INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT

Reliable Induction for Heat Treating Automotive Components

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Reliable induction heat treating depends on more than metallurgy — it requires precise, repeatable performance from every part of the induction system. In this Technical Tuesday installment, Aaron Goodwin, business development engineer for Inductoheat, explores how induction coils, power supplies, quench systems, and real-time process monitoring work together to consistently achieve the hardness, case depth, and microstructure demanded by today’s automotive components. Learn how equipment reliability, preventive maintenance, and process control help manufacturers reduce variability, improve quality, and keep production running efficiently.

This informative piece was first released in Heat Treat Today’s August 2026 Annual Automotive Heat Treating print edition.

If you have any comments or queries, on this article, let us know at editor@heattreattoday.com.

Para leer el artículo en español, haga clic aquí.

There is a critical partnership between an automotive component’s design and its heat treat requirement. In modern vehicle manufacturing — whether trucks, SUVs, or crossovers — the margin for error is very small. Components like axles, gears, shafts, and other engine/drivetrain elements are subjected to demanding loads, high torque, and complex operating conditions. These vehicles must balance durability, efficiency, quiet operation, and performance. They also need to successfully handle a wide range of driving scenarios, from stop-and-go urban traffic to towing, off-road use, and long-distance travel.

Across these vehicle platforms, one reality remains constant. While material selection and engineering design are critical, consistency and reliability of the heat treating process determine whether components perform as intended in real-world conditions. Induction heating for case hardening of automotive components is a common choice among design engineers, and reliable induction heating equipment is key.

From the induction coil to the power supply and the quench system, each must operate with precision and repeatability for every cycle. Induction case hardening depends on tightly controlled variables working in harmony. When performance is stable, quality heat treated components follow. When it is not, variability is introduced and with it risk.

Sectioned and etched case-hardened shaft with large splines | Image Credit: Inductoheat

Heat treated components are evaluated based on hardness, case depth, and microstructure of the steel after processing. Each component has a heat treat specification that defines these metrics. Some components require shallow case depths while others have very deep case. Shallow case is needed for surface wear resistance, while deep case is specified for strength under high torsional loads, and there are scenarios in between.

Induction heat treatment equipment reliably executes several tightly controlled variables to produce the required metallurgical properties. Key variables include power output and frequency, heating time, coil geometry and position, quench timing, and flow rates.

Each variable plays a critical role: even small deviations can significantly alter results. A slight fluctuation in power delivery, for example, may reduce case depth or create uneven hardness profiles. In truck components, this could result in reduced fatigue life under high loads. In a crossover or SUV, it may show up as premature wear or component failure. Reliable equipment ensures that these variables remain tightly controlled cycle after cycle, part after part. It transforms heat treating from a “variable process” into a repeatable, engineered system.

The Role of Induction Coil

The induction coil is where the energy meets the automotive component. Its design and condition directly influence heating and resulting hardness case patterns. A well-designed and properly maintained coil provides consistent electromagnetic coupling, uniform heat distribution along the surface, and sufficient penetration sub-surface for creating required case depths and hardness profiles.

When energized, the induction coil produces a magnetic field. From this, the automotive component begins to experience Joule heating from induced current, known as eddy currents. Heat times vary but are often only a few seconds in duration to reach the temperature required for the formation of austenite (range of 750–850°C [1382–1562°F], depending on chemical composition of steel).

Induction scan coil with integrated spray quench for case hardening | Image Credit: Inductoheat

Induction coils are perishable tooling components. Over time, thermal cycling, surface oxidation, and degradation, along with mechanical fatigue can reduce performance. Minor changes in coil geometry, alignment, or surface conditions can alter the electromagnetic field and introduce variability. What makes this especially challenging is that these changes are often gradual and not immediately visible. A coil may continue operating while quietly affecting heat distribution. Routine inspection, cleaning, and scheduled replacement are essential. In high-volume automotive manufacturing, proactive coil management is critical to maintaining process stability and reliably heat treated components.

Power Supply Stability

The induction power supply governs how energy is delivered to the coil and thus the component being heat treated. A stable output of power is critical for repeatable heating and consistent metallurgical results. Selection of the proper output frequency is important to balance the required depth of heating and the surface temperature of the component. For case hardening, the most common frequencies utilized fall in the range of 1,000 Hz up to 200 kHz. While a single power supply cannot cover this entire frequency range, most will provide some range of frequency flexibility.

Power supplies have precise and programable energy delivery at a stable frequency. They provide rapid response to variations in load as the temperature of the automotive component increases, passes through the curie point, and reaches the target temperature. This power supply gives reliable performance across long production runs. This is important when thousands of components must meet specifications in a narrow margin of variability. If a power supply introduces fluctuations, these will affect the heating rates and final hardened properties. For manufacturers, this leads to scrap parts and reduced profitability.

Power supply analog meter, % power–kilotwatts | Image Credit: Inductoheat

These work horses need scheduled maintenance. After all, reliable power delivery directly supports both quality and productivity. Personnel must:

  • Periodically check the power supply for tight electrical connections on bus work and wire terminals.
  • Check all cooling water hosing connections for tightness as the hoses age.
  • Verify that all protection switches are working.
  • Ensure that the cooling system’s water is clean and check its conductivity monthly.
  • Refer to the manufacturer’s manual for more information.

Quenching: Completing the Process

Heating is only half of the equation. The quenching process is initiated after the component has reached its austenitizing temperature at the desired depth. Quench fluid is sprayed uniformly onto the surface of the component, which removes heat in a rapid and controlled manner. This produces the formation of martensite giving the automotive component a case-hardened surface layer. All of this is done within proper limit set points to produce repeatable heat treated components.

Quench fluid is typically water with polymer additive. It needs to be maintained at the appropriate temperature and with the required percentage of polymer quench additive. The quench system delivers it with precise timing relative to heating. The pump and valves must provide consistent flow rates and pressures. The heat exchanger in the quench system will remove excess heat from the quench fluid. Otherwise, the temperature of the fluid will continue rising after each cycle.

Quench concentration monitor (left) and quench plumbing valves (right) | Image Credit: Inductoheat

Over time, quench water evaporates raising the concentration of polymer quench. It also becomes contaminated with oily residue, metal chips, and more. Quench system bag filters become full, and the many orifices of quench spray devices get clogged with scale and debris. The quench system needs to be maintained to ensure that cooling is controlled and repeatable. This completes the heat treating process with consistency and reliability.

Data-Driven Reliability

Induction equipment must function with precision to achieve the required heat treatment. When this equipment includes real-time monitoring and data collection during the process, further confidence is provided. Signature monitoring measures the many aspects of induction heat treatment for every cycle. This “signature” can record electrical parameters like inverter power, current, voltage, and frequency over the process time. It can also include quench fluid temperature, flow, and pressure, along with machine scan speed and spindle rotation speed. Each of these is given a percentage of permitted variation, graphed over time. Any deviation outside of these boundaries during the cycle, and the machine will initiate a process fault.

Inductoheat QAS process signature with high/low boundaries; graphing interverter KVA scan speed, quench flow-left spindle, quench slow-right spindle | Image Credit: Inductoheat

This can be an important part of a quality assurance system (QAS) and ensure confidence during each production shift. For automotive components with barcodes or other unique markings, traceability becomes possible, saving the process signature from the machine and assigning it to the heat treated component. This step can provide critical data to isolate a batch of parts should the need arise, avoiding the tendency to quarantine more pieces than necessary.

Reliable Equipment. Better Parts. Stronger Vehicles.

Across the full spectrum of vehicle manufacturing, from heavy-duty trucks to everyday SUVs and crossovers, performance is built layer by layer. As vehicle platforms continue to evolve, heat treating processes must keep pace with increasingly complex component designs and performance requirements. Reliable induction equipment is essential to meet these challenges. Each aspect must operate with precision and consistency. Routine maintenance, including the replacement of wear items such as induction coils, helps ensure process stability, consistent results, and dependable production.

For many manufacturers, maintaining reliability also means modernizing existing equipment. Aging induction systems can often be rebuilt with updated controls, power supplies, and critical components, extending service life while improving performance and uptime. They can also be re-tooled for new heat treat programs.

By investing in induction equipment, manufacturers can continue producing high-quality components that support the demands of today’s vehicles.

About The Author:

Aaron Goodwin
Business Development Engineer
Inductoheat

Aaron Goodwin has over 32 years of experience in the induction heating industry, having held a variety of technical positions with Inductoheat in Madison Heights, Michigan. In his current role as business development engineer, Aaron provides technical support to both sales and engineering, with responsibilities that include leading the finite element analysis (FEA) simulation team for coil and process design. Aaron also collaborates with global sister companies throughout the Inductotherm Group, supporting technology development, knowledge sharing, and customer-focused solutions worldwide.

For more information: Contact Aaron Goodwin at agoodwin@inductoheat.com.

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Tratamiento térmico por inducción confiable para componentes automotrices

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Un tratamiento térmico por inducción fiable depende de algo más que la metalurgia: requiere un desempeño preciso y repetible de cada parte del sistema de inducción. En este artículo, Heat Treat Today Aaron Goodwin, ingeniero de desarrollo de negocios de Inductoheat, explora cómo las bobinas de inducción, las fuentes de alimentación, los sistemas de temple y el monitoreo del proceso en tiempo real trabajan en conjunto para lograr de manera consistente la dureza, la profundidad de capa y la microestructura que demandan los componentes automotrices actuales. Conozca cómo la confiabilidad del equipo, el mantenimiento preventivo y el control del proceso ayudan a los fabricantes a reducir la variabilidad, mejorar la calidad y mantener la producción funcionando eficientemente.

Este artículo informativo se publicó por primera vez en Heat Treat Today’s August 2026 Annual Automotive Heat Treating print edition.

Si tiene comentarios o preguntas sobre este artículo, háganoslo saber en: editor@heattreattoday.com.

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Existe una relación fundamental entre el diseño de un componente automotriz y los requisitos de su tratamiento térmico. En la fabricación moderna de vehículos ya sean camiones, SUVs o crossovers, el margen de error es extremadamente reducido. Componentes como ejes, engranes, flechas de transmisión y otros elementos del motor y del tren motriz, están sometidos a elevadas cargas, altos niveles de torque y condiciones de operación cada vez más exigentes. Estos vehículos deben ofrecer un equilibrio entre durabilidad, eficiencia, operación silenciosa y desempeño. Además, deben responder de manera confiable a una amplia variedad de escenarios de conducción, desde el tráfico urbano con constantes arranques y paradas, hasta el remolque de cargas, la conducción todoterreno y los recorridos de larga distancia.

