Calentamiento de alta velocidad por inducción

Uno de los desarrollos recientes más destacados en el campo del tratamiento térmico ha sido la aplicación de calentamiento por inducción al endurecimiento localizado de la superficie. Los avances logrados con la aplicación de la corriente de alta frecuencia han sido fenomenales. Comenzó hace relativamente poco tiempo como un método largamente buscado para endurecer las superficies de los cojinetes de los cigüeñales (varios millones de ellos están en uso estableciendo récords históricos de servicio), y hoy en día este método muy selectivo de endurecimiento de superficies produce zonas endurecidas en una multiplicidad de piezas. Sin embargo, a pesar de la amplitud de su aplicación actual, el temple por inducción se encuentra todavía en una fase incipiente. Su utilización probable para el tratamiento térmico y el endurecimiento de metales, el calentamiento para forja o soldadura fuerte, o la soldadura de metales similares y disímiles, es impredecible.

Endurecimiento por inducción da como resultado la producción de objetos de acero templado localmente con el grado deseado de profundidad y dureza, estructura metalúrgica esencial de núcleo, zona de demarcación y caja templada, con una práctica ausencia de distorsión y sin formación de incrustaciones. Permite el diseño de equipos que garantizan la mecanización de toda la operación para cumplir los requisitos de la línea de producción. Los ciclos de tiempo de sólo unos segundos se mantienen mediante la regulación automática de la potencia y los intervalos de calentamiento y enfriamiento de fracciones de segundo, indispensables para la creación de resultados facsímiles de fijaciones especiales exigentes. El equipo de endurecimiento por inducción permite al usuario endurecer superficialmente sólo la porción necesaria de casi cualquier objeto de acero y mantener así la ductilidad y resistencia originales; endurecer artículos de diseño intrincado que no pueden tratarse de forma viable de ninguna otra manera; eliminar el costoso pretratamiento habitual, como el cobreado y el carburizado, y las costosas operaciones posteriores de enderezado y limpieza; reducir el coste de material al disponer de una amplia selección de aceros entre los que elegir; y endurecer un artículo totalmente mecanizado sin necesidad de operaciones de acabado.

Al observador casual le parecería que el endurecimiento por inducción es posible como resultado de alguna transformación de energía que ocurre dentro de una región inductiva de cobre. El cobre transporta una corriente eléctrica de alta frecuencia y, en un intervalo de pocos segundos, la superficie de una pieza de acero colocada dentro de esta región energizada se calienta hasta su rango crítico y se enfría hasta alcanzar una dureza óptima. Para el fabricante de equipos para este método de endurecimiento significa la aplicación de los fenómenos de histéresis, corrientes parásitas y efecto piel a la producción efectiva de endurecimiento superficial localizado.

El calentamiento se consigue utilizando corrientes de alta frecuencia. En la actualidad se utilizan ampliamente frecuencias de 2.000 a 10.000 ciclos y hasta 100.000 ciclos. La corriente de esta naturaleza que fluye a través de un inductor produce un campo magnético de alta frecuencia dentro de la región del inductor. Cuando un material magnético como el acero se coloca dentro de este campo, se produce una disipación de energía en el acero que produce calor. Las moléculas del acero intentan alinearse con la polaridad del campo y, al cambiar miles de veces por segundo, se produce una enorme fricción molecular interna debido a la tendencia natural del acero a resistirse a los cambios. De este modo, la energía eléctrica se transforma, a través de la fricción, en calor.

Sin embargo, como otra característica inherente de la corriente de alta frecuencia es concentrarse en la superficie de su conductor, sólo se calientan las capas superficiales. Esta tendencia, denominada "efecto piel", es función de la frecuencia y, en igualdad de condiciones, las frecuencias más altas son eficaces a menor profundidad. La acción de fricción que produce el calor se denomina histéresis y depende evidentemente de las cualidades magnéticas del acero. Así, cuando la temperatura ha superado el punto crítico en el que el acero se vuelve no magnético, cesa todo calentamiento por histéresis.

Existe una fuente adicional de calor debida a las corrientes de Foucault que fluyen en el acero como consecuencia de los rápidos cambios de flujo en el campo. Dado que la resistencia del acero aumenta con la temperatura, la intensidad de esta acción disminuye a medida que el acero se calienta, y es sólo una fracción de su valor original "en frío" cuando se alcanza la temperatura de temple adecuada.

Cuando la temperatura de una barra de acero calentada por inducción llega al punto crítico, el calentamiento debido a las corrientes parásitas continúa a un ritmo muy reducido. Como toda la acción tiene lugar en las capas superficiales, sólo se ve afectada esa parte. Se mantienen las propiedades originales del núcleo, y el endurecimiento superficial se consigue por enfriamiento rápido cuando se ha alcanzado una solución completa de carburo en las zonas superficiales. La aplicación continuada de potencia provoca un aumento de la dureza en profundidad, ya que a medida que cada capa de acero alcanza la temperatura, la densidad de corriente se desplaza a la capa inferior que ofrece una menor resistencia. Es obvio que la selección de la frecuencia adecuada y el control de la potencia y el tiempo de calentamiento harán posible el cumplimiento de cualquier especificación deseada de endurecimiento superficial.

Metalurgia de Calentamiento por inducción

El inusual comportamiento del acero cuando se calienta por inducción y los resultados obtenidos merecen un análisis de la metalurgia implicada. Las velocidades de disolución del carburo inferiores a un segundo, una dureza superior a la producida por el tratamiento en horno y un tipo nodular de martensita son puntos a tener en cuenta.
que clasifican la metalurgia del temple por inducción como "diferente". Además, la descarburación superficial y el crecimiento de grano no se producen debido al corto ciclo de calentamiento.

Calentamiento por inducción produce una dureza que se mantiene en el 80% de su profundidad, y a partir de ahí, una disminución gradual a través de una zona de transición hasta la dureza original del acero tal como se encuentra en el núcleo que no ha sido afectado. De este modo, la adherencia es ideal, eliminando cualquier posibilidad de desconchamiento o grietas.

La disolución completa del carburo y la homogeneidad, evidenciada por la dureza máxima, pueden lograrse con un tiempo total de calentamiento de 0,6 segundos. De este tiempo, sólo de 0,2 a 0,3 segundos están realmente por encima del crítico inferior. Es interesante observar que los equipos de endurecimiento por inducción funcionan todos los días en producción con una solución completa de carburo, resultante de un ciclo de calentamiento y enfriamiento, cuyo tiempo total es inferior a 0,2 segundos.

La martensita nodular fina y más homogénea que resulta del temple por inducción se aprecia más fácilmente en los aceros al carbono que en los aceros aleados, debido al aspecto nodular de la mayor parte de la martensita aleada. Esta estructura fina debe tener como origen una austenita que es el resultado de una difusión de carburos más completa que la que se obtiene con el calentamiento térmico. El desarrollo prácticamente instantáneo de temperaturas críticas en toda la microestructura del hierro alfa y del carburo de hierro es especialmente propicio para una rápida disolución del carburo y una distribución de los constituyentes que tiene como producto inevitable una austenita completamente homogénea. Además, la conversión de esta estructura en martensita producirá una martensita que posee características similares y una resistencia correspondiente al desgaste o a los instrumentos penetrantes.

calentamiento a alta velocidad por inducción

 

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