Você já se perguntou por que algumas peças de metal são excepcionalmente duráveis e resistentes? Este artigo aborda o fascinante processo de endurecimento por indução e seus efeitos notáveis. Você descobrirá como essa técnica aprimora a dureza da superfície, melhora a resistência ao desgaste e aumenta a resistência à fadiga. Ao final, você entenderá o papel vital que o endurecimento por indução desempenha na extensão da vida útil de componentes críticos, garantindo que eles funcionem de forma confiável nas condições mais difíceis.
O efeito de pele também é conhecido como efeito de superfície.
Quando a corrente contínua flui por um condutor, a densidade de corrente em todos os pontos da seção transversal do condutor é igual.
No entanto, quando a corrente alternada flui por um condutor, a densidade de corrente na seção transversal do condutor é menor no meio e maior na superfície.
Quando a frequência da corrente é suficientemente alta, o centro do condutor pode não ter corrente, e toda a corrente se concentra na camada superficial do condutor.
Esse fenômeno é conhecido como efeito de superfície da corrente de alta frequência, e o efeito de pele da corrente de alta frequência em um condutor cilíndrico é mostrado na Figura 1.
Fig. 1 Efeito de pele da corrente de alta frequência
O motivo do efeito de pele é que, quando a corrente alternada flui por um condutor, ela produz simultaneamente um campo magnético ao redor do condutor.
Esse campo magnético gera uma força eletromotriz autoinduzida no condutor, que é oposta em direção à força eletromotriz original.
A força eletromotriz autoinduzida é mais forte no centro do condutor cilíndrico e mais fraca na superfície.
O cancelamento da força eletromotriz original pela força eletromotriz autoinduzida resulta na densidade máxima da corrente de superfície e na densidade mínima da corrente central para a corrente de alta frequência, criando o efeito de pele.
Devido ao efeito de pele, a densidade de corrente na seção transversal do condutor diminui exponencialmente da superfície para o centro.
A densidade de corrente Ix em uma distância x da superfície é dada pela Equação 1.
Onde,
Na engenharia, a profundidade da superfície do condutor até o ponto em que a amplitude de Ix cai para 1/e de I0 (em que e=2,718, portanto 1/e ≈ 36,79%) é chamada de profundidade de penetração da corrente, denotada por δ. Ela pode ser calculada usando a Equação 2.
Conforme mostrado na equação acima, a profundidade de penetração da corrente δ está relacionada a ρ, μ e f. Quando ρ aumenta e μ, f diminui, δ aumenta. Os cálculos teóricos mostram que, dentro da camada de profundidade de penetração da corrente de δ, o calor gerado pela corrente é responsável por 86,5% do calor total gerado pela corrente.
A Equação 2 também mostra que, quando a frequência de corrente f permanece constante, diferentes profundidades de penetração de corrente podem ser alcançadas, desde que ρ e μ mudem. Os materiais têm diferentes ρ e μ em diferentes temperaturas, resultando em diferentes profundidades de penetração de corrente em diferentes temperaturas.
Fig. 2 A relação entre a permeabilidade magnética, a resistividade elétrica do aço e a temperatura de aquecimento.
A Figura 2 mostra a relação entre a permeabilidade magnética μ e a resistividade elétrica ρ do aço e a temperatura de aquecimento.
Pode-se observar que a resistividade elétrica do aço aumenta com o aumento da temperatura de aquecimento. A 800-900°C, a resistividade de vários tipos de aço é basicamente igual, em torno de 10-4 Ω-cm. A permeabilidade magnética μ permanece basicamente inalterada abaixo do ponto de transformação magnética A2 ou da ferrita-austenita mas cai drasticamente quando ultrapassa o ponto de transformação A2 ou se transforma em austenita.
Substituindo os valores de ρ e μ à temperatura ambiente ou de 800 a 900 °C na Equação 2, é possível obter a seguinte expressão simplificada:
A 20°C,
A 800 ℃,
A profundidade de penetração de corrente a 20 °C geralmente é chamada de "profundidade de penetração de corrente no estado frio", enquanto a profundidade de penetração de corrente a 800 °C, indicada como δ800, é chamada de "profundidade de penetração de corrente no estado quente".
A distribuição da corrente alternada dentro de um condutor é influenciada pela corrente alternada em condutores próximos, um fenômeno conhecido como efeito de proximidade.
Em aplicações práticas, o efeito de proximidade se manifesta principalmente em duas situações.
(1) Quando dois condutores paralelos transportam correntes alternadas iguais em direções opostas, a corrente se concentra na camada da superfície interna dos dois condutores e o campo magnético é fortalecido entre os dois condutores, enquanto o campo magnético no lado externo dos condutores é enfraquecido. A Figura 3a mostra o caso de correntes opostas.
Figura 3 Manifestação do efeito de proximidade em um barramento retangular.
a - Correntes opostas
b - Correntes de mesma direção
(2) Quando dois condutores paralelos transportam correntes alternadas iguais na mesma direção, a corrente se concentra na camada da superfície externa dos dois condutores, e o campo magnético entre os dois condutores é mais fraco, enquanto o campo magnético no lado externo dos condutores é fortalecido devido à superposição mútua. A Figura 3b mostra o caso de correntes de mesma direção.
