DE102011108875A1

DE102011108875A1 - Induktives inertes Härten und Anlassen

Info

Publication number: DE102011108875A1
Application number: DE102011108875A
Authority: DE
Inventors: Rainer Gaus; Hubert Seiferling
Original assignee: Thermprotec Asia Ug (haftungsbeschrankt); THERMPROTEC ASIA UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Current assignee: Thermprotec Asia Ug (haftungsbeschrankt); THERMPROTEC ASIA UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-31
Also published as: WO2013023635A2; WO2013023635A3

Abstract

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der metallische Wellen induktiv in einem Bereich erwärmt werden und anschließend in einem Kühlmedium abgekühlt werden. Der Bereich der Heizzone wird durch eine, dem Bauteil angepasste Kammer inertisiert, wobei das Inert Medium im wesentlichen zentral in die Kammer eingeführt wird und über die Enden austritt. Nach der Erwärmung wird das Bauteil in einer Abkühlvorrichtung abgekühlt. Idealerweise ragt die Kammer schon in das Abkühlmedium, so dass im heißen Zustand kein Kontakt mit Luft stattfindet.

Description

Aufgabenstellung und Stand der Technik:
Die thermische Härtung von metallischen Bauteilen ist im Bereich des Maschinenbaus ein üblicher Prozess. Er wird zum großen Teil in Gas- oder elektrobeheizten Öfen durchgeführt, in denen die Bauteile in der Regel durcherwärmt werden und anschließend in einem Tauchbecken abgekühlt werden. Die Bauteile verändern die metallische Gitterstruktur mit der Temperatur. Durch die schnelle Abkühlung findet ein sogenanntes „Einfrieren der Gitterstruktur” statt. Diese neue Gitterstruktur hat andere Materialeigenschaften und so lässt sich die gewünschte Eigenschaft der Bauteile einstellen. Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen findet die Erwärmung Induktiv statt. Dadurch werden wesentlich höhere Wirkungsgrade erzielt und auch eine gezielte Härtung von bestimmten Bereichen wird dadurch ermöglicht.
Die Bauteile befinden sich aber während der Erwärmung in der Regel an Luft und es findet dadurch eine Oberflächenoxidation statt. Dadurch entsteht Zunder und eine Farbveränderung an der Oberfläche.
Um diese zu vermeiden muss der Erwärmprozess unter Ausschluss von Luftsauerstoff stattfinden unter sogenannter inerter oder reduzierender Atmosphäre (H₂). Letzteres ermöglicht eine gleichzeitige Reinigung von schon oxidierten Oberflächen.
Sowohl der Konventionelle Prozess als auch der Induktionsprozess findet dann in einer großen inertisierten Kammer statt. Dadurch muss ein großes Volumen zuerst evakuiert und anschließend mit dem entsprechenden Gas gefüllt werden. Das erfordert sehr lange Prozesszeiten und ermöglicht nur eine teilweise Inertisierung, d. h. häufig findet dennoch eine partielle ungewollte Oxidation statt.
Erfindung:
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren, bei dem die Erwärmung des Bauteils induktiv erfolgt. Dieses Induktive Feld wirkt nur auf metallische oder elektrisch leitende Bauteile.
Eine nichtmetallische Kammer, im einfachsten Fall ein keramisches Rohr wird von dem Feld nicht beeinflusst. Wird das Inertgas, z. B. Stickstoff in der Mitte dieses Rohres zugeführt, so strömt das Gas über die offenen Enden hin zum Bauteil aus. Der in der Kammer befindliche Sauerstoff wird dadurch in kürzester Zeit aus der Kammer herausgepresst. Ein kontinuierlicher Inertgasstrom verhindert unterdessen das Nachrücken von weiterem Sauerstoff. Die einfache Kammergeometrie verhindert zudem das Auftreten von Luftnestern und ermöglicht dadurch eine sehr hohe Prozessqualität.
Eine entsprechende Anordnung der Anlage mit Positionierung der Kammer direkt über dem Abkühlbecken erlaubt eine minimale Belastung des Bauteils im heißen Zustand mit Sauerstoff. Alternativ kann die Kammer auch direkt außerhalb der Induktionsspule angebracht werden.
Macht man sich dieses Innovative Konzept zu eigen, so lassen sich damit beliebige Umsetzungsvarianten generieren, die jedoch allesamt auf dieses wesentliche Prinzip zurückzuführen sind.
So kann z. B. der Systemaufbau Horizontal oder Vertikal sein, die Spule oder das Bauteil bewegt werden, zur Erwärme eine Lange Spule oder eine bewegte kurze Spule eingesetzt werden. Selbstverständlich muss auch die Erwärmfrequenz an die Erwärmaufgabe angepasst werden.
