Geïntegreerde proef. Industriële wetenschappen. 2 de leerjaar 3 de graad TSO. Inductief Harden. Floris Devreese Matthias Hardeman

Transcriptie

1

2 Geïntegreerde proef Industriële wetenschappen 2 de leerjaar 3 de graad TSO Inductief Harden Floris Devreese Matthias Hardeman Schooljaar II

3 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

4 Inhoudsopgave Inleiding Inductief verwarmen Voorwaarden Uitleg Opwarmen door hysteresiseffect: De wervelstromen of foucaultstromen: De curietemperatuur Toepassingen van inductief verwarmen Harden Hardheid Meten van hardheid Hardheidsmeting volgens Brinell Hardheidsmeting volgens Rockwell Hardheidsmeting volgens Vickers (HV) Hardheidsmeting met Poldihamer (HP) Invoed van het koolstofgehalte Koolstofgehalte van minder dan 0.3% Koolstofgehalte van 0.3 tot 0.9% Koolstofgehalte van meer dan 0.9% Koolstofgehalte van meer dan 1.7% T.T.T.-diagram Bepaling T.T.T. Diagram De afkoeling van technische werkstukken De kritische afkoelsnelheid De hardingsdiepte Austeniteren Afschrikken Speciale hardingsmethoden Ontlaten Veredelen IV

5 Isotherm veredelen skin effect Inleiding Principe Formule voor de skindiepte Praktische proef Schema IGBT (Insulated gate bipolar transistor) Resonantiefrequentie Besluit V

6 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 FIG 1.8: Inductiekookplaat FIG 1.9: Inductief lasapparaat FIG 2.1: Apparaat om Rockwellhardheid te meten FIG 2.2: Hardheidsmeting volgens Vickers FIG 2.3: Meetapparaat voor hardheidsmeting volgens Poldihamer FIG 2.4: Het Fe-C diagram FIG 2.5: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling met 0,45% C FIG 2.6: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling FIG 2.7: Afkoeling van lange ronde staven in water FIG 2.8: Afkoeling van lange ronde staven in olie en lucht FIG 2.9: De variatie van de microstructuur als functie van de afkoelsnelheid FIG 2.10: Het verband tussen koolstofgehalte en kritische afkoelsnelheid FIG 2.11: Verloop van de hardheid over de doorsnede FIG 2.12: Schematisch verloop van de hardheid over de doorsnede FIG 2.13: Schematische voorstelling van de getrapte harding FIG 2.14: Ontlaatkrommen voor 3 verschillende staalsoorten FIG 3.1: Skin effect op tandwiel 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

7 FIG 4.1: Schema van onze praktische proef...53 VII

8 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

9 INLEIDING 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. INDUCTIEF VERWARMEN 1.1 VOORWAARDEN 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 (µ r ) 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

10 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 UITLEG Het inductief verwarmen gebeurt door 2 effecten; Het hysteresiseffect en de wervelstromen 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

11 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

12 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

13 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

14 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

15 Deze grafiek (FIG: 1.5) lijkt heel verdacht op de B-H karakteristiek. Dit is ook logisch omdat: B = µ 0.H + µ 0.M (1.1) Met: M = Magnetisatie (A/m) B = Magnetische fluxdichtheid (Vs/m 2 ) H = Magnetische veldsterkte (A/m) µ 0 = 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

16 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

17 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 (1.2) Met: 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

18 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

19 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. (K) Materiaal Curietemp. (K) Materiaal Curietemp. (K) Fe 1043 MnOFe 2 O EuS 16,5 Co 1388 FeOFe 2 O CrBr 3 37 Ni 627 NiOFe 2 O Au 2 MnAl 200 Gd 292 CuOFe 2 O Cu 2 MnAl 630 Dy 88 MgOFe 2 O Cu 2 MnIn 500 MnAs 318 Y 3 Fe 5 O MnAs 318 MnBi 670 CrO GdCl 3 2,2 MnSb 587 EuO 77 Fe 2 B 1015 MnB

20 1.2.4 Toepassingen van inductief verwarmen Inductie verwarmen wordt in heel veel toepassingen gebruikt omdat het rendement veel groter is dan andere toepassingen 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

21 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

22 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

23 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 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

24 2. HARDEN 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 HARDHEID 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 METEN 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

25 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)) (2.1) met: 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

26 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 METHODE MET DE KEGEL (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

27 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 METHODE MET EEN BAL (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

28 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

29 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 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