Independientemente del tipo de vehículo, existe una constante. Si bien la selección del material y el diseño de ingeniería son fundamentales, la consistencia y confiabilidad del tratamiento térmico son las que determinan si un componente cumplirá con el desempeño esperado en condiciones reales de servicio. El calentamiento por inducción para el endurecimiento superficial de componentes automotrices es una de las tecnologías preferidas por los ingenieros de diseño, y contar con equipos fiables de calentamiento por inducción es fundamental.

Desde la bobina de inducción hasta la fuente de potencia y el sistema de temple, cada elemento debe operar con precisión y repetibilidad en cada ciclo de producción. El endurecimiento superficial por inducción depende de un conjunto de variables estrictamente controladas que deben trabajar de manera sincronizada. Cuando el proceso permanece estable, se obtienen componentes tratados térmicamente de calidad; cuando esto no ocurre, surge la variabilidad y, con ella el riesgo.

La Relación entre el Equipo de Inducción y la Metalurgia

Los componentes tratados térmicamente se evalúan principalmente por tres características: la dureza, la profundidad de capa endurecida y la microestructura del acero después del procesamiento. Cada componente cuenta con una especificación de tratamiento térmico que define estos parámetros. Algunos componentes requieren capas endurecidas poco profundas para maximizar la resistencia al desgaste superficial, mientras que otras demandan capas mucho más profundas para soportar elevadas cargas de torsión; también existen situaciones intermedias.

Eje cementado, seccionado y atacado químicamente, mostrando estrías de gran tamaño | Crédito de la imagen: Inductoheat

Los equipos de tratamiento térmico por inducción controlan de manera confiable diversos parámetros críticos para producir las propiedades metalúrgicas requeridas. Entre las más importantes se encuentran, la potencia suministrada y la frecuencia, el tiempo de calentamiento, la geometría y posición de bobina de inducción, sincronización, y el caudal del sistema de enfriamiento.

Cada una de estas variables desempeña un papel fundamental; incluso pequeñas desviaciones pueden modificar significativamente los resultados obtenidos. Por ejemplo, una ligera fluctuación en la potencia suministrada puede disminuir la profundidad de capa endurecida o generar perfiles de dureza no uniformes. En componentes para camiones, esto puede traducirse en una menor vida útil a fatiga bajo cargas elevadas. En vehículos tipo SUV o crossover, puede manifestarse como desgaste prematuro o incluso la falla del componente. Los equipos confiables garantizan que todas estas variables permanezcan estrictamente controladas ciclo tras ciclo y pieza tras pieza. De esta manera, el tratamiento térmico deja de ser un proceso susceptible a variaciones y se convierte en un proceso de manufactura repetible y controlado.

El Rol de la Bobina de Inducción

La bobina de inducción es el punto donde la energía interactúa directamente con el componente automotriz. Su diseño y estado de conservación influyen de manera directa en el calentamiento y, en consecuencia, en el patrón de endurecimiento obtenido. Una bobina correctamente diseñada y con un mantenimiento adecuado proporciona un acoplamiento electromagnético uniforme, una distribución uniforme del calor sobre la superficie y una penetración subsuperficial suficiente, permitiendo alcanzar la profundidad de capa endurecida y el perfil de dureza especificados.

Al recibir energía, la bobina de inducción genera un campo magnético. Esto provoca que el componente automotriz experimente un calentamiento por efecto Joule debido a la corriente inducida, fenómeno conocido como corrientes de Eddy. Los tiempos de calentamiento varían, generalmente basta unos pocos segundos para alcanzar la temperatura necesaria para la formación de austenita (rango de 750 a 850°C [1382–1562°F] dependiendo de la composición del acero).

Bobina de inducción con sistema de enfriamiento por rociado integrado para el endurecimiento superficial | Crédito de la imagen: Inductoheat

Las bobinas de inducción son componentes de herramiental sujetos a desgaste. Con el tiempo, los ciclos térmicos repetitivos, la oxidación superficial, el desgaste y la fatiga mecánica reducen gradualmente su desempeño. Pequeñas modificaciones en la geometría de la bobina, su alineación o sus condiciones superficiales pueden alterar el campo electromagnético e introducir variabilidad. Lo más complejo es que estos cambios suelen producirse de forma gradual y no resultan visibles de inmediato. Una bobina puede continuar funcionando mientras afecta la distribución del calor sin que el problema sea evidente. Inspecciones periódicas, la limpieza y el reemplazo programado de las bobinas son fundamentales. En la manufactura automotriz de alto volumen, una gestión proactiva de las bobinas es esencial para mantener la estabilidad del proceso y garantizar la fiabilidad de los componentes tratados térmicamente.

Estabilidad de la Fuente de Alimentación

La fuente de alimentación del sistema de inducción controla la forma en que la energía se suministra a la bobina y, por lo tanto, al componente que será tratado térmicamente. Una salida de potencia estable es fundamental para lograr un calentamiento repetible y resultados metalúrgicos consistentes. La selección de la frecuencia de salida adecuada es esencial para equilibrar la profundidad de calentamiento requerida y la temperatura superficial del componente. En procesos de endurecimiento superficial, las frecuencias más utilizadas se encuentran en un rango de aproximadamente 1,000 Hz hasta 200 kHz. Aunque una sola fuente de alimentación no puede cubrir todo ese rango de frecuencias, la mayoría ofrece cierto grado de flexibilidad en cuanto a la frecuencia.

Las fuentes de alimentación proporcionan un suministro de energía preciso y programable a una frecuencia estable. Además, proporcionan una respuesta rápida ante las variaciones de carga a medida que la temperatura del componente automotriz aumenta, atraviesa el punto de Curie y alcanza la temperatura objetivo. Esta fuente de alimentación ofrece un rendimiento fiable durante ciclos de producción prolongados. Esto es fundamental cuando miles de componentes deben cumplir con especificaciones muy estrictas y con una variabilidad mínima. Si la fuente de alimentación presenta fluctuaciones, estas afectarán la velocidad de calentamiento y las propiedades finales de endurecimiento. Para los fabricantes, esto se traduce en piezas rechazadas y disminución de la rentabilidad.

Estos equipos requieren un programa de mantenimiento preventivo. Después de todo, un suministro confiable contribuye directamente tanto a la calidad como a la productividad. El personal debe:

Medidor analógico de la Fuente de alimentación, % potencia–kilovatios | Crédito de la imagen: Inductoheat
  • Verificar periódicamente que las conexiones eléctricas de las barras conductoras y de las terminales de cableado estén firmes.
  • Revisar que todas las conexiones de las mangueras del sistema de enfriamiento estén firmes, especialmente a medida que las mangueras envejecen.
  • Verificar que todos los interruptores de protección funcionen correctamente.
  • Asegurarse de que el agua del sistema de enfriamiento esté limpia y comprobar su conductividad mensualmente.
  • Consultar el manual del fabricante para obtener más información.

El Temple: Finalización del Proceso

El calentamiento representa solo la mitad del proceso. El temple comienza una vez que el componente ha alcanzado la temperatura de austenización a la profundidad deseada. El medio de enfriamiento se rocía uniformemente sobre la superficie de la pieza, extrayendo el calor de forma rápida y controlada. Este enfriamiento permite la formación de martensita, proporcionando al componente automotriz una capa superficial endurecida. Todo el proceso se lleva a cabo dentro de límites de operación previamente establecidos para garantizar la repetibilidad del tratamiento térmico.

El fluido de temple suele ser agua con aditivo polimérico. Es fundamental mantenerlo a la temperatura adecuada y con la concentración especificada de polímero. El sistema de temple suministra este fluido con una sincronización precisa respecto al ciclo de calentamiento. Asimismo, la bomba y las válvulas deben garantizar caudales y presiones constantes. El intercambiador de calor del sistema elimina el exceso de calor del fluido de temple; de lo contrario, su temperatura aumentaría progresivamente después de cada ciclo.

Monitor de concentración (izquierda) y válvulas de la tubería del sistema de temple (derecha) | Crédito de la imagen: Inductoheat

Con el paso del tiempo, parte del agua del fluido de temple se evapora, incrementando la concentración del polímero. Además, el fluido se contamina con residuos de aceite, virutas metálicas y otras impurezas. Los filtros tipo bolsa del sistema se saturan y los múltiples orificios de las boquillas de aspersión pueden obstruirse debido a la acumulación de incrustaciones y partículas. Por ello, el sistema de temple debe recibir mantenimiento periódico para garantizar un enfriamiento controlado y repetible. Solo así el proceso de tratamiento térmico puede completarse de manera consistente y confiable.

Confiabilidad basada en datos

Los equipos de inducción deben operar con un alto nivel de precisión para lograr el tratamiento térmico especificado. Cuando estos sistemas incorporan monitoreo en tiempo real y adquisición de datos durante el proceso, se incrementa aún más la confianza en los resultados obtenidos. El monitoreo mediante “firmas” de proceso mide las múltiples variables del tratamiento térmico por inducción en cada ciclo. Esta “firma” puede incluir parámetros eléctricos como la potencia del inversor, la corriente, el voltaje y la frecuencia a lo largo del proceso. Asimismo, puede registrar la temperatura del medio de enfriamiento, el flujo y la presión del fluido de temple, así como la velocidad de escaneo de la máquina y la velocidad de rotación del husillo. Para cada una de estas variables se establece un rango de variación permitido, el cual se representa gráficamente en función del tiempo. Cualquier desviación fuera de estos límites durante el ciclo, hará que la máquina genere un fallo de proceso.

Firma de proceso del sistema QAS de Inductoheat, mostrando los límites superior e inferior permitidos y el registro de variables como la potencia del inversor (kVA), la velocidad de escaneo y el caudal de temple de los husillos izquierdo y derecho | Crédito de la imagen: Inductoheat

Esta funcionalidad constituye un elemento fundamental dentro de un sistema de aseguramiento de la calidad (QAS por sus siglas en inglés), ya que garantiza la confianza durante cada turno de producción. En el caso de componentes automotrices identificados mediante códigos de barras u otros marcadores únicos, también permite garantizar la trazabilidad de los componentes tratados térmicamente, almacenando la firma del proceso y asociándola a cada componente tratado térmicamente. Este paso permite obtener datos clave para aislar un lote de piezas si fuera necesario, evitando la necesidad de poner en cuarentena más unidades de las estrictamente necesarias.

