofgehalte van meer dan 1.7%
Staal met een koolstofgehalte van meer dan 1.7% is eigenlijk geen staal meer, dit
is gietijzer en zal men in de praktijk niet meer harden omdat het al van nature
hard is, dit komt omdat er veel cementiet in zit.
2.4 T.T.T.- DIAGRAM
Bij het tot nu toe behandelde T.T.T.-diagram voor isotherme omzettingen worden
de proefstukjes zeer snel afgekoeld tot de omzettingstemperatuur en vervolgens
isotherm getransformeerd. Dit heeft het voordeel, dat in het algemeen slechts één
omzettingsstructuur ontstaat, die karakteristiek is voor de gebruikte temperatuur.
Voor de theoretische bestudering van de austeniettransformaties zijn deze
diagrammen zeer geschikt. Bij de belangrijkste technische warmtebehandelingen
worden werkstukken met verschillende snelheden continu afgekoeld vanaf de
austeniteertemperatuur tot kamertemperatuur.
24
Voor de beschrijving van de omzettingen, die tijdens deze afkoeling optreden is
het isotherme T.T.T.-diagram niet goed bruikbaar. Men is daarom overgegaan tot
het samenstellen van T.T.T.-diagrammen voor continue afkoeling. Hiervoor
worden proefstukken met bepaalde voorgeschreven snelheden vanuit het
austenietgebied afgekoeld, waarbij het verloop van de omzetting wordt gemeten.
Aangezien de transformatie plaatsvindt bij verschillende temperaturen en de aard
van het omzettingsproduct wordt bepaald door de temperatuur waarbij het
gevormd is, zal bij deze methode een hele reeks verschillende structuren in het
proefstuk ontstaan. Deze structuren zijn dikwijls moeilijk te onderscheiden en te
definiëren.
2.4.1 Bepaling T.T.T. –Diagram
Voor de bepaling van het afkoelings-T.T.T.-diagram gaat men als volgt te werk:
tijdens de afkoeling wordt de temperatuur als functie van de tijd geregistreerd.
Het resultaat wordt uitgezet in een temperatuur-log.tijd-diagram. Op deze
afkoellijn worden het begin- en eindpunt van de vorming van de verschillende
structuurbestanddelen en eventueel de daarvan gevormde percentages
aangegeven. Dit proces wordt herhaald voor een aantal verschillende
afkoelsnelheden. De verkregen punten voor overeenkomstige
omzettingstoestanden op de verschillende afkoellijnen worden door vloeiende
lijnen verbonden, waarmee het T.T.T.-diagram is bepaald. Enkele voorbeelden van
afkoelings-T.T.T.-diagrammen zijn gegeven in de figuren 2.5 en 2.6. In deze
figuren zijn tevens de bijbehorende isotherme-T.T.T.-diagrammen weergegeven.
25
FIG 2.5: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling van
koolstofstaal met 0,45% C.
26
Uit deze figuren blijkt, dat er aanzienlijke verschillen bestaan tussen de isotherme
en afkoelings-T.T.T.-diagrammen. Het belangrijkste is wel een verschuiving van
alle omzettingen naar lagere temperaturen en langere tijden bij het
afkoelingsdiagram. Bij koolstofstaal ontstaat tijdens de afkoeling vrijwel geen
bainiet. Door de bij dalende temperatuur sterk afnemende bainietvormingssnelheid
is de tijdens de afkoeling beschikbare tijd te kort om bainiet te laten ontstaan. In
figuur 2.5 en figuur 2.6 zijn tevens de hardheden in Vickers- of Rockwell Ceenheden aangegeven, die met de verschillende afkoelsnelheden werden
verkregen.
27
FIG 2.6: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling van een
laaggelegeerd veredelingsstaal.
28
Bij het gebruik van de T.T.T.-diagrammen voor continue afkoeling moet men er
rekening bij houden dat zij strikt genomen slechts geldig zijn voor de chemische
samenstelling van het proefmateriaal en voor de bij de bepaling gebruikte
austeniteringscondities en austenietkorrelgrootte. Afwijkingen van deze
omstandigheden kunnen verschuivingen in de ligging van het diagram ten gevolge
hebben.
2.4.2 De afkoeling van technische werkstukken
Met behulp van de T.T.T.-diagrammen voor continue afkoeling kunnen structuren
en eigenschappen van werkstukken, die zijn afgekoeld vanuit het austenietgebied,
worden bepaald. Hiervoor is het echter noodzakelijk de afkoelsnelheid als functie
van de plaats in het werkstuk te kennen. Men kan deze experimenteel bepalen
door het aanbrengen van thermokoppels in het werkstuk. Voor eenvoudige
gevallen en onder bepaalde aannamen is het ook mogelijk het afkoelingsverloop te
berekenen. Bij de beschrijving van de afkoelingen in een stuk staal heeft men te
maken met de volgende factoren:
♦ werkstukafmeting
♦ plaats in het werkstuk
♦ afkoelmedium
Het één en ander is het gemakkelijkst toe te lichten voor de afkoeling van ronde
staven van zeer grote lengte. Wat de afmeting betreft is hier de diameter van de
staaf de bepalende factor, doordat warmte-uitwisseling met de omgeving alleen in
radiale richting plaatsvindt. De plaats in de staaf wordt aangeduid door de
verhouding:
Afstand tot de kern (r)
Straal van de ronde staaf (R)
De waarde van deze verhouding varieert tussen 0 (in de kern) en 1 (aan het
oppervlak). Behalve over de kernafkoeling wenst men vaak ook iets te weten over
de afkoeling op de plaatsen halverwege oppervlakte en kern (r/R = 0,5), in de
randzone (bijvoorbeeld voor r/R = 0,8) en vlak onder de oppervlakte (r/R = 0,95).
De meest gebruikte afkoelmiddelen zijn water, olie en lucht.
