DE698534C - - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 12. NOVEMBER 1940

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 18c GRUPPE 112

A 73888 V Ij 18 c

Allgemeine Elektricitäts-Geseilschaft in Berlin Induktive Oberflächen-Härtevorrichtung

Patentiert im Deutschen Reiche vom 15. August 1934 ab Patenterteilung bekanntgemacht am io. Oktober 1940

Die Priorität der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 24. August 1933

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Oberflächenhärten, d. h. zu einem Härten, bei dem das Werkstück lediglich an der Oberfläche eine gehärtete Zone erhält, während es im Kern unverändert bleibt und seine technologische Beschaffenheit und Festigkeitseigenschaften unverändert beibehält. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine solche Oberflächen-Härtevorrichtung, bei der das Erhitzen des Werkstückes an der Oberfläche durch induzierte Ströme erfolgt und das Härten dadurch bewirkt wird, daß nach erfolgtem Erhitzen das Werkstück an der Oberfläche mittels eines Kühlmittels abgeschreckt wird.

Es ist bereits bekannt, Werkstücke an der Oberfläche induktiv zu erhitzen und dann abzuschrecken, wobei zum Erhitzen eine an eine Hochfrequenzstromquelle angeschlossene Induktionsspule diente, wonach das Werkstück entweder in einen mit einer Kühlflüssigkeit gefüllten Behälter eingetaucht wurde oder Spritzöffnungen zwischen den einzelnen Gängen der Spule vorgesehen sein sollten, die das Abschreckmittel gegen das erhitzte Werkstück spritzen sollten.

Es ist auch bekannt gewesen, Glasplatten durch zwei als Elektroden eines Kondensators geschaltete Hohlkörper zu temperieren, indem die Glasplatte als Dielektrikum wirkte. Nach erfolgter Erhitzung wurden die Elektroden von der Glasplatte entfernt, und es wurde ein Kühlmittel durch die Hohlräume der Elektroden und besondere Spritzöffnungen gegen die Glasplatte gespritzt.

Es ist ferner bekannt, induktive Wärmebehandlungen durch ein Induktionsgerät vorzunehmen, das nicht unmittelbar an die Quelle eiaes hochfrequenten Stromes angeschlossen ist, sondern durch Vermittlung eines 4« Transformators (Fokusinduktor). Das Werkstück stellt dann den Sekundärteil eines zweiten Transformators dar, dessen Primärteil von dem zwischengeschalteten Transformator gespeist wird. Diese doppelte Transformierung des Hochfrequenzstromes hat zur Folge, daß in dem Heizgerät eine außerordentlich hohe Stromzusammenballung unter niedriger Spannung erfolgt, so daß das Werkstück sehr schnell erhitzt werden kann, wobei das Heizgerät infolge seiner niedrigen Spannung ungefährlich für die Bedienung ist, und die Isolierung keine Schwierigkeiten macht.

Dk Erfindung bezweckt die Schaffung einer Oberflächenhärtevorrichtung, die es gestattet, die Tiefe, die Ausdehnung und den Härtegrad der gehärteten Oberflächenzone beliebig zu gestatten und genau den an das Werk-

stück zu stellenden Anforderungen anzupassen, ohne dab irgendeine unerwünschte Beeinflussung der Eigenschaften des Werkstückes unterhalb der beabsichtigten Härtezone erfolgt. Insbesondere soll die Möglichkeit gegeben werden, die Tiefe der Härtezone gering zu halten, was zur Voraussetzung hat, daß der Heiz Vorgang nur sehr kurz dauern darf. Derartige Anforderungen werden beispielsweise an die Kurbellagerzapfen der Kurbelwellen für Brennkraftmotoren gestellt, die zwar eine dünne, harte Oberfläche haben müssen, im Innern aber die erforderlichen Fesligkeitseigenschaften beibehalten müssen.

*5 Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Oberflächen-Härtevorrichtung, bestehend aus einem Induktionsheizgerät, das Kanäle und Spritzöffnungen für das Abschreckmittel besitzt, und bezweckt eine Verbesserung dieser

ao Vorrichtung, Die Erfindung löst diese Aufgabe in der Weise, daß dieses Heizgerät an die Hochfrequenzwechselstromquelle über einen Transformator geschaltet ist (Fokusinduktor).