Insbesondere bei dem horizontalen Aufbau ist zur Abkühlung eine, das Bauteil umschließende Abkühlmittelbrause erforderlich, die über das Bauteil bewegt wird.
Als Abkühlmittel kann sowohl Wasser als auch eine Polymerflüssigkeit eingesetzt werden.
In konventionellen Induktiven Anlagen werden häufig offene Spulen eingesetzt, um den Inertisierungsvorgang zu beschleunigen. Diese habe den großen Nachteil, dass der Wirkungsgrad deutlich reduziert wird. Dies ist bei der Erfindung nicht erforderlich. Es können klassische Lenzfeldspulen mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum induktiven Härten von langestrecken metallischen Bauteilen zum Zwecke der Materialvergütung wobei der induktive Erwärmprozess in inerter oder chemisch reduzierender Atmosphäre stattfindet und sich das Bauteil im wesentlichen bis zur Abkühlung mit dem Abkühlmedium in dieser Atmosphäre befindet, und dadurch die Oxidation an Sauerstoff im wesentlichen vermieden wird, gekennzeichnet dadurch, dass die Inerte bzw. reduzierende Atmosphäre in einer kleinen Kammer erzeugt wird, die vorzugsweise innerhalb der Induktionsspule oder dicht außerhalb an der Induktionsspule, angeordnet ist und aus elektrisch nicht leitendem Material, vorzugsweise Glas oder Keramik ist, vorzugsweise zum Bauteil hin an den Enden verjüngt ist, um den Gasaustritt zu minimieren und mit einem Ende dicht oder vollständig an die Abkühlvorrichtung anschließt, und nach der Erwärmung relativ in die Abkühlvorrichtung geführt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerflutung mit dem Inert-/Reduktionsmedium durch einen, zentral an der Kammer angebrachten Stutzen erfolgt, und das Gas an beiden enden die Kammer verlässt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteil um eine Welle oder wellenähnliches Bauteil handelt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kammersystem nur um ein keramisches oder Glasrohr mit Zulauf ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmewerkzeuge in Ihrem Querschnitt im wesentlichen gleich groß oder kleiner als der entsprechende Querschnitt des Bauteils sind.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtetemperatur zwischen 800°C und 1.100°C, vorzugsweise zwischen 850°C und 900°C, liegt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlass-Temperatur im Bereich zwischen 400°C und 700°C, vorzugsweise im Bereich 550°C und 650°C, liegt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die geschlossene Induktionsspule (Lenzfeldspule) über den gesamten zu härtenden Bereich erstreckt.
Verfahren und Vorrichtung 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule kleiner als der zu Härtende Bereich ist und sich während der Erwärmung über den zu härtenden Bereich bewegt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Härtebereich nur Teile der Welle betrifft.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Systems im wesentlichen vertikal ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Systems im wesentlichen horizontal ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Bauteils bei im wesentlichen feststehender Induktionsspule erfolgt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Induktionsspule zusammen mit der Abkühlvorrichtung bewegt und das Bauteil im wesentlichen fest steht.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Abkühlvorrichtung um einen Wassersprühring handelt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlvorrichtung um ein Becken mit Kühlflüssigkeit handelt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abkühlbecken zur Reduktion der Blasenbildung eine Strömung aufgebaut wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Induktiven Erwärmung eine geschlossenen Induktionsspule eingesetzt wird, die in der Regel aber nicht ausschließlich aus mehreren Windungen besteht.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur induktiven Erwärmung, Frequenzen im Bereich von 1 kHz–50 kHz zur Volumenerwärmung eingesetzt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Härtung von Oberflächen Frequenzen im Bereich von 100 kHz–500 kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 150 kHz und 250 kHz eingesetzt werden.