29
In het bovenste gedeelte van figuur 2.7 is de temperatuur-tijdsafhankelijkheid
aangegeven van de afkoeling in water (van 800 °C tot kamertemperatuur) op de
vier genoemde plaatsen van een staaf met een diameter van 60 mm. Uit deze
temperatuur-tijdsafhankelijkheid valt af te leiden, dat voor de plaatsen O
(oppervlakte), R (randzone), M (midradius) en K (kern) de afkoeltijd van 800 tot
500 °C respectievelijk 5, 15, 30 en 40 seconden bedraagt. De afkoeltijd van 800
tot 500 °C wordt vaak gebruikt als parameter om de afkoelkromme te
karakteriseren. Men heeft nu gevonden dat tussen deze afkoelparameter t800/500
en de staafdiameter D het volgende verband bestaat:
log D = A log t800/500 + B
waarin A en B constanten zijn. Uitgezet op dubbellogaritmisch papier moet volgens
deze beschouwing het verband tussen staafdiameter en de benodigde afkoeltijd
voor een bepaalde plaats in het werkstuk dus een rechte lijn worden. Aan de
onderzijde van figuur 2.7 is een dergelijk verband aangegeven voor de afkoeling
op verschillende plaatsen van ronde staven in water.
30
FIG 2.7: Afkoeling van lange ronde staven in water.
Hetzelfde is het geval voor de in figuur 2.8 getekende afkoeltijden, die gelden voor
de afkoeling van ronde staven in olie en lucht. Afkoeling in lucht betekent
afkoeling in rustige lucht, terwijl bij de afkoeling in water en olie een langzame
beweging van het proefstuk of het bad wordt verondersteld.
31
Voor de afkoeling in de kern van willekeurig gevormde werkstukken kan een
schatting van de afkoelparameter t800/500 gemaakt worden op grond van de
regel dat de afkoeling in de kern van twee werkstukken bij benadering dezelfde is
als ze een gelijke verhouding tussen volume en buitenoppervlakte hebben. Als
standaard wordt nu genomen een lange ronde staaf met diameter D, waarvan de
verhouding volume gedeeld door oppervlakte, diameter op 4 bedraagt.
FIG 2.8: Afkoeling van lange ronde staven in olie en lucht.
32
Als voorbeeld van de toepassing van deze regel bepalen we de hardheid en de
structuur in de kern van een rechthoekige staaf van het in figuur 2.6 genoemde
veredelingsstaal na afschrikken in olie. Afmetingen van de staaf: 100 × 50 × 50
mm. De verhouding volume op oppervlakte is dan
♦ (100 x 50 x 50)/(4 x 100 x 50+2 x 50 x 50)= 250000/25000=10
De kernafkoeling komt dus overeen met die van een lange ronde staaf met een
diameter van 40 mm. Bij afkoeling in olie is t800/500 gelijk aan 40 seconden zoals
blijkt uit figuur 2.8. Volgens figuur 2.6 bestaat de structuur dan uit 5% ferriet,
60% bainiet en 35% martensiet. De hardheid is 34 HRC.
De reden waarom dergelijke omrekeningen alleen voor kernafkoelingen gelden, is
dat plaatsen tussen oppervlakte en kern van willekeurig gevormde werkstukken
moeilijk vergelijkbaar zijn met overeenkomstige plaatsen in een lange ronde staaf.
Uitstekende gedeelten aan werkstukken zullen bijvoorbeeld sneller afkoelen dan
andere plaatsen aan het oppervlak.
2.4.3 De kritische afkoelsnelheid
De kleinste afkoelsnelheid nodig om het staal volledig in martensiet om te zetten
wordt de kritische afkoelsnelheid genoemd (zie figuur 2.9). Indien deze snelheid
niet wordt bereikt zal er bij ongeveer 500 °C, in het gebied van de neus van de
T.T.T.-kromme, perliet in zeer fijne vorm ontstaan (troostiet). In een proefstuk
van grotere afmetingen zijn de afkoelsnelheden aan het oppervlak en in de kern
van het proefstuk niet dezelfde. Dit verschil neemt toe naarmate de afkoelende
werking van het afschrikmedium groter is. Hierdoor kunnen aan het oppervlak en
in de kern van het proefstuk geheel verschillende structuren worden gevormd. Om
een groot werkstuk geheel in martensiet om te zetten is het noodzakelijk, dat ook
in de kern van het stuk de kritische afkoelsnelheid wordt overschreden. Men
spreekt in dat geval van een volledige doorharding.
33
FIG 2.9: De variatie van de microstructuur als functie van de afkoelsnelheid voor
een perlitisch staal. De kritische afkoelsnelheid is aangegeven door een stippellijn.
1. Austeniteren en afkoelen in oven; 2. normaalgloeien; 3. in olie afgeschrikt; 4. in
water afgeschrikt; 5. kritische afkoelsnelheid.
De kritische afkoelsnelheid is afhankelijk van alle factoren, die de neus van het
T.T.T.- diagram verplaatsen. Zo is het effect van het koolstofgehalte in
ongelegeerd staal op de kritische afkoelsnelheid weergegeven in figuur 2.10. Bij
perlitisch staal is deze minimaal. Bij dalende koolstofgehalten neemt de kritische
afkoelsnelheid snel toe. Bij bovenperlitisch staal is de toename slechts klein.
34
FIG 2.10: Het verband tussen koolstofgehalte en kritische afkoelsnelheid bij
ongelegeerd staal.
2.4.4 De hardingsdiepte
FIG 2.11: Verloop van de hardheid over de doorsnede van een geharde ronde
staaf van perlitisch koolstofstaal met een diameter van 20 mm.
35
Een zeer belangrijke grootheid is de afstand onder het staaloppervlak tot waar de
harding optreedt bij een bepaalde afkoelmethode. Men noemt deze afstand de
hardingsdiepte of ook wel de doorhardingsdiepte. Bij ongelegeerd staal is de
doorhardingsdiepte gering. Bij afschrikken in water van perlitisch staal zal,
afhankelijk van het mangaangehalte, de dikte van de geharde laag 3-10 mm
bedragen. Deze kan worden gemeten door het staal door te slijpen, te polijsten en
vervolgens de hardheid over de doorsnede te meten. Hierbij ontstaat een beeld als
weergegeven in figuur 2.11.