Die Erfindung hat den Vorteil, daß in dem Heizgerät infolge der doppelten Transformierung des Stromes eine außerordentlich hohe Stromdichte erzielbar ist, so daß der Heizvorgang nur eine sehr kurze Zeit zu dauern braucht, um die zum Härten erforderliche Abschrecktemperatur zu erzielen. Infolge der kurzen Heizdauer kann sich die Erhitzung nicht in das Innere des Werkstückes fortpflanzen, so daß die Werkstoffeigenschaften des Kernes des Werkstückes unterhalb der gehärteten Zone unverändert bleiben. Dabei bestehen keine Isolationsschwierigkeiten und keine Gefahren für die Bedienung, da die Spannung des Heizgerätes niedrig ist. Die Ausrüstung des auf diese Weise geschalteten Heizgerätes mit Kanälen und Spritzöffnungen für das Abschreckmittel hat den Vorteil, daß das Werkstück zum Abschrecken nicht von dem Heizgerät entfernt zu werden braucht, so daß zwischen dem Heizen und dem Abschrecken keine Pause entsteht, während der sich das soeben erhitzte Werkstück wieder in unerwünschter Weise abkühlen könnte. Das Abschrecken kann nunmehr unmittelbar nach Beendigung des Heizvorganges erfolgen, so daß ein Überhitzen des Werkstückes nicht erforderlich ist. Dadurch werden sowohl die Eigenschaften der gehärteten Zone nicht verschlechtert als auch die Eigenschaften des Werkstückkernes durch unerwünschtes Eindringen der Hitze in diesen nicht verändert.

Eine weitere vorteilhafte Einzelheit der Erfindung besteht darin, daß das Heizgerät bei Werkstücken, die auf ihrem gesamten Umfange an der Oberfläche gehärtet werden sollen, als eine einzige, das Werkstück umfassende Windung ausgebildet ist, während bei linearen Werkstücken das Heizgerät aus einem einzigen linearen Leiter besteht.

Erfindungsgemäß kann das ringförmige Heizgerät aus mindestens zwei lösbar verbundenen Sektoren bestehen, während das lineare Heizgerät erfindungsgemäß mit dem linearen Werkstück in Reihe geschaltet wird.

Die einwindige bzw. lineare Ausbildung des Heizgerätes hat den Vorteil, daß es der Gestalt des Werkstückes und der gewünschten Ausdehnung der zu härtenden Oberflächenzone genau angepaßt werden kann, was bei mehrwindigen Induktionsspulen, wie sie bisher zum induktiven Erhitzen benutzt wurden, nicht möglich isi. Außerdem gestattet die Ausbildung des Heizgerätes als eine einzige Windung oder als ein einziger linearer Leiter die größte Stromdichte, also die kürzeste Heizdauer. Die Ausbildung des ringförmigen Heizgerätes aus lösbar verbundenen Sektoren hat den Vorteil, daß auch Werkstücke behandelt werden können, die irgendwelche seitlichen Vorsprünge besitzen und deshalb nicht in ein geschlossenes ringförmiges Heizgerät eingeführt werden könnten, wie z. B. die Lager der Kurbelzapfen von Kurbelwellen, deren Kurbelwangen die Benutzung eines geschlossenen ringförmigen Gerätes verhindern. Die Einzelteile des unterteilten Heizgerätes können bequem um den zu bearbeitenden Teil herumgelegt und dann leitend verbunden werden.

Das Inreiheschalten eines linearen Heizgerätes mit dem linearen Werkstück hat den Vorteil, daß der Heizstrom das Werkstück nicht nur induktiv, sondern auch durch Widerstandserhitzung erwärmt.

Die Zeichnung veranschaulicht einige-Aus- ^Jo° führungsbeispiele der Erfindung.

Abb. ι zeigt im Schnitt bzw. in Teilansicht eine erfindungsgemäße Härtevorrichtung für ein zapfenförmiges Werkstück;

Abb. 2 zeigt in Ansicht die Heizvorrich- >°5 tung für ein lineares Werkstück,

Abb. 3 im Schnitt;

Abb. 4 zeigt eine andere Bauart des Heizgerätes nach den Abb. 2 und 3.