Equipos Confiables. Mejores Componentes. Vehículos más Resistentes.

En toda la industria automotriz, desde camiones de servicio pesado hasta los SUVs y crossovers de uso cotidiano, el desempeño de un vehículo se construye capa por capa. A medida que las plataformas vehiculares continúan evolucionando, los procesos de tratamiento térmico deben avanzar al mismo ritmo de diseños de componentes cada vez más complejos. Contar con equipos de inducción confiables es fundamental para afrontar estos desafíos. Cada elemento del sistema debe operar con precisión y consistencia. El mantenimiento preventivo, incluido el reemplazo periódico de componentes sujetos a desgaste, como las bobinas de inducción, contribuye a mantener la estabilidad del proceso, obtener resultados consistentes y garantizar una producción confiable.

Para muchos fabricantes, preservar la confiabilidad también implica modernizar sus equipos existentes. Con frecuencia, los sistemas de inducción de mayor antigüedad pueden reacondicionarse mediante la incorporación de controles modernizados, nuevas fuentes de alimentación y componentes críticos actualizados, lo que permite prolongar su vida útil al tiempo que mejora el rendimiento y el tiempo de actividad. Asimismo, estos equipos pueden reacondicionarse para adaptarse a nuevos programas de tratamiento térmico.

Al invertir en tecnología de inducción confiable, los fabricantes pueden seguir produciendo componentes de alta calidad capaces de satisfacer las exigencias de los vehículos actuales.

Acerca del autor:

Aaron Goodwin
Ingeniero de Desarrollo de Negocios
Inductoheat

Aaron Goodwin cuenta con más de 32 años de experiencia en la industria del calentamiento por inducción, durante los cuales ha desempeñado diversos cargos técnicos en Inductoheat, ubicada en Madison Heights, Michigan. Actualmente se desempeña como Ingeniero de Desarrollo de Negocios, brindando soporte técnico tanto al equipo de ventas como de ingeniería. Entre sus principales responsabilidades se encuentra la dirección del equipo de simulación mediante análisis por elementos finitos (FEA) para el diseño de bobinas y procesos de calentamiento por inducción.

Además, Aaron colabora con las empresas hermanas del grupo Inductotherm alrededor del mundo, impulsando el desarrollo tecnológico, el intercambio de conocimientos y la implementación de soluciones enfocadas en las necesidades de los clientes.

Para más información: Contacte con Aaron Goodwin en agoodwin@inductoheat.com.

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Decarburized Steel Critical for Induction Hardening Rotary Blades

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For in-house heat treat operations, the number one goal is to produce a reliable product with consistent in-service performance. Yet supply chain and specialized processes can cause consistency stressors. In this article, Heat Treat Today underlines the importance of consistent feedstock for in-house induction heat treater, National Steel Rule, and how the essential mill process of controlled decarburization can be actualized.

This informative piece was first released in Heat Treat Today’s April 2026 Annual Induction Heating & Melting print edition.

If you have any comments or queries, on this article, let us know at editor@heattreattoday.com.

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Introduction: Steel Rule that Bends

National Steel Rule manufactures rotary cutting rule for the corrugated box industry. Located in Linden, New Jersey, the company supplies products to the die making and die cutting industries globally. They have established a high standard of sourcing, researching, and testing material for their rule, in addition to a complete testing laboratory with both rotary and flat die cutting equipment.

Their steel rule is purchased from a mill that performs a controlled decarburization on the entire feedstock. When National receives the steel feedstock, they work the steel to create teeth, employing induction hardening as part of the process. The finished cutting rule is then sold to steel rule die makers who mount these blades and an ejection rubber on laser cut wooden boards. The manufacturer must ensure their rule blades are sound, as even microscopic cracks will open during the die cutting process.

Figure 1. Small diameter bent rule | Image Credit: National Steel Rule

National’s rotary blades and other products rely on purchasing decarburized steel. “Flexibility and formability are paramount,” states Ed Mucci, president of the company, and Alexander Heucke, chief engineer. Cutting rule must be bent to form a circular blade; in service, that blade rotates to cut into the corrugated material. The curve geometry can be extreme, often bending up to a 7-inch interior diameter. As such, the purchase of decarburized steel is critical for the manufacturer’s business. At present, National sources the material internationally. Mucci explains, “Manufacturers aren’t using large quantities of decarburized steel, making it challenging to source, at least domestically.”

Rotary rule feedstock typically involves C36 (SAE 1036) to C50 (SAE 1050) carbon steel with a hardness range of 32–34 HRC. Mucci and Heucke note that their steel of choice has a total decarburization layer to a depth of 0.0005” depth, with partial decarburization of at least another 0.0005–0.00075”. This ensures that when the rule is bent, the surface stretches versus cracks. Bending the rule is itself a test of whether it has been properly decarburized, with metallurgical testing serving as a quality control verification that suppliers are producing the appropriate decarburization levels.

Precise Induction Hardening Teeth

While bending is essential to forming the appropriate curve, the teeth must be resistant to wear and breakage. National’s rotary cutting rule has performance expectations of at least 750,000 impressions on paper, itself a highly abrasive material. To do this, their in-house heat treat operations induction harden the edge of the rule to ensure a long die life.

There are two methods used to harden the teeth. The primary method is to shave a profile into the strip steel and then induction harden this edge. Serrated teeth are then ground in. “This gives us better control of hardening depth,” according to Mucci and Heuke. The second method is to induction harden after the serrated teeth are ground in. “We have to make sure we don’t harden the teeth too deeply, or we can affect the bendability.”

Induction hardening involves short cycles, and as such requires careful process control to guarantee consistent results; temperature-indicating crayons that melt at a specific temperature are used as one of the process control methods. Hardness testing is performed as well.

Screenshot

Decarburization Revisited

“Usually, one tries to prevent decarburization or even add carbon,” states Mark Hemsath, executive consultant at WINGENS CONSULTANTS and longtime expert and innovator in the thermal processing industry. “Decarb often occurs by accident in poorly designed annealing systems, especially in continuous-type furnaces.”

Figure 3. Ellingham Diagram depicting that hydrogen-to-water vapor relationship, the key to a successful, controlled decarburization.
Figure 4. Typical bell-annealing furnace | Image Credit: RAD-CON

Oxygen, in the form of air or water vapor, is key to the decarburizing process. Less carbon on the surface means a softer, more malleable steel, and while the art of a controlled decarburization process is well known, it can be challenging. Decarburization is a process usually performed below 1500°F. “The preferred method is to use water vapor or steam as a source of the oxygen,” notes Hemsath, pointing to the stability of hydrogen-to-water vapor (H₂/H₂O ratio) derived from the Ellingham diagram. These H₂/H₂O ratios indicate the non-oxidizing qualities of the gaseous mixture, which will allow it to be the carbon reducing agent in the atmosphere. Most furnace companies can provide the necessary equipment and customize size specifications to make it suitable for this special process, and these furnaces are typically retort-based bell or pit type.

Two Methods to Control the Decarb

There are two ways that a decarburization process can be intentionally completed. The first is decarburizing the entire product. In this method, even decarburization is applied to the entire coil sheet surface. “This cold rolled steel, typically with lower carbon, is used for appliances that need enamel adhesion,” Hemsath explained, noting U.S. Steel and AK Steel, now a part of Cleveland-Cliffs, have used this form of controlled decarburization.

Another form of decarburization is selective surface decarburization. Hemsath shared, “If selective decarburizing is required only on the edges, then you could keep the coils tightly wound and the decarburization would affect mainly the coil edges. There would be ingress of carbon loss, reducing towards the center of the wound coil surfaces.”

Conclusion

“Decarburized steel just isn’t in high demand,” according to Mucci, as “most industries are looking to harden and temper the steels they use.” In fact, preventative steel decarburization is more typical and often emphasized in trade shows, technical presentations, and in thermal processing publications. Yet there are products that rely on intentional decarburization to be successful.

Controlled decarburization at the mill brings challenges, in part because successful, consistent decarburization is not often cost effective for the North American thermal processing market. These challenges encompass regional access issues, niche market access, equipment selection needs, and technical process execution.

National’s experience underlines the challenges North American mills face in providing local, in-house heat treaters with reliably, well-controlled decarburized steel that will maintain service life.

Acknowledgements: Heat Treat Todayextends thanks to Dan Herring, The Heat Treat Doctor® at The HERRING GROUP, Inc., who was instrumental in the development of this article.

For more information: Contact Heat Treat Today’s Editorial Team at editor@heattreattoday.com.

Main image: RP8 rotary rule edge hardened | Image Credit: National Steel Rule

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Acero Descarburizado: Crítico para el Endurecimiento por inducción de Cuchillas Rotativas

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Para las operaciones de tratamiento térmico internas (in house), el objetivo principal es producir un producto confiable con un desempeño consistente en servicio. Sin embargo, la cadena de suministro y los procesos especializados pueden generar factores que comprometen la consistencia. En este artículo, Heat Treat Today destaca la importancia de contar con material base consistente para el tratamiento térmico por inducción interno de National Steel Rule, y cómo se puede implementar el proceso esencial de descarburización controlada en la planta proveedora de acero.

Este artículo informativo se publicó por primera vez en Heat Treat Today’s April 2026 Annual Induction Heating & Melting print edition. Traducido por Ana Laura Hernández Sustaita.

Si tiene comentarios o preguntas sobre este artículo, háganoslo saber en: editor@heattreattoday.com.

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Introducción: Regla de Acero que se Dobla

La empresa National Steel Rule produce reglas de corte rotativas para la industria del cartón corrugado. Ubicada en Linden, Nueva Jersey, la empresa suministra productos a las industrias de troquelado a nivel mundial. La compañía ha establecido altos estándares de abastecimiento, investigación y pruebas de material para sus reglas de corte, además de contar con un completo laboratorio con equipos de troquelado rotativo y plano.

Su regla de acero se adquiere de una planta proveedora de acero que realiza una descarburización controlada en todo el material. Cuando National recibe el material, procesa el acero para generar los dientes, empleando endurecimiento por inducción como parte del proceso (ver la imagen principal al inicio de este artículo). La regla de corte terminada se vende posteriormente a fabricantes de troqueles de regla de acero, quienes montan estas cuchillas junto con una goma de expulsión sobre tableros de madera cortados con láser. El fabricante debe asegurarse de que las cuchillas de las reglas estén libres de defectos, ya que incluso grietas microscópicas se abrirán durante el troquelado.