De martensietstructuur aan het oppervlak heeft een hardheid van ca. 66 HRC. De
perlietstructuur in de kern is veel zachter (ca. 40 HRC). In de figuur is ook een
horizontale lijn getekend overeenkomend met de hardheid van een mengstructuur
van 50% martensiet en 50% perliet. Deze is ongeveer 0,8 van de in de staalsoort
optredende maximale hardheid, in dit geval 54 HRC. Deze lijn snijdt de lijn voor de
hardheid op het punt, waar de helling het grootst is. De grens voor 50%
martensiet kan daardoor nauwkeurig worden bepaald. Deze grens komt goed
overeen met de door de microscoop of met het blote oog waarneembare overgang
van martensiet naar perliet. In verband hiermee wordt deze grenslijn gewoonlijk
gebruikt als criterium voor de meting van de doorhardingsdiepte van
veredelingsstaal. Bij gereedschapsstaal eist men gewoonlijk meer dan 90%
martensiet of eenhardheid groter dan 0,9 × de maximaal bereikbare waarde.
FIG 2.12: Schematisch verloop van de hardheid over de doorsnede van geharde
staven uit een zelfde materiaal met verschillende diameters.
36
De hardingsdiepte is afhankelijk van een aantal variabelen, zoals de chemische
samenstelling van het staal, de austeniteertemperatuur, de austenietkorrelgrootte,
de afmetingen van de staaf en het afschrikmiddel. De invloed van de
staafafmetingen onder overigens gelijke hardingsomstandigheden wordt
geïllustreerd in figuur 2.12, waarin voor verschillende staafdiameters het verloop
van de hardheid over de doorsnede schematisch is weergegeven bij harding in
pekel (een oplossing van keukenzout in water).
Uit de figuur blijkt, dat de staaf met een diameter van 25 mm juist tot in de kern
doorhardt (50% martensiet). Alle staven met kleinere diameters harden volledig
door; dikkere staven vertonen een zachte kern van perliet. De diameter, die juist
volledig doorhardt, wordt kritische diameter genoemd. Deze is afhankelijk van de
aard van het staal en de hardingsbehandeling.
De kritische diameter kan worden gebruikt om het hardingsvermogen van het staal
te karakteriseren. Het in figuur 2.12 weergegeven staal heeft nog een betrekkelijk
kleine hardingsdiepte, zij het groter dan die van ongelegeerd staal. Door
toevoeging van geschikte legeringselementen kan de doorharding (de kritische
diameter) worden vergroot, het T.T.T.-diagram schuift naar langere tijden, de
kritische afkoelsnelheid neemt af. De kritische diameter is ook afhankelijk van het
afschrikmiddel. Met behulp van de gegevens uit figuur 2.6 kan men de afkoeltijd
van 800 naar 500 °C in de kern van een werkstuk bepalen als functie van de
afmetingen bij afkoeling in water, olie of lucht.
Met behulp van T.T.T.- diagrammen voor continue afkoeling kan de kritische
afkoelsnelheid of de daaruit af te leiden kritische afkoeltijd t800/500 worden
bepaald voor het verkrijgen van 50% martensiet. Combinatie van deze gegevens
weergegeven T.T.T.-diagram van een Cr-Mo veredelings-staal een kritische
afkoeltijd t800/500 voor 50% martensiet en 50% bainiet gevonden van ca. 13 sec.
37
Voor lange ronde staven volgt uit figuur 2.7, dat de kritische diameter bij harding
in water 28 mm bedraagt. Bij harding in olie zou dit ca. 18 mm zijn (ga dit na),
terwijl bij afkoeling in lucht geen harding optreedt. Op deze wijze kan dus het
resultaat van de hardingsbehandeling van een werkstuk uit een bepaalde
staalsoort worden voorspeld, mits men kan beschikken over een T.T.T.- diagram
voor continue afkoeling van die staalsoort. Voor vrijwel alle standaardstaalsoorten
zijn dergelijke T.T.T.-diagrammen in de literatuur te vinden. Door de fabrikanten
van gelegeerde staalsoorten worden eveneens T.T.T.-diagrammen van de door
hen geleverde staalsoorten gepubliceerd.
2.4.5 Austeniteren
Onder de factoren, die het resultaat van de harding beïnvloeden, nemenDe
austeniteringsomstandigheden een belangrijke plaats in. De
austeniteertemperatuur of de hardingstemperatuur wordt bij onderperlitische
staalsoorten 30 – 70 °C boven de lijn GS van het Fe-C diagram gekozen (zie figuur
2.1). De austeniteertijd moet lang genoeg zijn om alle carbiden in oplossing te
doen gaan. Bij een te hoge temperatuur of te lange gloeitijd zal korrelgroei
optreden. Hierdoor wordt de bij het harden gevormde martensiet grover, waardoor
de taaiheid daalt. Bij bovenperlitisch staal kiest men de hardingstemperatuur 30 –
70 °C boven de eutectoïdische temperatuur. Hogere hardingstemperaturen
veroorzaken namelijk te veel restausteniet, waardoor de hardheid daalt. Bij de
voor bovenperlitisch staal gebruikelijke hardingstemperaturen gaat randcementiet
niet in oplossing. Hierdoor wordt een sterke vermindering van de taaiheid na
harding veroorzaakt. Voor het harden van bovenperlitisch staal moet men daarom
altijd uitgaan van zachtgegloeid materiaal.
38
2.4.6 Afschrikken
Reeds herhaaldelijk is ter sprake gekomen, dat het afschrikmiddel een belangrijk
effect op de resultaten van de harding heeft. Grote verschillen treden op in de
afkoelsnelheden bij afkoelen in water, olie of lucht. Hoe sneller wordt afgeschrikt,
des te groter zullen de temperatuurverschillen tussen rand en kern van het
werkstuk zijn. Uit figuren 2.7 en 2.8 blijkt, dat bij afkoeling van grotere
werkstukken in water en olie temperatuurverschillen van enkele honderden graden
kunnen optreden.
Een eenvoudige berekening leert, dat ten gevolge van het verschil in thermische
uitzetting van rand en kern, de rekgrens van het materiaal wordt overschreden.
Hierdoor zullen in de warmere kern van het werkstuk plastische vervormingen
optreden; in lange staven wordt de kern daardoor korter en dikker. Bij voltooide
afkoeling, als de temperatuur weer overal hetzelfde is geworden, past de
vervormde kern niet meer in de buitenmantel. Dit afmetingverschil veroorzaakt
drukspanningen in de mantel en trekspanningen in de kern, die de rekgrens van
het materiaal benaderen.