Bei der Vorrichtung nach der Abb. 1 wird «»« eine Ringinduktionsspule 1 erregt durch eine Induktionsspule 2, die von einer geeigneten Quelle eines hochfrequenten Wechselstromes 3 gespeist wird. Kondensatoren c dienen zur Verbesserung des Leistungsfaktors des Ge- i«5 nerators 3. Zwischen die Spulen 1 und 2 kann eine Schutzschicht aus irgendeinem geeigneten Isolierstoff eingelegt sein. Die beiden Spulen können mit einer eigenen Kühlung ausgerüstet sein, beispielsweise, indem die zur Aufnahme der Wicklungen dienenden Rohre von Wasser durchflossen werden. Das

ist für die Spule ι angedeutet durch die Wasserzufuhr und Wasserabteiluttgsnippel 8. Die Windungen der Spule ι können auch parallel geschaltet sein, es kann außerdem die Induktionsspule ι geerdet sein, wie in Abb. 4 angedeutet ist. Das Werkstück, m diesem Falle ein an der Oberfläche zu härtender Zapfen 7, ist eingeschlossen durch das eigentliche Heizgerät fFokusinduktor), das aus zwei "halbkreisförmigen Teilen 5 und 6 besteht. Das Gerät kann natürlich auch aus einer größeren Anzahl von Teilen bestehen, falls die Gestalt des Werkstückes es erfordern sollte. Meist genügt es, das Heizgerät aus zwei Teilen herzustellen, um das Werkstück vollständig zu umfassen. Besitzt das Werkstück keine seitlichen Vorsprünge, wie beispielsweise die Kurbelarme einer Kurbelwelle, so kann natürlich das Heizgerät auch

ίο aus einem einteiligen ringförmigen Körper bestehen. Die Teile oder Sektoren 5 und 6 sind irgendwo so fest verbunden, daß ein ununterbrochener Stromdurchgang möglich ist. Außerdem sind sie an die Enden der Induk-

»5 tionsspule 1 angeschlossen und mit diesen auch durch Schrauben o. dgl. verbunden, beispielsweise durch Schweißen. Die feste Verbindung besteht natürlich nur zwischen dem einen Sektor 5 und der Induktionsspule 1, da der zweite Sektor 6 frei beweglich sein muß, um das Werkstück 7 bequem einlegen zu können.

Die beiden Induktorteile 5 und 6 sind Hohlkörper und besitzen Nippel 8 zum Zuführen und Abführen eines Abschreckmittels, das von einer Abschreckmittelquelle 10 geliefert wird, und dessen Fluß durch ein Ventil 11 gesteuert werden kann. Die am Werkstück zugekehrten Wandungen der Induktorteile 5 und 6 sind mit Spritzlöchern 9 versehen, durch die das Abschreckmittel gegen die erhitzte Oberfläche des Werkstückes gespritzt wird. Das Abschreckmittel steht unter einem hohen Druck, so daß das Abschrecken rasch erfolgt.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist die folgende:

Beim stromlosen Gerät wird der Induktor-Sektor 6 von dem Induktor-Sektor 5 gelöst. Das Werkstück 7 wird zwischen die beiden Induktorteüe eingelegt und durch irgendwelche Mittel in einem genauen Abstand von den Wandungen der beiden Induktorteüe 5 und 6 fixiert. Dann werden die beiden Induktorhälften 5, 6 fest und leitend verbunden.

Der Strom wird dann der Primärseite 2 des Transformators 1, 2 zugeführt, wodurch in der Sekundärinduktionsspule des Transformators ein entsprechender Strom, jedoch höherer Dichte und niedrigerer Spannung, erzeugt wird. Der in der Spule 1 erzeugte Induktionsstrom fließt dann durch die beiden Induktorhälften 5 und 6, die zusammen mit dem Werkstück den zweiten Transformator bilden, wobei die beiden Induktorhälften die Primärseite und die Oberfläche des Werk-Stückes die Sekundärseite darstellen. Hierdurch werden in der Oberflächenzone des Werkstückes 7 Induktionsströme erzeugt, die diese schon in kürzester Zeit auf die Anschrecktemperatur erhitzen. Diese Erhitzungszeit beträgt je nach dem Durchmesser und der Größe des Werkstückes etwa 2 bis 8 Sekunden; die Erhitzungstiefe wird durch die Erhitzungsdauer gesteuert, ebenso die Erhitzungstemperatur. Die Ausdehnung der Erhitzungszone wird bedingt durch die Gestalt des das Werkstück umgebenden Induktors, d. h. der Teile 5 und 6.