Figura 1. Regla de acero doblada de diámetro pequeño | Crédito de la imagen: National Steel Rule

Las cuchillas rotativas y otros productos de National dependen de la compra de acero descarburizado. “La flexibilidad y la conformabilidad son fundamentales”, afirma Ed Mucci, presidente de la empresa, y Alexander Heucke, ingeniero en jefe. La regla de corte debe doblarse para formar una cuchilla circular; durante el servicio, la cuchilla rota para cortar el material corrugado. La geometría de la curvatura puede ser extrema, llegando a doblarse hasta un diámetro interior de 7 pulgadas. Por lo tanto, la compra de acero descarburizado es crítica para el negocio del fabricante. Actualmente, National obtiene el material a nivel internacional. Mucci explica: “Los fabricantes no utilizan grandes cantidades de acero descarburizado, lo que dificulta su abastecimiento, al menos a nivel nacional”.

El material para las reglas rotativas suele ser acero al carbono C36 (SAE 1036) a C50 (SAE 1050) con un rango de dureza de 32–34 HRC. Mucci y Heucke señalan que el acero que utilizan presenta una capa de descarburización total de 0.0005” de profundidad, con una descarburización parcial adicional de al menos 0.0005”–0.00075”. Esto garantiza que cuando una regla se dobla, la superficie se elongue en lugar de agrietarse. Doblar la regla es, en sí mismo, una prueba para comprobar si se ha descarburado correctamente, y las pruebas metalúrgicas sirven como verificación de control de calidad para garantizar que los proveedores estén produciendo los niveles adecuados de descarburización.

Endurecimiento Preciso por Inducción de los Dientes

Si bien el doblado es esencial para formar la curvatura apropiada, los dientes deben ser resistentes al desgaste y la rotura. La regla de corte rotativa de National tiene una expectativa de desempeño de al menos 750,000 impresiones en papel, que es en sí mismo un material altamente abrasivo. Para lograrlo, las operaciones de tratamiento térmico internas endurecen por inducción el borde de la regla, garantizando una larga vida útil del troquel.

Existen dos métodos usados para endurecer los dientes. El método principal es maquinar el perfil de la tira de acero y posteriormente endurecer por inducción el borde. Posteriormente los dientes son rectificados. “Esto nos da un mejor control sobre la profundidad de endurecimiento”, comenta Mucci y Heuke. El segundo método consiste en endurecer por inducción después de rectificar los dientes. “Debemos asegurarnos de que el endurecimiento de los dientes no sea muy profundo, ya que esto puede afectar la capacidad de doblado”. El endurecimiento por inducción implica ciclos muy cortos, y por lo tanto requiere un control minucioso del proceso para garantizar resultados consistentes. Entre los métodos de control del proceso se utilizan crayones indicadores de temperatura, que se funden a una temperatura específica. También se realizan pruebas de dureza.


Figura 2. Detalle de la capa descarburizada | Crédito de la imagen: National Steel Rule

Revisitando la Descarburización

“Generalmente se intenta prevenir la descarburización o incluso agregar carbono a la superficie”, comenta Mark Hemsath, consultor ejecutivo en WINGENS CONSULTANTS y reconocido experto e innovador en la industria del tratamiento térmico. “La descarburización a menudo ocurre accidentalmente en sistemas de recocido mal diseñados, especialmente en hornos de tratamiento continuo.”


Figura 3. Diagrama de Ellingham que muestra la relación hidrógeno-vapor de agua, clave para una descarburización controlada exitosa.

Figura 4. Horno típico de recocido tipo campana. | Crédito de la imagen: RAD-CON

El oxígeno en forma de aire o de vapor es la clave del proceso de descarburización. Menor porcentaje de carbono en la superficie indica un acero más blando y maleable, y si bien el arte de un proceso de descarburización controlada es bien conocido, puede resultar un desafío. El proceso de descarburización suele realizarse por debajo de 1500°F (815°C). “El método preferido es usar vapor de agua o vapor como fuente de oxígeno”, señala Hemsath. Esto se basa en la estabilidad de la relación hidrógeno-vapor de agua (H2/H2O) derivada del diagrama de Ellingham. Estas relaciones H2/H2O indican las propiedades no oxidantes de la mezcla gaseosa, lo que permite que actúe como agente reductor de carbono en la atmósfera del horno. La mayoría de las empresas fabricantes de hornos pueden proporcionar el equipo necesario y personalizar las dimensiones para hacerlos adecuados para este proceso especial. Estos hornos suelen ser de tipo campana o tipo foso con retorta.

Dos Métodos para Controlar la Descarburización

Existen dos formas de realizar intencionalmente un proceso de descarburización. La primera consiste en descarburar todo el producto. En este método, la descarburización se aplica de manera uniforme en toda la superficie de la lámina o bobina. “Este acero laminado en frío generalmente con menor contenido de carbono, se utiliza en electrodomésticos que requieren una buena adherencia del esmalte”, explica Hemsath. Empresas como U.S. Steel y AK Steel (ahora parte de Cleveland-Cliffs) han utilizado esta forma de descarburización controlada.

Otra forma es la descarburización selectiva en la superficie. Hemsath explica: “Si la descarburización solo se requiere en los bordes, se podrían mantener las bobinas enrolladas firmemente, por lo tanto, la descarburización afectaría principalmente a los bordes. Se produciría una pérdida de carbono que disminuiría hacia el centro de las superficies enrolladas”.

Conclusión

“El acero descarburizado tiene mucha demanda, ya que la mayoría de las industrias buscan endurecer y templar los aceros que utilizan”, indica Mucci. De hecho, la prevención de la descarburización del acero es más común y suele destacar en ferias industriales, presentaciones técnicas y publicaciones de procesamiento térmico. Sin embargo, existen productos que dependen de la descarburización intencional para funcionar correctamente.

La descarburización controlada en la planta proveedora de acero presenta desafíos, en parte porque lograr una descarburización exitosa y consistente no suele ser económicamente viable para el mercado norteamericano de tratamiento térmico. Estos desafíos abarcan problemas de acceso regional, acceso a nichos de mercado, necesidades de selección de equipos y ejecución de procesos técnicos.

La experiencia de National destaca los desafíos que enfrentan las plantas proveedoras de acero de América del Norte para proveer a las empresas de tratamiento térmico interno, acero descarburizado de forma fiable y bien controlada que mantenga su vida útil.


Agradecimientos: Heat Treat Today agradece a Dan Herring, The Heat Treat Doctor®, The HERRING GROUP, Inc., quien fue fundamental en el desarrollo de este artículo.


Para más información: Contacte con Heat Treat Today’s Editorial Team en editor@heattreattoday.com.

La imagen principal: Regla rotativa RP8 con borde endurecido | Crédito de la imagen: National Steel Rule

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Optimizing Your Induction Heating System

/ INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING TECHNICAL CONTENT

Whether you need insight on enhancing your energy utilization, managing induction systems (troubleshooting), or prolonging equipment longevity, today’s Technical Tuesday original content feature will keep you well-informed.

Heat Treat Today has coalesced technical information across articles from key experts, including tips to improve your energy efficiency, a walk-through guide for troubleshooting your induction system, and ten practical tips for improving your equipment longevity.

Induction and Sustainability Tips Part 2: Efficient Power

As energy efficiency becomes a driving force in modern heat treating, manufacturers are turning to smarter induction technologies to cut waste and lower costs. In this second installment of Heat Treat Today’s sustainability series, explore how AC-to-DC conversion, intelligent power feedback systems, and advanced diagnostics can transform your induction heating setup into a cleaner, more consistent, and cost-effective process.

“Furthermore, transformers operate at optimal efficiency when under a reduced load – i.e., less than 70% output in steady-state heating – rather than ramping up to the full operating temperature. Another advantage of the DC-type transformer is that its operating power factor is very close to 1.0, which lowers the utility company’s calculation of peak demand surcharges.”

Read the full article here: Induction and Sustainability Tips Part 2: Efficient Power

10 Steps To Troubleshoot Your Induction System

Facing erratic heating, poor consistency, or unexpected shutdowns in your induction system? This comprehensive guide walks heat‑treat operators through a ten‑step diagnostic framework for identifying and resolving common induction issues.

Figure 2. Induction system components
Source: Contour Hardening, Inc.

“The induction process involves many characteristics such as: position of the piece within the induction coil, load positions, cooling positions, cycle times, applied electric power, and others. It is important that the professional can identify the failure and the particular situation at the moment in which it is occurring.

On some occasions, the failures are not evident and therefore it is essential to analyze the part that has been treated. This analysis can be key to understanding situations such as poor depth due to electrical power or decrease in output frequency, among other possible scenarios.”

Read the full article here: 10 Steps To Troubleshoot Your Induction System

New and Improved Tips for Induction Equipment Longevity

Heat treaters are always looking for ways to extend the life of their induction tools, but what methods are proven maintenance strategies? Focusing on the durability of coils, bus bars, inductors, and quench components, this technical article will give you practical and reliable tips to promote longevity in your equipment.

Figure 2. Break-Away bolts designed to fail beneath the washer if over tightened

“More than coils — When working to optimize the life of induction equipment, don’t focus solely on the coils. Bus bars, inductors, and quenching equipment are also key to success. 

Austenitic stainless steel — Use austenitic stainless steel for fasteners, fittings, and hose clamps, and remember, non-ferrous is the way to go.  

CNC machining — Manufacturing with a 5-axis CNC machine ensures quality and consistency.  

“Break-Away” bolts — For fasteners, use “Break-Away” bolts on contact surfaces. These bolts are designed to fail beneath the washer if they are overtightened, a design that prevents damage to the threaded insert inside the copper contact.”

Read the full article here: New and Improved Tips for Induction Equipment Longevity

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Cómo las bobinasde impresión 3Dsuperaron lasexpectativas de I+D

/ INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, Manufacturing Heat Treat Technical Content

Por Josh Tucker, Gerente de Calentamiento por Inducción, Tucker Induction Systems, Inc.
Traducido por Víctor Zacarías, Global _ Thermal Solutions México

This informative piece was first released in Heat Treat Today’s April 2025 Induction Heating & Melting print edition.

To read the article in English, click here.

Las investigaciones sobre bobinas de inducción con impresión 3D han demostrado que estas bobinas son más resistentes y tienen una vida útil más larga en comparación con las bobinas fabricadas tradicionalmente. Lea sobre cómo la fabricación aditiva elimina pasos como el brazing de las uniones y ofrece nuevas posibilidades de diseño. 