Ten gevolge van de plastische vervormingen treden goed meetbare veranderingen
van de werkstukafmetingen op. Lange staven worden door het afschrikken korter
en dikker. Naast deze zuiver thermische spanningen en vervormingen ontstaan
ook spanningen en vervormingen door de uitzetting ten gevolge van de overgang
van austeniet naar martensiet. Bij niet volledig doorhardende werkstukken zal het
martensitische randmateriaal een groter volume hebben dan de perlitische kern.
Ook hierdoor komt de rand onder drukspanningen en de kern onder
trekspanningen te staan.
Bij volledige doorharding zal ten gevolge van het temperatuurverschil tussen rand
en kern de martensiet het eerst gevormd worden aan de randen van het werkstuk.
De warmere kern kan hierdoor plastisch vervormen; lange staven worden langer
en dunner. Bij voltooide afkoeling zal nu de kern onder drukspanningen en de rand
onder trekspanningen staan. De uitwerking van de thermische vervormingen en
van de martensietvorming op de inwendige spanningsvorming is hier tegengesteld.
De laatste zal echter gewoonlijk overheersen.
39
De bovengenoemde effecten kunnen nog vergroot worden door dikteverschillen in
het werkstuk, of door de aanwezigheid van scherpe hoeken, die kerfwerking
veroorzaken.
Samenvattend kan worden gesteld, dat ten gevolge van de harding in een
werkstuk een zeer gecompliceerde spanningstoestand kan ontstaan met
spanningen gelijk aan de rekgrens van het materiaal. In symmetrische
werkstukken veroorzaken de bovengenoemde effecten meestal gelijkmatig
verlopende veranderingen van de afmetingen.
In niet-symmetrische werkstukken kunnen door ongelijkmatige spanningen sterke
vormveranderingen optreden (trekken). De inwendige spanningen kunnen ook de
oorzaak zijn van hardingsscheuren. De kans op hardingsscheuren is groter
naarmate sneller wordt afgeschrikt en naarmate het koolstofgehalte van het staal
groter is, ten gevolge van de grotere volumeveranderingen en kleinere taaiheid bij
hogere koolstofgehalten. Hardingsscheuren hoeven zich niet direct bij de harding
te vormen, soms kunnen zij na dagen of weken nog ontstaan. Daarom is het
noodzakelijk om voor hardingsscheuren gevoelige staalsoorten onmiddellijk na het
afschrikken te ontlaten. Hierdoor neemt de taaiheid van het staal toe en worden
de inwendige spanningen verlaagd. Dit ontlaten gebeurt meestal bij 180 – 220 °C.
In verband met het optreden van hardingsspanningen en scheurgevaar moet de
afkoelsnelheid zo laag mogelijk worden gekozen als met de vereiste doorharding
te verenigen is. Ongelegeerd staal moet altijd in water worden afgekoeld, in
verband met de geringe doorharding. Laaggelegeerd staal kan echter gewoonlijk
in olie worden afgekoeld, terwijl vele hooggelegeerde staalsoorten luchthardend
zijn. Grote en gecompliceerde werkstukken, waarbij het scheurgevaar groot is,
zullen daarom van hooggelegeerd staal worden gemaakt, opdat de
hardingsspanningen kunnen worden beperkt door luchtharding.
40
2.4.7 Speciale hardingsmethoden
De hardingsspanningen kunnen worden verminderd door het werkstuk eerst in een
bad af te schrikken, waarvan de temperatuur dicht boven het Ms-punt ligt. Daar
het temperatuurverschil tussen werkstuk en afschrikbad kleiner is, verloopt de
afkoeling langzamer en zal de temperatuurgradiënt in het werkstuk kleiner zijn.
Men houdt het werkstuk in het bad tot de temperatuur over de hele doorsnede
gelijk is geworden en koelt het daarna in lucht verder af tot kamertemperatuur.
Hierbij treden slechts geringe temperatuurverschillen op in het werkstuk, waardoor
de martensietvorming overal tegelijk plaatsvindt en dus geen spanningen zal
veroorzaken. Men noemt deze methode een getrapte harding of een
warmbadharding (Engels: martempering). Deze is alleen mogelijk bij gelegeerd
staal met een lage kritische afkoelsnelheid en een trage bainietomzetting,
aangezien anders het staal gedeeltelijk in perliet of bainiet wordt omgezet. Het
temperatuurverloop bij warmbadharding is schematisch weergegeven in figuur
2.13. Na de warmbadharding moet normaal worden ontlaten. Als afschrikbad bij
de getrapte harding kunnen zout-, olie- of metaalbaden worden gebruikt.
FIG 2.13: Schematische voorstelling van de getrapte harding (a–b) en de
isotherme harding (a–c).
41
Men kan het werkstuk ook in het afschrikbad laten tot de isotherme omzetting
geheel is voltooid (figuur 2.13). Het eindproduct is dan bainiet; minder hard maar
taaier dan martensiet. Men noemt dit isotherm of bainitisch harden. Ontlaten is in
dit geval niet meer nodig. In vele werkstukken wenst men een hard slijtvast
oppervlak in combinatie met een taaie kern. Dit kan men bereiken door een
oppervlakteharding. Hierbij wordt het oppervlak van het werkstuk zeer snel
opgewarmd tot in het austenietgebied, terwijl het kernmateriaal zo koud blijft dat
daarin geen omzetting kan optreden. Vervolgens wordt het staal in water
afgeschrikt. Er vormt zich dan een geharde laag, die zich niet verder uitstrekt dan
het materiaal in austeniet was omgezet. De verwarming bij de oppervlakteharding
kan gebeuren met een gasvlam (vlamharden), of door het opwekken van
hoogfrequent inductiestromen in het oppervlak (inductieharden). Men kan op deze
manier een hardingsstructuur in de oppervlaktelaag combineren met een
veredelingsstructuur in de kern van het werkstuk. Deze hardingsmethoden worden
gewoonlijk alleen voor seriewerk toegepast bijvoorbeeld voor tandwielen of
nokkenassen.