30 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

31 2.3 INVOED VAN HET KOOLSTOFGEHALTE 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 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

32 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 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

33 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 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

34 FIG 2.5: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling van koolstofstaal met 0,45% C. 26

35 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 C- eenheden aangegeven, die met de verschillende afkoelsnelheden werden verkregen. 27

36 FIG 2.6: T.T.T.-diagrammen voor transformatie bij continue afkoeling van een laaggelegeerd veredelingsstaal. 28

37 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 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

38 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

39 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

40 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

41 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: mm. De verhouding volume op oppervlakte is dan (100 x 50 x 50)/(4 x 100 x 50+2 x 50 x 50)= /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 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

42 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 Bij perlitisch staal is deze minimaal. Bij dalende koolstofgehalten neemt de kritische afkoelsnelheid snel toe. Bij bovenperlitisch staal is de toename slechts klein. 34

43 FIG 2.10: Het verband tussen koolstofgehalte en kritische afkoelsnelheid bij ongelegeerd staal 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

44 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 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

45 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

46 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 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 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 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

47 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

48 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 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

49 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 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

50 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 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 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

51 2.4.9 Veredelen Onder het veredelen van staal verstaat men een combinatie van harden en ontlaten op hoge temperaturen ( 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

52 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

53 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 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 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

54 3. SKIN EFFECT 3.1 INLEIDING 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 PRINCIPE 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

55 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

56 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

57 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 FORMULE VOOR DE SKINDIEPTE De formule die bepaald hoe diep de concentratie van je wervelstromen in je materiaal zal binnendringen is de volgende: S di = Met: S di = Skindiepte (mm) ρ = Soortelijke weerstand (Ωm) f = Frequentie (Hz) µ 0 = Absolute permeabitliteit van het luchtledige : 4π.10-7 H/m µ r = Relatieve permeabiliteit van de middenstof (H/m) In deze formule stelt S di 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

58 Tabel 3.1: Soortelijke weerstand of resistiviteit van middenstoffen Stof Resistiviteit in Ω.m Grafiet 100 tot Nichroom Kwik 95, Constantaan Lood 21, Nikkel 13, Tin Platina 10, IJzer 9, Messing 7, Zink 6, Wolfraam 5, Aluminium 2, Goud 2, Koper 1, Zilver 1, In tabel 3.1 bevinden zich natuurlijk stoffen met een zeer lage resistiviteit of soortelijke weerstand. De relatieve permeabiliteit (µ r ) is een dementieloze waarde die aantoont hoeveel keer een magnetisch veld beter door dat materiaal doordringt dan door het luchtledige. 50

59 4. PRAKTISCHE PROEF 4.1 SCHEMA 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

60 4.2 IGBT (INSULATED 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 2 de pootje (Collector) en het 3 de (Emitter) loopt nu een stroom. In onze proef wordt de IGBT zeer snel geschakeld. 4.3 RESONANTIEFREQUENTIE Als een condensator (C) en een spoel (L) parallel over elkaar staan, dan wordt een resonantie verkregen als : X c = X l (4.1) Met : X c = 1 / (2.π.f. C) Capacitieve reactantie (Ω) (4.2) X l = 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 X C en X L 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

61 BESLUIT 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 5 e jaar kozen om een eindwerk over inductie harden te maken, hadden we niet gedacht dat hierbij zo veel kwam kijken. Wanneer we in het 6 e 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 2 de 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

62 LITERATUURLIJST Tetech, internet, 18 maart 2009, Welding Companie, internet, 30 maart 2009, electro zine, internet, 15 april 2009, Mosfet probleem, internet, 7 januari 2009, Pollefiet, J.P., Vermogenelektronica, 6 e druk, Bruna, 2001 High Frequent Induction Heating, internet, 26/12/2008, Induction Heating, internet, 16/12/2008, Electronics Theory, internet, 06/03/2009, Brief H-bridge theory of operation, internet, 30/11/2008, Hysteresis, internet, 12/06/2009, Hysteresis.pdf Induction Heating, internet, 23/02/2009, Skin effect, internet, 18/04/2009, Skin effect calculations, internet, 18/04/2009, Inductielassen krijgt vleugels, internet, 17/05/2009, ocument_download.php%3fmodule%3dts%26database%3darchief%26table%3d articles%26field%3dpdf%26id%3d595+inductielassen&cd=2&hl=nl&ct=clnk&gl= be 54

63 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

64 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

65 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

66 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

67 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

68 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