Induktionshärten – Anwendung, physikalischer Prozess, Arten und Methoden des Härtens

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Induktionshärtung – eine der Arten der Wärmebehandlung von Metallen, die die Möglichkeit von Phasenumwandlungen bietet, d. h. der Umwandlung von Perlit in Austenit. Durch die Induktionshärtung erhalten Stahlteile höhere mechanische Eigenschaften, da sich die Qualität des Stahls durch eine solche Behandlung deutlich erhöht.

Für die Wärmebehandlung von Metallen zum Zweck ihrer Oberflächenhärtung wird daher Induktionserwärmung verwendet. Die Technologie ermöglicht die Auswahl unterschiedlicher Tiefen der gehärteten Schicht, außerdem lässt sich der Prozess leicht automatisieren, weshalb diese Methode verwendet wird gilt als fortschrittlich. Es ist möglich, Teile mit unterschiedlichen Formen zu verfestigen.

Es gibt zwei Arten der Oberflächeninduktionshärtung: Oberflächen- und Massenoberflächenhärtung.

Beim Oberflächenhärten mit Oberflächenerwärmung wird das Werkstück bis in die Tiefe der gehärteten Schicht auf die Härtetemperatur erhitzt, während der Kern intakt bleibt. Die Aufheizzeit beträgt 1,5 bis 20 Sekunden, die Aufheizgeschwindigkeit 30 bis 300 °C pro Sekunde.

Die Volumenhärtung der Oberfläche ist durch die Erwärmung einer Schicht gekennzeichnet, die größer ist als eine Schicht mit martensitischem Gefüge, es handelt sich um eine Tiefenerwärmung. Der Stahl wird bis zu einer Tiefe geglüht, die geringer ist als die Dicke der erhitzten Schicht, die durch die Härtung des Stahls bestimmt wird.

In tiefen Zonen tiefer als das martensitische Gefüge, die auf die Erstarrungstemperatur erhitzt werden, bilden sich erstarrte Zonen mit der Struktur von erstarrtem Sorbit oder Troostit. Die Aushärtezeit erhöht sich auf 20-100 Sekunden, die Aufheizrate sinkt im Vergleich zur Oberflächenhärtung auf 2-10°C pro Sekunde.

Hochleistungsachsen, Zahnräder, Kreuze usw. werden einer volumetrischen Oberflächenhärtung unterzogen. Der Hauptunterschied zwischen Induktionserwärmung und anderen Erwärmungsmethoden besteht in der direkten Wärmeabgabe an das Werkstückvolumen.

Der Ablauf läuft grundsätzlich wie folgt ab. Das gehärtete Teil wird in den Induktor gelegt, der mit Wechselstrom betrieben wird. Ein veränderliches Magnetfeld induziert einen EMF In der Oberflächenschicht des Werkstücks entstehen Wirbelströme, die das Werkstück erhitzen. Diese Bereiche, die einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt sind, werden auf hohe Temperaturen erhitzt.

Die Aufheizgeschwindigkeit ist hoch und es besteht die Möglichkeit einer lokalen Erwärmung. Aufgrund des Oberflächeneffekts ist die Stromdichte an der Oberfläche des Werkstücks höher, weshalb eine Erwärmung nur bis zur erforderlichen Tiefe möglich ist. Der Kern erwärmt sich leicht.87 % der von den Wirbelströmen auf das Werkstück übertragenen Leistung liegen in der Eindringtiefe.

Da die Stromeindringtiefe bei verschiedenen Temperaturen des Metalls unterschiedlich ist, erfolgt der Prozess in mehreren Schritten. Zuerst wird die Oberflächenschicht des kalten Metalls schnell erhitzt, dann wird die Schicht tiefer erhitzt und die erste Schicht wird nicht so schnell weiter erhitzt, dann wird die dritte Schicht erhitzt.

Beim Erhitzen jeder Schicht nimmt die Erwärmungsrate jeder Schicht ab, während die entsprechende Schicht ihre magnetischen Eigenschaften verliert. Das heißt, die Wärme breitet sich aufgrund von Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Metalls von Schicht zu Schicht aus. Dies ist eine aktive Erwärmung durch Strom, sie dauert buchstäblich Sekunden.