2.4.8 Ontlaten
Na het afschrikken van staal moet altijd een ontlaatbehandeling volgen om de
brosheid van de martensiet te verminderen. Bij gereedschapsstaal gebeurt dit
ontlaten door 1 à 2 uur te verhitten op 180 – 220 °C. De reacties, die optreden
tijdens dit ontlaten, werden reeds vroeger besproken. Het ontlaten kan
plaatsvinden in olie- of zoutbaden, of in ontlaatovens met luchtcirculatie.
42
2.4.9 Veredelen
Onder het veredelen van staal verstaat men een combinatie van harden en
ontlaten op hoge temperaturen (550 – 700 °C). Na het ontlaten wordt snel
afgekoeld in olie, of bij kleine stukken in lucht.
Het doel van het veredelen is het verkrijgen van een zeer fijne verdeling van
carbiden in een fijnkorrelige ferritische grondmassa. Deze structuur vertoont een
optimale combinatie van hoge sterkte en taaiheid. Het veredelen wordt toegepast
bij ongelegeerde en gelegeerde staalsoorten met 0,2 – 0,6% C. Gewoonlijk liggen
de koolstofgehalten van veredelingsstaalsoorten tussen 0,3 en 0,4%. De carbiden
in veredelingsstaal zijn cementiet of speciale carbiden.
Met toenemende ontlaattemperatuur nemen de hardheid, treksterkte en rekgrens
af,terwijl de rek, insnoering en kerftaaiheid van het staal toenemen. Men geeft dit
gewoonlijk aan in ontlaatdiagrammen, zoals bijvoorbeeld weergegeven in figuur
2.9. De eigenschappen zijn behalve van de ontlaattemperatuur ook van de
ontlaattijd afhankelijk. Het ontlaatproces is een diffusieproces. Men kan dezelfde
resultaten bereiken door lang ontlaten bij lage temperatuur of door kort ontlaten
bij hoge temperatuur.
De resultaten van de veredelingsbehandeling zijn afhankelijk van de mate van
doorharding bij het harden. Bij onvolledige doorharding zijn de eigenschappen van
rand en kern van het werkstuk na het veredelen verschillend. Deze verschillen zijn
echter minder groot dan direct na het harden en zij nemen met toenemende
ontlaattemperatuur af.
De eigenschappen van laagbainiet verschillen na hoog ontlaten heel weinig van die
van martensiet. Hierdoor is de doorhardingsdiepte na veredelen groter dan na het
harden alleen. Ook als de doorharding van het staal slechts gering is, heeft
veredelen vaak nog zin. Hierdoor wordt in de kern van het werkstuk een fijne
perlietstructuur (troostiet) gevormd, die betere mechanische eigenschappen heeft
dan de grovere perliet, die ontstaat bij het normaalgloeien. Bij gelijke sterkte zijn
de rekgrens, de rek en de taaiheid van een veredeld staal belangrijk hoger dan
van een gewalst of normaal gegloeid staal, zoals blijkt uit tabel 2.1.
43
FIG 2.14: Ontlaatkrommen voor 3 verschillende staalsoorten. Staafdiameter 60
mm. Ontlaattijd 2 uur. 1) treksterkte in N/mm2; 2) rekgrens in N/mm2; 3)
insnoering in %; 4) rek in %.
Tabel 2.1: Sterkte-eigenschappen van C60 in walstoestand en na veredelen.
Door het veredelen worden ook de mechanische eigenschappen bij hoge en bij
lage temperaturen verbeterd. Tevens neemt de kruipsterkte toe. Ten gevolge van
de fijne structuur ligt de overgangstemperatuur van de kerfslagwaarde in veredeld
staal belangrijk lager dan in normaalgegloeid staal.
44
2.4.10 Isotherm veredelen
Veredelen kan ook plaatsvinden na een isotherme omzetting in het bainietgebied,
het bainitisch harden. Dit heeft het voordeel, dat bij het harden veel minder maaten vormveranderingen zullen optreden. Na het bainitisch harden wordt op
overeenkomstige manier ontlaten als bij het gewone veredelen. Voor sommige
toepassingen kan de omzetting op hogere temperatuur in het bainietgebied
plaatsvinden. De gevormde bainiet is dan zachter en taaier, waardoor de extra
ontlaatbehandeling achterwege kan blijven. Deze wijze van veredelen is alleen
mogelijk bij gelegeerde staalsoorten, waarbij de kritische afkoelsnelheid voldoende
laag is om de perlietneus te kunnen vermijden. De volledige omzetting in bainiet
vergt soms zeer veel tijd.
Een variant van het isotherm veredelen is het patenteren van staaldraad. Deze
wordt hierbij direct uit de austeniteringsoven door een loodbad van 500 – 550 °C
gevoerd en daarin isotherm getransformeerd, waarbij een troostitische structuur
ontstaat. Hierbij moet men de vorming van pro-eutectoïde ferriet vermijden. De
aldus isotherm veredelde draad is sterk en zeer taai en kan door trekstenen
nagetrokken worden, waarbij treksterktes van 2000 N/mm2 (liftkabels) en zelfs
van 3000 – 3500 N/mm2 (pianosnaren) worden bereikt.Zeer grote hoeveelheden
gepatenteerde staaldraad worden verwerkt tot wapeningsstaven voor
voorgespannen beton. De treksterkte ligt daarbij rond de 1750 N/mm2.
45
3. SKIN EFFECT
3.1 I NLEIDING
Als we een tandwiel inductief gaan verwarmen zien we duidelijk dat alleen de
buitenkant roodgloeiend komt. (zie figuur 3.1)
FIG 3.1: Skin effect op tandwiel
Dit is te wijten aan het skin effect, namelijk dat de wervelstromen zich gaan
concentreren aan de buitenkant van je materiaal. Dit is heel efficiënt omdat je nu
alleen de buitenkant tot de gewenste temperatuur brengt, en dus niet heel het
stuk moet opwarmen. Het voordeel is dat de binnenkant niet word gehard, omdat
die niet tot de austenieteertemperatuur wordt gebracht. De binnenkant blijft taai,
en kan dus niet zo gemakkelijk breken, maar eerder buigen. Bij een tandwiel of
een as is het ook niet nodig dat de binnenkant gehard word
3.2 P RINCIPE
Het skin effect is fysisch uit te leggen door volgende figuur 3.2.