Fig. 4 Desempenho do efeito de proximidade no aquecimento por indução
O efeito de proximidade também se manifesta entre a bobina de indução e a peça de trabalho que está sendo aquecida, conforme mostrado na Figura 4 para o efeito de proximidade durante o aquecimento por indução.
A Figura 4a mostra a corrente parasita em forma de arco em uma placa plana aquecida por um fio de tubo circular de polo único, correspondente à distribuição de corrente no fio de tubo circular;
A Figura 4b mostra a camada de corrente parasita reta na placa plana aquecida por um fio de tubo quadrado de polo único;
A Figura 4c mostra as camadas de corrente uniforme e de correntes parasitas em uma peça de trabalho cilíndrica sólida aquecida por uma bobina circular, com espaços iguais entre a bobina e a peça de trabalho em todos os locais;
A Figura 4d mostra as camadas irregulares de corrente e de correntes parasitas devido às lacunas irregulares entre a peça de trabalho cilíndrica e a bobina circular, com camadas mais espessas de corrente e de correntes parasitas em locais com lacunas menores e camadas mais finas em locais com lacunas maiores.
Quando a corrente de alta frequência flui por um condutor circular em forma de anel, a densidade máxima de corrente é distribuída no lado interno do condutor em forma de anel, um fenômeno conhecido como efeito de pele. O efeito de pele é essencialmente o efeito de proximidade de um indutor de anel circular.
A Figura 5 mostra um diagrama esquemático do efeito de pele em um anel circular.
Fig. 5 Diagrama esquemático do efeito de anel
Utilizando o princípio do efeito pelicular, podemos explicar a diferença significativa na eficiência do aquecimento ao usar o mesmo indutor circular para aquecer a superfície externa de uma peça cilíndrica e a superfície interna de uma peça cilíndrica com um furo passante, conforme mostrado na Figura 6.
A Figura 6 mostra o uso de um indutor circular para aquecer uma peça de trabalho cilíndrica e uma peça de trabalho cilíndrica com um furo passante separadamente. A eficiência de aquecimento das duas peças de trabalho é significativamente diferente devido ao efeito de pele.
Fig. 6 Aquecimento de peças cilíndricas e peças de furo redondo com indutores em anel
b1 - largura de aquecimento da superfície cilíndrica
b2 - largura de aquecimento da superfície interna do furo
a - folga; φ - fluxo magnético
Ao aquecer a superfície externa de uma peça de trabalho cilíndrica, o aquecimento é intenso e a temperatura aumenta rapidamente, resultando em uma área de aquecimento mais ampla de b1. Por outro lado, ao aquecer a superfície interna de uma peça de trabalho cilíndrica com um furo passante, o aquecimento é suave e a temperatura aumenta lentamente, resultando em uma área de aquecimento mais estreita de b2. Na figura, é possível ver que b1 ≥ b2, embora as lacunas em ambos os casos sejam iguais a a.
Devido ao efeito de pele, a corrente de alta frequência se concentra no lado interno do indutor. Ao aquecer a superfície interna de uma peça de trabalho cilíndrica, a lacuna real entre a peça de trabalho e o indutor é muito maior do que a, resultando em uma intensidade de corrente parasita significativamente menor na superfície interna do furo passante em comparação com a superfície externa da peça de trabalho cilíndrica. Isso leva a um aquecimento mais suave da superfície interna do orifício de passagem.
Quando um condutor de cobre retangular é colocado na fenda de um núcleo magnético, a corrente de alta frequência flui somente através da camada superficial do condutor na abertura do núcleo magnético. Esse fenômeno é conhecido como o efeito de ranhura do núcleo magnético, conforme mostrado na Figura 7.
Fig. 7 Efeito de entalhe do condutor magnético
H - intensidade do campo magnético; I - corrente de alta frequência
O núcleo magnético tem uma alta permeabilidade magnética e uma baixa resistência magnética. O fluxo magnético gerado pelo condutor de corrente será concentrado através do núcleo magnético na parte inferior da fenda.
Embora o condutor na parte inferior do slot tenha a maior ligação de fluxo magnético, ele também gera uma grande quantidade de força eletromotriz autoinduzida.
Da mesma forma, o condutor na abertura do slot gera a menor força eletromotriz autoinduzida. Como resultado, a corrente de alta frequência é forçada a fluir por essa área.
Fig. 8 Bobina efetiva, ímã condutor e distribuição de corrente do indutor
1 ímã condutor
Bobina efetiva de indutor 2
3 correntes
Utilizando o efeito de ranhura do núcleo magnético, podemos conduzir a corrente de alta frequência para a superfície externa do indutor circular, melhorando assim a eficiência do aquecimento da superfície interna do orifício de passagem. As voltas efetivas do indutor, o núcleo magnético e a distribuição de corrente são mostrados na Figura 8.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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