Die Induktionserwärmung unterscheidet sich je nach Temperaturverteilung im Werkstückabschnitt von der Erwärmung durch Wärmeleitung. In der erhitzten Schicht ist die Temperatur deutlich höher als in der Mitte, es kommt zu einem starken Abfall, da im zentralen Teil der Teilweise gehen die magnetischen Eigenschaften erst dann verloren, wenn der äußere Wirkstrom das Metall bereits überhitzt hat. Durch Änderung der Stromfrequenz und der Erwärmungsdauer wird das Werkstück auf die erforderliche Tiefe erhitzt.

Das Design des Induktors bestimmt in der Regel die Erstarrungsqualität des Teils. Der Induktor besteht aus Kupferrohren, durch die Wasser geleitet wird, um ihn zu kühlen. Zwischen dem Induktor und dem Teil wird ein bestimmter Abstand eingehalten, der in Millimetern gemessen wird und auf allen Seiten gleich ist.

Das Abschrecken erfolgt auf unterschiedliche Weise, abhängig von der Form und Größe des Teils sowie den Abschreckanforderungen. Kleine Teile werden zunächst erhitzt und dann abgekühlt.Bei der Schauerkühlung wird ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, durch Löcher im Induktor zugeführt. Wenn das Teil lang ist, bewegt sich der Induktor beim Abschrecken daran entlang und das Wasser wird nach seiner Bewegung durch die Duschlöcher geleitet. Es handelt sich um ein kontinuierliches sequentielles Aushärtungsverfahren.

Bei der kontinuierlichen sequentiellen Aushärtung bewegt sich der Induktor mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 30 mm pro Sekunde und Teile des Teils fallen nacheinander in sein Magnetfeld. Dadurch wird das Teil sukzessive abschnittsweise erwärmt und abgekühlt. Auf diese Weise können bei Bedarf auch einzelne Teile des Werkstücks gehärtet werden, beispielsweise Kurbelwellenzapfen oder die Zähne eines großen Zahnrads. Mit Automatisierungstools können Sie das Teil gleichmäßig ausrichten und den Induktor mit hoher Präzision bewegen.

Je nach Stahlsorte und Art der Vorbehandlung sind die Eigenschaften nach dem Härten unterschiedlich. Auch Induktionsheiz-, Kühl- und Niedrigtemperierungsmodi wirken sich auf die Ergebnisse aus.

Im Gegensatz zum herkömmlichen Härten macht das Induktionshärten den Stahl um 1–2 HRC härter und fester, verringert die Zähigkeit und erhöht die Dauerfestigkeit. Dies ist auf das Mahlen der Austenitkörner zurückzuführen.

Eine hohe Aufheizgeschwindigkeit führt zu einer Zunahme der Perlit-Austenit-Umwandlungszentren. Das anfängliche Austenitkorn fällt klein aus, Wachstum findet aufgrund der hohen Aufheizgeschwindigkeit und fehlenden Freilegung nicht statt.

Martensitkristalle sind kleiner. Die Austenitkörnung beträgt 12–15 Punkte. Bei der Verwendung von Stählen mit geringer Neigung zum Wachstum austenitischer Körner erhält man ein feines Korn.Aufgrund der besseren Qualität erhält man Teile mit einer leicht streuenden Ausgangsstruktur.

Durch die Verteilung der Eigenspannungen erhöht sich die Dauerfestigkeit. In der ausgehärteten Schicht liegen Druckeigenspannungen vor, außerhalb davon Zugspannungen. Ermüdungsausfälle hängen mit Zugspannungen zusammen. Druckspannungen schwächen die zerstörerischen Zugkräfte unter Einwirkung äußerer Kräfte während des Betriebs des Teils. Deshalb erhöht sich durch die Induktionshärtung die Dauerfestigkeit.

Von entscheidender Bedeutung beim Induktionshärten sind: Aufheizgeschwindigkeit, Abkühlgeschwindigkeit, Art der Härtung bei niedrigen Temperaturen.