In dit geval is de hoofdflux, de flux dat opgewekt wordt door de spoel, stijgend in
functie van de tijd (oranje stippellijn). De stijging van de flux is voorgesteld door
de groene pijl.
46
FIG 3.2: Stijging van de hoofdflux
Doordat er een veranderende flux door een elektrisch geleidend materiaal loopt
zullen er in dat materiaal wervelstromen zijn (rode cirkels). Rond deze stromen zal
er een magnetisch veld ontstaan die de zin heeft volgens de rechterhandregel
(blauwe cirkels). Deze blauwe cirkels zullen zich in heel het materiaal verspreiden.
Als we al die cirkelvormige fluxen optellen (blauwe pijlen), dan komen we in dit
geval uit dat de flux aan de buitenkant van het materiaal in de zelfde richting en
zin is als de fluxverandering (groene pijl). En aan de binnenkant zien we dat die in
tegengestelde zin is als de fluxverandering.
Dit zorgt dat de verandering van de flux nu niet meer gelijkmatig verdeeld is in het
stuk, maar dat de fluxverandering in het midden van de stof kleiner zal zijn dan
voordien, en de fluxverandering aan de buitenkant versterkt wordt. Zie figuur 3.3.
47
FIG 3.3: Versterking van flux aan de buitenkant
Omdat de wervelstromen afhankelijk zijn van de fluxverandering zal het materiaal
aan de buitenkant warmer krijgen dan aan de binnenkant.
Als de flux nu daalt in functie van de tijd is de situatie in principe dezelfde. De
verandering van flux zal aan de buitenkant versterkt worden, en aan de
binnenkant zal de verandering van de flux dalen. Zie figuur 3.4.
FIG 3.4: Daling van flux aan de binnenkant
48
Nu zie je dat de som van de fluxverandering (groene pijl) en de blauwe pijlen, die
de som van de fluxen opgewekt door de wervelstromen (rode pijlen) voorstelt,
groter zal zijn aan de buitenkant van het materiaal, en kleiner aan de binnenkant
van het materiaal. Dus er zullen meer wervelstromen zijn aan de buitenkant dan
aan de binnenkant. Het materiaal zal opwarmen aan de buitenkant.
In de praktijk gaan we een wisselstroom door de spoel laten lopen, dus zal er
constant een wisselflux door je materiaal lopen. Doordat er een wisselflux door het
materiaal loopt zal je fluxverandering heel de tijd veranderen van zin. Je materiaal
zal meer opwarmen aan de buitenkant dan aan de binnenkant.
Als je de frequentie verhoogd zal je materiaal meer aan de buitenkant opwarmen,
dit komt doordat je werverstromen, dus ook het veld er rond, verhoogd wanneer
de frequentie hoger is. Als het veld rond de wervelstromen groter is zal je
versterking aan de buitenkant, of je verzwakking aan de binnenkant ook groter
zijn.
3.3 F ORMULE
VOOR DE SKINDIEPTE
De formule die bepaald hoe diep de concentratie van je wervelstromen in je
materiaal zal binnendringen is de volgende:
Sdi = √∙∙∙
Met:
Sdi = Skindiepte (mm)
ρ = Soortelijke weerstand (Ωm)
f = Frequentie (Hz)
µ0 = Absolute permeabitliteit van het luchtledige : 4π.10-7 H/m
µr = Relatieve permeabiliteit van de middenstof (H/m)
In deze formule stelt Sdi de skindiepte voor. Dat is de diepte, beginnend van de
buitenkant van het stuk, waar de wervelstromen zich hoofdzakelijk zullen
concentreren. Dieper dan de skindiepte zullen er bijna geen wervelstromen
geconcentreerd zijn.
49
Tabel 3.1: Soortelijke weerstand of resistiviteit van middenstoffen
Stof
Resistiviteit
in Ω.m
Grafiet
100 tot
1000×10-8
Nichroom
110×10-8
Kwik
95,3×10-8
Constantaan
45×10-8
Lood
21,2×10-8
Nikkel
13,5×10-8
Tin
13×10-8
Platina
10,6×10-8
IJzer
9,7×10-8
Messing
7,2×10-8
Zink
6,25×10-8
Wolfraam
5,5×10-8
Aluminium
2,65×10-8
Goud
2,2×10-8
Koper
1,67×10-8
Zilver
1,59×10-8
In tabel 3.1 bevinden zich natuurlijk stoffen met een zeer lage resistiviteit of
soortelijke weerstand.
De relatieve permeabiliteit (µr) is een dementieloze waarde die aantoont hoeveel
keer een magnetisch veld beter door dat materiaal doordringt dan door het
luchtledige.
50
4. P RAKTISCHE PROEF
4.1 S CHEMA
FIG 4.1: Schema van onze proef
Hierboven staat het schema dat we gebruikt hebben om onze praktische proef te
realiseren. Het linkergedeelte tot aan de IGBT’s ( IRG4PC50KD) is het
schakelschema. Dit zorgt ervoor dat de IGBT’s elk om beurt geschakeld worden.
UCC2732X zijn 2 drivers die elk om beurt een signaal doorgeven, zodat de stroom
door de primaire wikkeling van de transformator telkens veranderd. De 2
secundaire wikkelingen zijn, zoals je kan zien aan het kruis, tegengesteld aan
elkaar. Dit is van essentieel belang om de 2 IGBT’s ook elk om beurt te laten
schakelen. Als ze samen zouden schakelen, dan zouden we gewoon kortsluiting
creëren.
Tussen de 2 IGBT’s is er een verbinding gemaakt naar een condansator (400nF)
en een spoel (25uH) en serie. Deze zorgen ervoor dat alle gelijkspanning zeker uit
het signaal wordt verwijdert. Dit is noodzakelijk omdat onze werkspoel (3,5uH)
niet goed tegen gelijkspanning kan. Doordat over onze werkspoel parallel een
condensator van 580nF staat, wordt ( als deze 2 samen in resonantie zijn) een
grote stroom opgewekt, die door elke component tegengesteld is en er dus zeer
weinig stroom aan de bron wordt onttrokken.
In bijlage 3 zijn enkele foto’s te zien van onze opstelling en van onze signalen.