Tucker Induction Systems comenzó a explorar la posibilidad de utilizar la tecnología de impresión 3D para fabricar bobinas y descubrió que, en muchos casos, las bobinas impresas en 3D eran más resistentes y duraderas que sus contrapartes fabricadas Tradicionalmente. 

Cuando llegó el COVID-19, el condado de Macomb, Michigan, puso en marcha una iniciativa llamada Proyecto DIAMOnD (Distributed, Independent, Agile Manufacturing on Demand). Proporcionó a los fabricantes PyMEs impresoras 3D de tipo modelado por deposición fundida marca Markforged como una forma de fabricar rápidamente el equipo de protección personal tan necesario para la pandemia y para ayudar a los fabricantes de tamaño pequeño a mediano a superar los problemas de la cadena de suministro que plagaron la industria durante la crisis. 

Estábamos ansiosos por adquirir experiencia práctica en fabricación aditiva a través de la iniciativa DIAMOnD y, al hacerlo, descubrimos que despertó nuestra curiosidad sobre la posibilidad de imprimir en 3D nuestras bobinas y nuevas formas de diseñarlas que van más allá de las capacidades del mecanizado tradicional. 

En 2021, iniciamos un proceso de investigación y desarrollo de dos años de duración para la impresión de bobinas y descubrimos que, al imprimir en 3D bobinas de inducción, podíamos aumentar drásticamente la resistencia de las bobinas y, potencialmente, alargar su vida útil. La experiencia ha abierto nuevos caminos en el diseño de nuestras bobinas, además de brindarnos la capacidad de diseñar bobinas utilizando métodos que van más allá de las capacidades del mecanizado tradicional. 

Figura 1. Bobinas de temple por inducción impresos en 3D.

Es de conocimiento común en la industria que las partes más débiles de una bobina son las uniones soldadas, pero a través del proceso de I+D, hemos aprendido que al imprimir las bobinas en 3D, es posible eliminar la mayoría, o incluso todas las uniones soldadas en la bobina. Esto aumenta la resistencia y, potencialmente, la vida útil de una bobina. Después de años de pruebas y evolución, los resultados finales fueron mejores de lo que esperábamos, lo que demuestra que las bobinas se pueden imprimir y durarán en el campo. 

Sin embargo, hubo algunos desafíos a la hora de adaptarse al uso de la tecnología de impresión 3D. Por ejemplo, el tipo de impresión en cobre que necesitábamos no se estaba realizando en los Estados Unidos, lo que fue un obstáculo para intentar formar un proceso que diera como resultado una bobina impresa con éxito. Luego, uno de los mayores desafíos después de que cerramos el proceso y el material, fue el diseño de los conductos de refrigeración internos para las bobinas. Los conductos debían diseñarse de manera que fueran autosufi cientes y sin restricciones. Teníamos que producir el mismo caudal que las bobinas fabricadas tradicionalmente y asegurarnos de que estábamos dirigiendo la refrigeración hacia las áreas correctas. Descubrir eso requirió muchos intentos fallidos (oportunidades de aprendizaje) antes de lograr el éxito. 

Una vez logrado ese objetivo, instalamos una impresora 3D de metal en Tucker Induction en enero de 2024 y hemos estado imprimiendo con éxito todo tipo de bobinas. Algunos ejemplos incluyen bobinas de diámetro interno, estáticas y de escaneo. 

Los beneficios de utilizar bobinas impresas en 3D 

Si bien las bobinas tradicionales (como nuestra bobina intercambiable de cambio rápido para sistemas de inducción de dos vueltas y diseños de bobina estática con sujeción precisa a presión) han cambiado la industria, la capacidad adicional de la impresión 3D nos permite imprimir piezas dimensionalmente exactas y duraderas que son capaces de funcionar en el campo y que pueden ir más allá de las barreras del mecanizado tradicional. 

Figura 2. Bobina de inducción estática impresa en 3D con retenes

El ahorro de tiempo es una de las mayores ventajas. Debido a que la impresora 3D puede seguir funcionando “fuera de turno”, el tiempo de procesamiento desde la impresora hasta el cliente es mucho más corto en comparación con las bobinas fabricadas tradicionalmente. Nos referimos al tiempo de procesamiento como el tiempo adicional necesario para completar el ensamblaje de la bobina después de la impresión. En algunas situaciones, es posible imprimir un ensamble de bobina completo con la bobina lista inmediatamente para ser enviada al cliente. En otras ocasiones, puede ser necesario soldar con brazing adicional o realizar detalles complementarios para completar el ensamblaje. 

Dado que todas las bobinas son diferentes, el tiempo de procesamiento varía de una bobina a otra. Sin embargo, al imprimir la mayor parte posible del conjunto, podemos limitar la cantidad de trabajo adicional necesario para completar el ensamble. 

La resistencia y la longevidad potencial de las bobinas impresas en 3D son ventajas adicionales. Las partes más débiles de la bobina son las uniones soldadas, pero el proceso que utilizamos para imprimir las bobinas reduce drásticamente la cantidad de uniones soldadas, lo que hace que la bobina sea una construcción sólida. Esto da como resultado un producto que será más resistente en el entorno de inducción y tiene el potencial de durar más que su contraparte fabricada tradicionalmente. 

En lo que respecta a la vida útil de las bobinas impresas en 3D, nuestra base es que las bobinas impresas deben durar al menos tanto como las bobinas fabricadas tradicionalmente. Sin embargo, en nuestra investigación hemos visto que, en promedio, nuestras bobinas impresas en 3D pueden durar entre dos y tres veces más que las bobinas fabricadas tradicionalmente. Si bien la longevidad de cada bobina depende de cada caso, ya que hay muchos factores que influyen en la vida útil de una bobina, una de nuestras bobinas de prueba originales todavía está funcionando en el campo con más de un millón de ciclos de calentamiento. 

Mientras seguimos mejorando los procesos y los diseños, también nos esforzamos por reducir el tiempo de reparación. Reparar y devolver las bobinas de nuestros clientes en un esfuerzo por limitar su tiempo de inactividad siempre ha sido algo por lo que nos esforzamos con nuestras bobinas tradicionales, pero hemos descubierto que las bobinas impresas en 3D son más fáciles de reparar. Dado que las múltiples uniones soldadas no son un problema en las bobinas impresas, se reducen las posibilidades de causar problemas adicionales mientras se trabaja en la reparación original. Si la reparación consiste en reemplazar el cabezal de la bobina, podemos recuperar la impresión original y ejecutarla nuevamente, en lugar de tener que volver a maquinar ensamblar y soldar toda la bobina, lo que reduce significativamente el tiempo de reparación de muchas bobinas impresas en 3D. 

Limitaciones de las bobinas de impresión 3D 

A pesar de las ventajas de la impresión 3D de bobinas de inducción y del hecho de que la capacidad de imprimir bobinas te lleva a pensar que cada bobina debe imprimirse, hay algunos casos en los que todavía es más efectivo utilizar la fabricación tradicional. 

Figura 3. Estructuras de muestra impresas en 3D.

Por ejemplo, las bobinas que son más grandes de lo que la máquina puede imprimir (el tamaño de nuestra plataforma de impresión es de aproximadamente 12 x 12 x 13 pulgadas) pueden ser un factor limitante. En otras ocasiones, la bobina se puede fabricar más rápido utilizando métodos tradicionales. La impresora tiene limitaciones y no es la mejor opción para ciertas bobinas. Por ejemplo, las bobinas que son menos intrincadas y están hechas de tubos son un tipo que sería un mejor candidato para la fabricación tradicional; estas bobinas simplemente requieren envolver un tubo de cobre alrededor de un mandril. 

El futuro de las bobinas impresas en 3D 

Seguimos investigando y perfeccionando los procesos de impresión 3D de nuestras bobinas y nos esforzamos por ofrecer a nuestros clientes el mejor producto posible. Para ello, debemos permanecer atentos y estar dispuestos a aprender y mejorar continuamente nuestros diseños y procesos. 

A medida que aprendemos más y perfeccionamos nuestros procesos de impresión 3D de bobinas, creo que las bobinas impresas en 3D desempeñarán un papel fundamental en el futuro de la industria. Hemos demostrado que la impresión 3D de bobinas no solo es posible, sino que en algunos casos las bobinas impresas en 3D pueden superar a sus contrapartes fabricadas tradicionalmente. 

Sobre El Autor:

Josh Tucker
Gerente de Calentamiento por Inducción
Tucker Induction Systems, Inc.

Josh Tucker se graduó de licenciatura dela Grand Valley State University y luego fue contratado como jefe de compras en Tucker Induction Systems. Desde que comenzó hace ocho años, el rol y las capacidades de Josh se han expandido al maquinado, la electroerosión, la impresión 3D y el grabado láser. También organiza las operaciones diarias y el fl ujo del taller. Josh fue reconocido en la clase 2024 de 40 Under 40 de Heat Treat Today.


Para más información: Contacta a Josh Tucker en JTucker@tuckerinductionsystems.com. 

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Anatomy of Induction Coils

/ FEATURED NEWS, INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT
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Consider the numerous systems in your heat treat operations. What makes up the anatomy of each furnace or system? In this “Anatomy of a . . .” series, industry experts indicate the main features of a specific heat treat system. In this feature, the full-page spread identifies main features of induction coils.

The mark-ups for these reference images are provided by John Gadus, design and sales specialist, Induction Tooling, Inc.

View the full graphics by clicking the image below.

This Technical Tuesday article is drawn from Heat Treat Today’s April/May 2024 Sustainable Heat Treat Technologies print edition, that had a special focus on green heat treat technologies.

Search www.heattreatbuyersguide.com for a list of induction equipment providers to the North American market. If you are an induction equipment supplier and are not listed here, please let us know at editor@heattreattoday.com.

This series will continue in subsequent editions of Heat Treat Today’s print publications. Stay tuned!

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10 pasos para solucionar las fallas en un equipo de inducción

/ FEATURED NEWS, HARDENING TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT

OC

Nikola Tesla afirmó: <<Si quieres descubrir los secretos del universo, concéntrate en la energía, la frecuencia y la vibración.>>

Al revisar los mecanismos internos de un sistema de inducción es posible evidenciar cada uno de estos tres elementos. Los 10 pasos de esta guía servirán para apoyar a los operadores de departamentos internos de tratamiento térmico en entender los secretos de la inducción para así identificar posibles escollos en tales sistemas y dar solución a problemas comunes que se puedan presentar.