51
4.2 IGBT (I NSULATED
GATE BIPOLAR TRANSISTOR )
Een IGBT is het best te vergelijken met een vermogenmosfet. Maar het verschil zit
hem erin dat een IGBT een veel lager stuurvermogen nodig heeft. Wat voor onze
proef ook een belangrijk punt is, is dat de IGBT aan hoge snelheden kan
schakelen. Het handige is dat je door een kleine stroom een grote stroom kan
schakelen.
Een IGBT heeft 3 pootjes. Aan de ene poot bevindt zich de ‘Gate’. Door dit pootje
wordt een stroom gestuurd, die ervoor zorgt dat het materiaal in de IGBT in
verzadiging treedt. Verzadiging in de IGBT betekent dat de IGBT wordt
geschakeld.
Tussen het 2de pootje (Collector) en het 3de (Emitter) loopt nu een stroom. In onze
proef wordt de IGBT zeer snel geschakeld.
4.3 R ESONANTIEFREQUENTIE
Als een condensator (C) en een spoel (L) parallel over elkaar staan, dan wordt een
resonantie verkregen als : Xc = Xl
(4.1)
Met : Xc = 1 / (2.π.f. C) Capacitieve reactantie (Ω)
(4.2)
Xl = 2.π.f. L = Inductieve reactantie (Ω)
(4.3)
Met : f = Frequentie (Hz)
L = Zelfinductie (H)
C = Capaciteit condensator (F)
Aan de formules kan je zien dat de frequentie bepaalt wanneer XC en XL aan
elkaar gelijk zijn. Doordat de stroom in een condensator 90° voorijlt op de
spanning, en van een spoel net 90° na-ijlt op de spanning, lopen de stromen door
de 2 componenten 180° (tegengesteld) verschoven. Dit is belangrijk voor onze
schakeling. Aan de bron wordt maar weinig stroom onttrokken, maar door de
spoel loopt een zeer hoge stroom. Zo wordt het stuk dat we willen opwarmen in
de spoel sneller warm.
52
B ESLUIT
Na het maken van de bundel en de inductieverhitter kunnen we besluiten dat een
eindwerk maken moeilijker is dan gedacht. We moesten veel opzoeken en
proberen. Tijdens het maken van de bundel hebben we veel nieuwe dingen
bijgeleerd zoals het skin effect en het T.T.T. -diagram. We zijn tevreden met het
resultaat van de inductieverhitter. Er waren veel problemen, maar voor ieder
probleem is er een oplossing.
Toen we in het 5e jaar kozen om een eindwerk over inductie harden te maken,
hadden we niet gedacht dat hierbij zo veel kwam kijken. Wanneer we in het 6e
jaar eens serieus eraan begonnen hadden we het ene probleem na het andere. De
praktische proef werktte niet. Het probleem daarbij is dat je niet kan zien waar het
probleem zich bevindt, een magnetisch veld is niet waar te nemen met het blote
oog. Maar door al deze problemen hebben we er ook veel van geleerd. Al die
elektronica was nieuw voor ons. Door het steeds vorderden met de bundel kregen
we ook meer inzicht in alles.
De bundel is opgedeeld in verschillende thema’s. Eerst begonnen we met het
principe van inductief verwarmen uit te leggen, namelijk de twee effecten
waardoor het materiaal warm krijgt; de hysteresislus en de wervelstromen. We
hebben ook het skin effect uitgelegd, hiervoor hebben we heel wat opzoekwerk
gedaan in allerlei boeken. De toepassingen hebben we achteraf nog besproken.
Één van die toepassingen was het inductief harden. Het harden wordt uitgelegd in
het 2de hoofdstuk. Het T.T.T.-diagram, de afkoelsnelheid en het koolstofgehalte
zijn een paar van de punten die uitvoerig besproken zijn in dit hoofdstuk. Als
laatste hebben we de praktische proef besproken, dit was de inductieverhitter.
We vonden het een zeer boeiend en leerrijk onderwerp. Inductief verwarmen zal
zeker belangrijker worden in de toekomst. Door onze gedrevenheid en de hulp van
vrienden, familie en leerkrachten is het gelukt om dit eindresultaat te realiseren.
We zijn trots op het eindresultaat.
53
L ITERATUURLIJST
Tetech, internet, 18 maart 2009,
http://www.tetech.nl/divers/classEoscHV.pdf
Welding Companie, internet, 30 maart 2009,
http://www.weldingcompany.be/nlBE/ProductDetail.aspx?PID=194&CID=24&p=2
electro zine , internet, 15 april 2009,
http://www.elektrozine.be/ez/artikeldetail.php?artid=2777
Mosfet probleem, internet, 7 januari 2009,
http://www.circuitsonline.net/forum/view/29739
Pollefiet, J.P. , Vermogenelektronica, 6e druk, Bruna, 2001
High Frequent Induction Heating, internet, 26/12/2008,
http://www.richieburnett.co.uk/indheat.html
Induction Heating, internet, 16/12/2008,
http://webpages.charter.net/dawill/tmoranwms/Elec_IndHeat7.html
Electronics Theory, internet, 06/03/2009,
http://www.educypedia.be/electronics/powercontrol.htm
Brief H-bridge theory of operation, internet, 30/11/2008,
http://www.dprg.org/tutorials/1998-04a/
Hysteresis, internet, 12/06/2009,
http://studwww.ugent.be/~mdefoer/2006-2007/vakoverschrijdend_prac/Verslag2/
Hysteresis.pdf
Induction Heating, internet, 23/02/2009,
http://en.wikipedia.org/wiki/Induction_heating
Skin effect, internet, 18/04/2009,
http://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect
Skin effect calculations, internet, 18/04/2009,
http://www.signalintegrity.com/Pubs/news/skineffect.htm
Inductielassen krijgt vleugels, internet, 17/05/2009,
http://74.125.77.132/search?q=cache:Ve_FaLJBpPIJ:www.kunststofenrubber.nl/d
ocument_download.php%3Fmodule%3Dts%26database%3Darchief%26table%3D
articles%26field%3Dpdf%26id%3D595+inductielassen&cd=2&hl=nl&ct=clnk&gl=
be
54
Bijlagen
Bijlage 1
English, our final test.
A. Write a few lines description of who you are.
Hardeman Matthias
Hi, my name is Matthias Hardeman. I was born in Poperinge, that’s a city in
Belgium. I have one sister and one brother. I attend school in Poperinge, in a
school called VTI Poperinge. I’m in the sixth year of industrial science now.
Next year I will learn for industrial engineer. If I had to describe myself, I
would say I’m very sporty. Ever since I was a little child, I’ve always played
football. Since last year I play in the first team. I would also say that I’m
friendly. I know a lot of people and I always talk to them if I see them. I think
that’s because I’m also very social. I’m also a go-getter. When we are losing
with the team in a football game, I will keep on running and fighting to win.
Devreese Floris
Hi, I’m Floris Devreese. I was born in Reninge. I have 2 sisters and one
brother. I attend school in Poperinge. I’m in the sixth year of industrial science.
I’m the youngest in the family. My brother is about to take over the farm I live
in. my oldest sister, Maaike is a cameraman and lives in Brussels. My other
sister Elisa lives in Ecuador and does volunteer work. If I had to describe
myself, I would say I’m very giggly, I like to laugh very often with the smallest
jokes. But that doesn’t mean I am not courteous. I respect people and will not
hurt their feelings. I would also say I have a very chill life. I do not have a lot
of stress. That is the reason why I’m very noisy. I like to chat very often in the
class. The last thing I would say about myself is that I am a very creative
person.
55
B. Write a few lines description of your final test.
Hardeman Matthias
In the sixth year, we are asked to make a final test. I’ve chosen to talk about
induction hardening. It’s used for hardening saw blades and cogwheels so
they last longer. With a lot of power, current and a high frequency we can
heat the metal. When we cool the metal very fast, it’s hardened. I’ve chosen
this subject because it’s something with a lot of techniques. It’s also a subject
that is very new, it uses a lot of new technologies. And the heating of the
metal is cool to look at, without contact the metal begin to glow. I hope I will
learn a lot about the new technologies en the electronics in the circuit. I also
hope to learn a lot about hardening because we didn’t see it before in school.
Devreese Floris
In the beginning of my last year in this school, I was asked to make a final
test. We, Matthias and Floris, have chosen to make an induction heater. An
induction heater is a machine that makes steel very hat in a few seconds. We
will make a coil, on that coil we will put a high frequently voltage. That voltage
causes induction. And the steel gets hot. In the fifth year we had a lot of
opportunities of what we would make for our final test. Mr. Tytgat had
recommend us to make an induction heater. That sounded very cool and
interesting to me and Matthias, but we weren’t sure. We did some research
and viewed a couple of videos about induction heating on youtube. After that
we were sure. I hope I will get some understanding of induction heating, and
induction hardening. I will certainly learn about the benefits of this kind of
heating and hardening. Also I will learn about all kinds of electronics which we
will use in the induction heater. I hope also that I will learn how induction
works.
56
Bijlage 2
Français, projet entégré
A. Faites une presentation de vous-même en quelques lignes.
Hardeman Matthias
Bonjour, je suis Matthias Hardeman. Je suis né à Poperinge, comme mon frère
et ma sœur. Je vais à l’école à Poperinge aussi, dans une école appelée ‘ VTI ‘.
Maintenant je suis dans la sixième année des sciences industrielles. Si je devais
me présenter, je dirais que je suis très social. Dans l’école je connais beaucoup
d’élèves. Je suis aussi très sportif, parce sue je joue du foot plus de six heures
par semaine. Quand la saison est fini, je fais deux où trois fois par semaine de
jogging. Mon entraîneur dit que je suis un accrocheur, parce que je ne perds
jamais mon courage. Je suis aussi très prévoir, quand je prends une décision,
je pense toujours aux conséquences.
Devreese Floris
Bonjour, je suis Floris Devreese. J’ai 18 ans et j’ai un frère et deux sœurs. Je
suis les cours de sciences industrielles dans le VTI, c’est l’école technique de
Poperinge. Moi, je suis le plus jeune dans la famille. Je vis a une ferme à
Reninge. Si je devais me présenter, je dirais que je suis patient. Si mon frère
est très ennuyeux, je reste toujours calme. Je suis aussi drôle. En classe je fais
beaucoup des plaisanteries. Moi je suis créatif. Je me souviens beaucoup de
choses créatives. Je suis également sportif. Je vais en vélo à l’école chaque
jour. Je suis utile et indépendant. Je peux facilement dament de résoudre un
problème lors de la création et le résolution des problèmes.
57
B. Faites une description de quelques lignes sur votre PI.
Hardeman Matthias
Dans la sixième année, on nous demande de faire un projet intégré. J’ai choisi
de faire durcir à l’induction. C’est seulement pour des produits en acier comme
des lames de scie et des roue dentées. Cette manière de durcir est très
écologique. Dans la cinquième année, on nous demandait ce que nous allons
faire comme projet intégré. Le professeur nous a dit que le durcir à l’induction
est unt technique très nouvelle et intéressante. J’espère apprendre beaucoup
de nouvelles électroniques. J’espère aussi que je vais apprendre beaucoup de
durcur parce que nous n’avons pas vu ça avant à l’école.
Devreese Floris
Dans la sixième année, on nous demande de faire un projet intégré. Nous
chosions de faire la chauffage par induction. C’est une méthode de chauffage
la fer par induction. L’avantage est que légèrement est la rendement plus
élevé. Dans la cinquième année, on nous avait demandé ce que nous allions
faire comme projet intégré. Nous avons choisi le chauffage par induction parce
que M. Tytgat nous a informer le chauffage par induction. Le chauffage par
induction nous semblait beaucoup. J’espère apprendre plus sur l’avantage du
chauffage par induction . j’espère aussi apprendre plus sur l’applications du
chauffage par induction. Je vais également apprendre davantage sur
l’induction.
58
Bijlage 3
Volledige schakeling op uitzondering van onze werkspoel.
Hier zie je alles tot en met de IGBT’s. De condensator, die bestaat uit meerdere
kleine gele condensators, zie je op bovenstaande afbeelding.
59
Op de oscilloscoop zien we hier de 2 signalen die de IGBT’s sturen. Je kunt hier
mooi zien dat de 2 signalen mooi in tegenfase zijn.
Op deze afbeelding zie je het signaal die door onze werkspoel gaat. Je ziet dat er
een mooie sinus over onze spoel staat.
60
61