This original content article was first written by Alberto Ramirez, engineer of Power Supply and Automation at Contour Hardening, Inc. and an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021, for Heat Treat Today's May 2023 Sustainable Heat Treat Technologies print edition. Read the Spanish version below, or click the flag above right for the English version.

Puedes hacerlos llegar a Bethany Leone al correo bethany@heattreattoday.com

Alberto Ramirez
Power Supply and Automation Engineer
Contour Hardening, Inc.

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Los metales pueden calentarse mediante el proceso de inducción electromagnética, mediante el cual un campo magnético alternativo cerca de la superficie de una pieza de trabajo metálica (o conductora de electricidad) induce corrientes de Eddy (y, por lo tanto, calentamiento) dentro de la pieza de trabajo.

Los sistemas de inducción pueden llegar a ser sistemas complejos que tienen como objetivo endurecer piezas o secciones específicas de un componente mecánico, dependiendo del grado de complejidad de la pieza a tratar; para el profesional, el desafío será el diagnóstico de los problemas que se lleguen a presentar.

1. Familiarízate con el proceso

Figura 1. Proceso de endurecimiento por inducción
Source: Contour Hardening, Inc.

El proceso de inducción envuelve muchas características tales como: posición de la pieza dentro de la bobina de inducción, posiciones de carga, posiciones de enfriamiento, tiempos de ciclo, potencia eléctrica aplicada, entre otras. Es importante que el profesional sea capaz de identificar la falla y la situación particular en el momento en el que se está presentando.

En algunas ocasiones las fallas no son evidentes y, por ende, es indispensable analizar la pieza que ha sido tratada; este análisis puede ser clave para entender situaciones tales como: falta de profundidad de capa por potencia eléctrica o disminución en la frecuencia de salida, entre otros posibles escenarios.

Adicional al análisis de la pieza, es vital inspeccionar la “escena del crimen” ya que muchos de los sistemas de inducción, dada la naturaleza del proceso y el peligro que implica manejar altos potenciales eléctricos, suelen ser en extremo automatizados y las estaciones de trabajo de difícil acceso para el personal, así que una buena estrategia de trabajo consiste en observar detenidamente las condiciones generales del equipo para determinar el punto de inicio para la resolución del problema.

2. Identifica los componentes principales de tu sistema de inducción, así como los mecanismos de seguridad para ciertas zonas en particular

Entender la interrelación del sistema es importante para comprender qué elemento realiza cierta acción, así como los canales de comunicación entre ellos. Una vez que se genere este conocimiento, se puede asociar una falla a un componente en particular. Usualmente los sistemas de inducción se componen de los siguientes elementos:

Figura 2. Componentes de un sistema de inducción
Source: Contour Hardening, Inc.

Como mencionamos con anterioridad el proceso implica altos potenciales eléctricos, y para eso la naturaleza de las fuentes de alimentación involucra dispositivos electrónicos de potencia, como capacitores eléctricos, los cuales almacenan energía y, por ende, es importante descargar eléctricamente el sistema antes de comenzar a inspeccionar un equipo.

3. Ten preparadas las herramientas necesarias para realizar un buen análisis del problema

Figura. Capacitores
Source: Contour Hardening, Inc.

Al igual que cualquier problem técnico, el uso de la herramienta mecánica es indispensable al realizar algún tipo de proyecto, pero para el diagnóstico de una falla en un equipo de inducción es importante contar con:

  • Osciloscopio
  • Generador de funciones
  • Amperímetro
  • Multímetro digital y analógico.
  • Sondas de alto voltaje

Sin estos elementos es muy difícil llegar a un diagnóstico fiable, y  la posibilidad de encontrar la falla es mínima. Por ende, tener estos medidores en buen estado y, sobre todo, calibrados nos da una perspectiva más clara del problema.

4. Verifica que los sensores del proceso, los monitores de energía y las bobinas de inducción funcionen correctamente

Existen distintos medidores que recogen información acerca del proceso; esta información en su mayoría puede ser visualizada a través del HMI (Human Machine Interface), y, en muchas ocasiones, una buena manera de comenzar a entender el problema es recopilar la información del proceso. Si los medidores no funcionan correctamente, te pueden llevar a conclusiones erróneas.

Verifica que los medidores de energía estén funcionando correctamente, así como tus señales de entrada y de salida.

Las bobinas de inducción son un elemento clave en el proceso de inducción ya que acorde a su geometría generan los campos magnéticos adecuados para lograr los resultados metalúrgicos esperados. Si existen fugas de agua o los elementos de transmisión eléctrica se encuentran sueltos o sucios, seguramente podrán ser la raíz del problema. Es importante comenzar a realizar el diagnóstico de la falla una vez se haya descartado este circuito en particular.

Figura 4. Ejemplo de parámetros de energía
Source: Contour Hardening, Inc.

5. Realiza estudios de energía constante en tu subestación para identificar posibles problemas en tu suministro de energía, así como tiempos críticos

La energía eléctrica es la fuente principal en un proceso de inducción; las fuentes de alimentación transforman y potencializan este recurso para crear campos electrónicos lo suficientemente fuertes para generar el calor en la pieza.

Por ende, es importante descartar con evidencia que el problema en cual nos encontramos no se debe a una falla del sistema eléctrico del cual nuestro sistema de inducción forma parte. De igual manera entender cómo se comporta nuestro sistema eléctrico nos puede ayudar a generar patrones de comportamiento que puedan determinar la solución en momentos específicos en los que se lleguen a presentar.

6. Trabaja de forma metódica documentando tus movimientos y realiza un paso a la vez

Los sistemas de inducción pueden ser muy intimidantes si no has tenido experiencia previa, y, al igual que con cualquier elemento o situación, es importante abordar de manera lógica el problema analizando el modo de la falla, identificando las partes principales que interactúan en ese preciso momento, y, a partir de este análisis, documentar y realizar pequeños pasos, uno a la vez, ya que, de no ser así, es muy probable que pierdas todo el trabajo realizado y la situación empeore.

Figura 5. Antes y durante un arco eléctrico dentro de la línea de transmisión
Source: Contour Hardening, Inc.

Si los movimientos no son exitosos, siempre puedes regresar a tu punto de partida e intentar otro acercamiento. La idea consiste en que el modo de la falla se mantenga estable sin importar los movimientos realizados hasta que se resuelva el problema. De esta manera lograrás contener la falla; de otra manera podrías estar dañando otros elementos sin darte cuenta.

Es muy importante entender que los procesos son secuencias que anteceden y preceden a nuevos eventos; si entiendes el proceso y, una vez resuelto el problema, ahora tienes una nueva falla, es importante analizar si esta falla es la continuación del proceso ya que, de ser así, es posible que te encuentres frente al caso de un evento que está desencadenado una serie de fallas y se haga necesario practicar un análisis más profundo. La idea general es llegar a la raíz del problema y mitigar el riesgo.

7. Intenta cualquier posibilidad relacionada con el proceso sin importar que la relación entre ésta y el problema no sea directa

Un pensamiento lógico puede resolver la mayoría de las fallas técnicas de un sistema, pero, para fallas excepcionales, es necesario utilizar la imaginación y agotar todos los recursos posibles ya que el área de interés más insignificante o el lugar menos pensado puede ser la clave para resolver un problema.

8. Conoce tus fuentes de alimentación

Uno de los factores claves en cualquier equipo de inducción son sus fuentes de alimentación. Las fuentes de alimentación son equipos que no requieren un mantenimiento tan arduo en comparación con otros sistemas en la industria, pero, de no presentarse las condiciones mínimas de mantenimiento, pueden generar altas pérdidas para la organización.

Figura 6. Diagrama de flujo del proceso eléctrico en una fuente de alimentación
Source: Contour Hardening, Inc.

En los casos en los que el problema se encuentra en las fuentes de alimentación, es vital que se siga el mismo proceso metódico previamente descrito. Entender cómo funciona el proceso de transformación de la energía te dará una ventaja, al igual que conocer los componentes empleados o el tipo de tecnología utilizado en el proceso de rectificación, en la inversión (estado sólido o tubos de electrones) y en el circuito resonante. Generalmente las fuentes de alimentación siguen el siguiente patrón de transformación (Figura 6).

9. Identifica las partes críticas de tu equipo de inducción y prepara un inventario de éstas

Figura 7. Daño en una bobina de inducción
Contour Hardening, Inc.

Usualmente los componentes que forman parte de las fuentes de alimentación son difíciles de conseguir dependiendo de la antigüedad de tu equipo, y con la reciente crisis de microchips en el mercado, existen tiempos de entrega muy largos para los elementos de control y automatización; de igual manera, los precios de los mismos se han disparado. Por ende, es vital que exista una lista de partes críticas y un inventario de éstas.

Adicionalmente a los elementos descritos, las bobinas de inducción suelen ser elementos muy característicos e importantes en el proceso de inducción. Éstas bobinas son elementos complejos que han sido diseñados exclusivamente para la pieza, por lo que su fabricación puede tomar varias semanas, y es importante tomar las precauciones necesarias para mantener un movimiento de mantenimiento constante.

10. Realiza mediciones preventivas al sistema para generar un patrón de comportamiento

Figura 8. Ejemplo de posibles mediciones
Contour Hardening, Inc.

Cuando el sistema se encuentre trabajando en óptimas condiciones, genera un plan de medición el cual te permita recopilar información de puntos específi cos dentro del sistema. Una vez que se vuelva a presentar una nueva falla puedes comparar las mediciones de falla contra las del buen funcionamiento. Algunos ejemplos de mediciones pueden ser:

  • Temperatura
  • Voltaje
  • Corriente eléctrica
  • Resistencia y capacitancia
  • Formas de onda

En resumen

Una metodología de trabajo ordenada y documentada, un buen catálogo de piezas de recambio, junto con las herramientas de trabajo necesarias, pueden ser elementos clave para entender un problema y, lo que es más importante, resolverlo de forma eficaz.

Es vital que los profesionales se capaciten de manera constante para mejorar los tiempos de paro debido a fallas en los sistemas de inducción. La capacitación relacionada con procesos metalúrgicos sería una buena forma de complementar tus habilidades de resolución de problemas permitiéndote interpretar las características de los sistemas de inducción, al igual que de los elementos que los componen.

 

Bibliografía

Valery Rudnev and George Totten, ed., ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, (Materials Park, OH: ASM International Heat Treating Society, 2014), 581- 583

 

Sobre el autor: Alberto C. Ramirez es ingeniero en Mecatrónica egresado del Instituto Tecnológico Nacional de México Campus León con una maestría en Administración de Tecnologías de la Información por el Instituto Tecnológico de Monterrey. Cuenta con más de 8 años de experiencia en fuentes de alimentación, gestión de proyectos, mantenimiento y automatización. Actualmente se desempeña como ingeniero de fuentes de alimentación y automatización en Contour Indianapolis. Alberto inició su carrera en la fi lial de Contour en México y debido a su dedicación forma parte del staff en los Estados Unidos.

He is also an honoree from Heat Treat Today's 40 Under 40 Class of 2021.

Para más información:

Contacta a Alberto escribiendo a: aramirez@contourhardening.com.

 

 

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10 Steps To Troubleshoot Your Induction System

/ FEATURED NEWS, HARDENING TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING EQUIPMENT TECHNICAL CONTENT, INDUCTION HEATING TECHNICAL CONTENT, MANUFACTURING HEAT TREAT

OC

Nikola Tesla said, “If you want to find the secrets of the universe, think in terms of energy, frequency, and vibration.” These three components are evident in getting to know the inner workings of an induction system. When it comes to troubleshooting such a system at in-house heat treat departments, this 10 step guide will help heat treat operators understand the secrets of induction and solve common problems that may arise.

This original content article was first written by Alberto Ramirez, engineer of Power Supply and Automation at Contour Hardening, Inc. and an honoree from Heat Treat Today’s 40 Under 40 Class of 2021, for Heat Treat Today's May 2023 Sustainable Heat Treat Technologies print edition.

Alberto Ramirez
Power Supply and Automation Engineer
Contour Hardening, Inc.

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Metals can be heated by the process of electromagnetic induction, whereby an alternative magnetic field near the surface of a metallic (or electrically conductive) workpiece induces eddy current (and thus heat) within the workpiece. Induction systems can be complex systems that aim to heat treat specific parts or sections of a mechanical component; depending on the degree of complexity of the part to be treated, it will be the challenge of a professional to detect any problem.

1. Familiarize Yourself with the Process

Figure 1. Induction hardening process
Source: Contour Hardening, Inc.

The induction process involves many characteristics such as: position of the piece within the induction coil, load positions, cooling positions, cycle times, applied electric power, and others. It is important that the professional can identify the failure and the particular situation at the moment in which it is occurring.

On some occasions, the failures are not evident and therefore it is essential to analyze the part that has been treated. This analysis can be key to understanding situations such as poor depth due to electrical power or decrease in output frequency, among other possible scenarios.

In addition to the analysis of the piece, it is vital to inspect the “crime scene,” since many of the induction systems — given the nature of the process and the danger involved in handling high electrical potentials — are usually highly automated and the work stations are difficult for staff to access. A good work strategy consists of carefully observing the general conditions of the equipment to determine where the problem will begin to be solved.

2. Identify Main Components and Certain Security Mechanisms of Your Induction System

Understanding the interrelationship of the system is important to comprehend which element performs a certain action, as well as the communication channels between them. Once this knowledge is generated, a failure can be associated with a particular component. Induction systems are usually made up of the elements in Figure 2.

Figure 2. Induction system components
Source: Contour Hardening, Inc.

As we mentioned before, the process involves high electrical potentials, and for this reason, the nature of the power supplies involves power electronic devices such as electrical capacitors, which store energy. Therefore, it is important to electrically discharge the system before beginning to inspect a piece of equipment.

3. Have the Necessary Tools Ready To Carry Out a Good Analysis of the Problem

Figure 3. Capacitors
Source: Contour Hardening, Inc.

Like any technical problem, the use of a mechanical tool is essential when carrying out some type of project, but for the diagnosis of failure in induction equipment it is important to have:

  • Oscilloscope
  • Function generator
  • Ammeter
  • Digital and analog multimeter
  • High voltage probes

Without these elements it is exceedingly difficult to reach a reliable diagnosis, and the possibility of finding the fault is minimal. Therefore, having these meters in good condition and above all, calibrated, gives a clearer perspective of the problem.

4. Verify that the Process Sensors, Power Monitors, and Induction Coils Are Working Properly

There are different meters that collect information about the process. This information can mostly be viewed through the HMI (human machine interface). On many occasions, a good way to begin to understand the problem is by collecting the information on the process. If these meters do not work correctly, they can lead you to wrong conclusions.

Verify the energy meters are working correctly, as well as your input and output signals.

Induction coils are a key element in the induction process since, according to their geometry, they generate the appropriate magnetic fields to achieve the expected metallurgical results. If there are water leaks or the electrical transmission elements are loose or dirty, it could be the root cause of the problem. It is important to start troubleshooting once this circuit is ruled out.

Figure 4. Energy parameters example
Source: Contour Hardening, Inc.

5. Carry Out Studies of Constant Energy in Your Substation To Identify Possible Problems in Your Energy Supply, Including Critical Times

Electrical energy is the main source in an induction process, power supplies transform and potentiate this resource to create electronic fields strong enough to generate heat in the piece.

Therefore, it is important to find evidence that rules out failures of the electrical system that the induction system is a part of. In the same way, understanding how our electrical system behaves can help us generate behavior patterns that can determine the solution at specific times when it may arise.

6. Document Your Work Methodically and Take One Step at a Time

Induction systems can be very intimidating if you have not had previous experience, and, like any element or situation, it is important to logically approach the problem by analyzing the failure mode, identifying the main parts that interact at that specific moment. From there, document and take small steps, one at a time. If you don’t, it is very likely you will lose all the work you have done, and the situation will get worse.

Figure 5. Before and after of an arc at the transmission line
Source: Contour Hardening, Inc.

If the moves are unsuccessful, you can always return to your starting point and try another approach. The idea is that the failure mode remains the same no matter what moves you make until the problem is resolved. In this way you will have the failure contained, otherwise you could be damaging other elements without realizing it.

It is very important to understand that the processes are sequences that precede and proceed new events. If you understand the process and solve a problem, but now have a new failure, it is important to analyze if this failure is the continuation of the process. If so, it is possible that you find yourself in a case where an event is triggering a series of failures. Therefore, a more in-depth analysis must be carried out. The idea to generate is to get to the root cause and mitigate the risk.

7. Try Any Possibility Related to the Process Regardless of Whether the Relationship Between It and the Problem Is Not Direct

Logical thinking can solve most of the technical failures of a system. For exceptional failures, however, it is necessary to use your imagination and exhaust all possible resources, since the smallest area of interest or the least thoughtful place can be the key to solving a problem.

8. Get To Know Your Power Supplies

One of the key factors in any induction equipment is its power supplies. Power supplies are equipment that do not require such arduous maintenance compared to other systems in the industry, but if the minimum maintenance conditions are not present, they can generate high losses for the organization.

Figure 6. Flow diagram of the energy process at the power supply
Source: Contour Hardening, Inc.

In cases where the problem is the power supplies, it is vital that the same methodical process previously described is followed. Understanding how the energy transformation process works will give you an advantage, as will knowing the elements that compose them or the type of technology used in the rectification process, in the inversion (solid state or electron tubes) and in the resonant circuit. Generally, power supplies follow the transformation in Figure 6.

9. Identify the Critical Parts of Your Induction Equipment and Prepare an Inventory

Figure 7. Coil damage
Contour Hardening, Inc.

Usually, the elements that belong to the power supplies are difficult to obtain depending on the age of your equipment. With the recent microchip crisis in the market, control and automation elements have very long delivery times or the prices are very high. Therefore, it is vital that there is a list of critical parts and an inventory of these.

In addition to the elements described, induction coils are usually very characteristic and important elements in the induction process. These coils are complex elements that have been designed exclusively for the piece, so their manufacture can take several weeks, and the necessary precautions must be taken to maintain a constant maintenance movement.

10. Perform Preventative Measurements to the System To Generate a Pattern of Behavior

Figure 8. Possible examples of measurements
Contour Hardening, Inc.

When the system is working in optimal conditions, generate a measurement plan which allows you to generate information on specific points within the system. Once a new failure occurs again you can compare the measurements of failure against those of good performance. Some examples of measurements can be:

  • Temperature
  • Voltage
  • Current
  • Resistance and capacitance
  • Waveforms

Summary

An orderly and documented work methodology, a good spare parts catalog, and the necessary work tools can be key elements to understand a problem and, more importantly, to solve it effectively.

It is vital that professionals are in continuous training in order to decrease downtime due to failures in induction systems. Training related to metallurgical processes would be a good way to complement your resolution skills by being able to interpret the characteristics of induction systems with the elements that compose it.

 

References

Valery Rudnev and George Totten, ed., ASM Handbook Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment, (Materials Park, OH: ASM International Heat Treating Society, 2014), 581- 583.

 

About the Author: Alberto C. Ramirez graduated from the National Technical Institute of Mexico as a mechatronics engineer. He earned his master’s degree in information technology administration from Monterrey Institute of Technology. With more than eight years of experience in power supplies, project management, maintenance, and automation, he currently works as a Power Supply and Automation Engineer at Contour Indianapolis. Alberto began his career at the Contour subsidiary in Mexico and due to his dedication, he is part of the staff in the United States. He is also an honoree from Heat Treat Today's 40 Under 40 Class of 2021.

For more information:

Contact Alberto at Contact Alberto at aramirez@contourhardening.com.

 

 

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Induction Through Heating + Intensive Quenching: A “Green Ticket” for Steel Parts

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OCOn site at heat treat operations, gas-fired furnaces can be a significant source of carbon emissions. But depending on the desired heat treatment, an alternative approach that combines induction through heating and intensive quenching could be the “green ticket.” Learn about the ITH + IQ technique and discover how certain steels may benefit from this approach.

This Technical Tuesday article was composed by Edward Rylicki, Vice President Technology, and Chris Pedder, Technical Manager Heat Treat Products and Services, at Ajax TOCCO Magnethermic Corp., and Michael Aronov, CEO, IQ Technologies, Inc. It appears in Heat Treat Today's May 2023 Sustainable Heat Treat Technologies print edition.

Introduction

Chris Pedder,
Technical Manager Heat Treat Products and Services, Ajax TOCCO Magnethermic Corp.
Source: Ajax TOCCO Magnethermic Corp.

Induction heating is a green, environmentally friendly technology providing energy savings and much greater heating rates compared to other furnace heating methods. Other advantages of induction heating include improved automation and control, reduced floor space, and cleaner working conditions. Induction heating is widely used in the forging industry for heating billets prior to plastic deformation. Induction heating is also used for different heat treatment operations such as surface and through hardening, tempering, stress relieving, normalizing, and annealing. However, the amount of steel products subjected to induction heating in the heat treating industry is much less compared to that processed in gas-fired furnaces.

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Gas-fired heat treating equipment is a major source of carbon emissions in the industry. As shown in Reference 1, induction through heating (ITH) followed by intensive quenching (IQ) (an “ITH + IQ” technique) eliminates, in many cases, the need for a gas-fired furnace when conducting through hardening and carburizing processes — the two most widely used heat treating operations for certain steel parts. Eliminating gas-fired furnaces will result in significant reduction of carbon emissions at on-site heat treat operations.

Dr. Michael Aronov,
CEO, IQ Technologies, Inc.
Source: Ajax TOCCO Magnethermic Corp.

The goal of this article is twofold: 1) to evaluate carbon emissions generated during through hardening of steel parts and carburizing processes when conducted in gas-fired furnaces, and 2) to discuss how these emissions can be reduced to zero using the ITH + IQ process.

Evaluation of Carbon Emissions for Through Hardening and Carburizing Processes

Ed Rylicki,
Vice President Technology, Ajax TOCCO Detroit Development & Support Center
Source: Ajax TOCCO Magnethermic Corp.

Most through hardening and carburizing operations for steel parts are conducted in batch and continuous integral quench gas-fired furnaces. Assumptions made for evaluating CO2 emissions produced by a typical integral quench furnace are presented in Table 1. Note: The values of carbon emissions presented Table 1 are conservative since they don’t consider the amount of CO2 produced by furnace flame screens and endothermic gas generators used to provide a controlled carburizing atmosphere in the furnace. Also, it’s assumed that the furnace walls are already heated through when loading the parts, so there are no heat losses associated with the thermal energy accumulated by the furnace walls.

Table 1. Assumptions for calculating of carbon emissions by integral quench furnace
Source: Ajax TOCCO Magnethermic Corp.

Emissions Generated During the Through Hardening Process

A furnace time/temperature diagram for the through hardening process considered is presented in Figure 1. Carbon emissions Ehard produced by the furnace considered during heating of the load to the austenitizing temperature prior to quenching are calculated by using the following equation,

 

(Equation 1)
Ehard = k • Qhard

where:

■ k = the emission coefficient (equal to 0.050 • 10-3 kg per 1 kJ of released energy when burning natural gas (see Reference 2)
■ Qhard = thermal energy required for heating up the above load from ambient to the austenitizing temperature

A value of Qhard is calculated by the equation below,

(Equation 2)

Qhard = M • C • (Ta -To) / Eff = 1,135 • 0.56 • (843 - 20) / 0.65 = 0.805 • 106kJ

where:

■ M = load weight, kg
■ C = steel specific heat capacity (kJ/kg°C)
■ Ta = part austenitizing temperature (°C)
■ To = part initial temperature (°C)
■ Eff = furnace thermal efficiency (a ratio of the furnace thermal losses to the gross heat input)

From equations (1) and (2), the amount of carbon emissions produced by the above furnace during one hardening operation is 40.2 kg. To determine an annual amount of carbon emissions, calculate the number of hardening cycles per year (Nhard) run in the furnace. From Figure 1, a duration of one hardening cycle is 4 hours (3 hours for austenitizing of the parts plus 1 hour for quenching the parts in oil and unloading/loading the furnace). Thus, Nhard is equal to:

Nhard = 360 day • 24 hour • 0.85 / 4 hour = 1826

Figure 1
Source: Ajax TOCCO Magnethermic Corp.

Annual CO2 emissions from one integral quench batch gas-fired furnace are 40.2 • 1836 = 73,807 kg, or more than 73 t

Emissions Generated During Carburizing Process

A simplified furnace time/temperature diagram for the carburizing process considered is presented in Figure 2. Carbon emissions (Ecarb) produced by the above furnace during the carburizing process are calculated by the following equation,

(Equation 3)

Ecarb = k • Qcarb

where:

■ Qcarb = a thermal energy expended by the furnace during the carburizing process. A value of Qcarb amounts to two components: 

(Equation 4)

Qcarb = Qcarb1 + Qcarb2

Qcarb in the following equation is:

■ Qcarb1 = energy required for heating up the load to the carburizing temperature
■ Qcarb2 = energy needed for maintaining the furnace temperature during the remaining duration of the carburization process (for compensation of the furnace thermal losses since the parts are already heated up to the carburizing temperature)

A value of Qcarb1 is calculated using equation (2) where the part carburizing temperature Tc is used instead of part austenitizing temperature Ta (see Table 1):

Qcarb1 = 1,135 • 0.56 • (927 – 20) / 0.65 = 0.887 • 106 kJ

A value of Qcarb2 is a sum of the flue gas losses and losses of the thermal energy through the furnace walls by heat conduction. Qcarb2 is evaluated from the following considerations. Since the assumed furnace thermal efficiency is 65%, the furnace heat losses are equal to 35% of the gross heat input to the furnace. Hence, the furnace heat losses Qloss1 during the load heat up period (the first 3 hours of the carburizing cycle, see Figure 2) are the following:

Qloss1 = Qcarb1 • 0.35 = 0.887 • 106 • 0.35 = 0.31 • 106 kJ.

The furnace heat losses during the remaining 8 hours of the carburizing cycle Qloss2 are proportionally greater and are equal to:

Qloss2 = Qloss1 • 8 hr /3 hr = 031 • 106 • 8 /3 = 0.827 • 106 kJ

Thus, the total amount of the thermal energy expended by the furnace during the carburizing cycle is Qcarb = 0.887 • 106 + 0.827 • 106 = 1.71 • 106 kJ. The total amount of the CO2 emissions from carburizing of the load in the furnace considered according to equation (3) is: Ecarb = 0.050 • 10-3 • 1.71 • 106 = 85.7 kg. To determine an annual amount of carbon emissions from one carburizing furnace, calculate the number of carburizing cycles run in the furnace per year. Per Figure 2, a duration of one carburizing cycle is 12 hour (1 hour for the furnace recovery plus 10 hour for carburizing of parts at 927°C plus 1 hour for quenching parts in oil and for unloading and loading the furnace). Thus, the number of carburizing cycles per year Ncarb is:

Ncarb = 360 day • 24 hr • 0.85 / 12 hr = 612

Figure 2
Source: Ajax TOCCO Magnethermic Corp.

Annual CO2 emissions from one integral quench batch carburizing furnace is about 85.7 • 612 = 52,448 kg, or more than 52 t.

Reducing Carbon Emissions Using the ITH + IQ Process

Reference 1 presents results of two case studies of the ITH + IQ process on automotive input shafts and drive pinions. The study was conducted with a major U.S. automotive part supplier. A two-step heat treating process was used for the input shafts, consisting of batch quenching parts in oil or polymer using an integral quench gas-fired furnace for core hardening followed by induction hardening. This two-step method of heat treatment is widely used in the industry for many steel products. It provides parts with a hard case and tough, ductile core.

Substituting the “ITH + IQ” method for the two-step heat treating process not only eliminates the batch hardening process, but also requires less alloy steel for the shafts that don’t require annealing after forging. Thus, in this case, applying the ITH + IQ technique eliminates two furnace heating processes for the input shafts, resulting in the reduction of the CO2 emissions to zero for the shafts’ heat treatment. Per client evaluation, as mentioned in Reference 1, the hardness profile in the intensively quenched input shafts was similar to that of the standard shafts. Residual surface compressive stresses in the intensively quenched shafts were greater in most cases compared to that of the standard input shafts, resulting in a longer part fatigue life of up to 300%.

Per Reference 1, the environmentally unfriendly  carburizing process can be fully eliminated in most cases for automotive pinions when applying the ITH + IQ method and using limited hardenability (LH) steels that have a very low amount of alloy elements. A case study conducted for drive pinions with one of the major U.S. automotive parts suppliers demonstrates the intensively quenched drive pinions met all client’s metallurgical specifications and passed both the ultimate strength test and the fatigue test. It was shown that the part’s fatigue resistance improved by about 150% compared to that of standard carburized and quenched in oil drive pinions. In addition, distortion of the intensively quenched drive pinions is so low that no part straitening operations were required.

Conclusion

Coupling Ajax TOCCO’s induction through heating method with the intensive quenching process creates a significant reduction of CO2 emissions produced during heat treatment operations for steel parts. For the through hardening process, eliminating just one batch integral quench gas-fi red furnace will reduce carbon emissions by more than 73 ton per year. For the carburizing process, eliminating just one batch carburizing furnace will reduce carbon emissions by more than 52 ton per year. Note that for continuous gas-fired furnaces, the carbon emission reduction will be much greater due to higher continuous furnaces production rates (hence a much higher fuel consumption).

Per our experience, the ITH + IQ process can be applied to at least 20% of the currently through-hardened and carburized steel parts. Per two major heat treating furnace manufacturers in the U.S., there are thousands of atmosphere integral quench batch and continuous furnaces in operation in the U.S. That means hundreds of gas-fired heat treating furnaces can be potentially eliminated, drastically reducing carbon emissions in the U.S., supporting a lean and green economy.

 

References

[1] Michael Aronov, Edward Rylicki, and Chris Pedder, “Two Cost-Effective Applications of Intensive Quenching Process for Steel Parts,”Heat Treat Today, October 2021, https://www.heattreattoday.com/processes/quenching/quenching-technical-content/two-cost-effective-applications-for-intensive-quenching-of-steel-parts/.

[2] U.S. Energy Information Administration.

About the Authors:

Ed Rylicki has been in the induction heating industry for over 50 years. He is currently Vice President Technology at Ajax TOCCO Detroit Development & Support Center in Madison Heights, Michigan.

Mr. Chris Pedder has over 34 years of experience at Ajax Tocco Magnethermic involving the development of induction processes in the heat treating industry from tooling concept and process development to production implementation.

Dr. Michael Aronov has over 50 years’ experience in design and development of heating and cooling equipment and processes for heat treating applications. He is CEO of IQ Technologies, Inc. and a consultant to the parent company Ajax TOCCO Magnethermic.

For more information: Contact info@ajaxtocco.com or 800.547.1527

 

 

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