Nach Erzielung der erforderlichen Abschrecktemperatur wird der Strom abgeschaltet und gleichzeitig das Ventil 11 geöffnet, so daß das Abschreckmittel unter hohem Druek durch die Spritzlöcher 9 gegen die erhitzte Oberfläche des Werkstückes gespritzt wird.

Die Spritzdauer beträgt etwa 2 bis 10 Sekunden. Mit der Beendigung des Spritzens ist der Härtevorgang ebenfalls beendet. Infolge der kurzen Heizdauer bleibt der Werkstoff im Innern des Werkstückes unverändert, so daß lediglich die Oberfläche des Werkstückes bis auf die gewünschte Tiefe hinein gehärtet wird.

Wird eine sehr hohe Erhitzung gefordert, also eine hohe Stromdichte in dem Induktor mit kurzer Heizdauer, so wird der Induktor zweckmäßig als eine einzige Windung ausgebildet. Braucht die Erhitzung nicht so hochgeführt zu werden, und gestattet es die Gestalt des Werkstückes sowie die zur Verfügung stehende elektrische Leistung, so kann der Induktor aus mehreren Windungen bestehen. Diese Bauart empfiehlt sich jedoch nur dann, wenn der Induktor nicht mehrteilig zu sein braucht, so daß das Werkstück, beispielsweise ein zylindrischer Bolzen, eine Walze, oder ein Zapfen, in den Induktor von der Seite leicht eingeführt werden kann.

Bei mehrteiligen Induktoren ist die Anwendung von mehreren Windungen umstand- n° licher, da dann eine gut leitende Unterhaltung und eine zuverlässige Abdichtung der Abschreckmittelräume nicht ganz einfach ist.

Die Vorrichtung nach den Abbildungen 2 bis 4 ist zum Härten der Lauffläche von Eisenbahnschienen bestimmt. Der Generator 3 liefert den erforderlichen hochfrequenten Strom und speist die Primärspule eines Transformators. Kondensatoren c sind auch hier zur Verbesserung des Leistungsfaktors vorgesehen. Die Sekundärspule 1' speist das Heizgerät 13, welches als Hohlkörper ausge-

bildet ist, Zuführungsnippel 8 für das Abschreckmitel besitzt und auf der dem Werkstück 12 zugekehrten Seite mit Spritzöffnungen 9 zum Abschrecken der erhitzten Lauffläche der Schiene versehen ist. Das Heizgerät 13 ist mit dem Werkstück 12 in Reihe geschaltet. Bei der Ausführung nach Abb. 3 soll nur die obere Lauffläche der Schiene 12 gehärtet werden. Das Heizgerät 13 erstreckt sich somit lediglich über die Lauffläche der Schiene.

Bei der Bauart nach Abb. 4 dagegen soll die rechte Seitenflanke des Schienenkopfes gehärtet werden, infolgedessen besitzt auch das Heizgerät 13' außer einem die Lauffläche der Schiene härtenden Teil eine senkrecht nach unten gerichtete Verlängerung, die die Seitenfläche des Schienenkopfes behandelt. Auch hier ist die dem Werkstück zugekehrte Wandung der senkrechten Verlängerung des Heizgerätes mit Spritzlöchern für das Abschreckmittel ausgerüstet.

Die Wirkung dieser Vorrichtung ist die gleiche wie die der Vorrichtung nach Abb. 1.

«5 Nachdem das Heizgerät 13 über der Schiene in einer richtigen Entfernung fixiert ist und die Schiene und das Heizgerät in Reihe mit der Sekundärspule 1 des Transformators geschaltet sind, wird der Strom eingeschaltet.

Nachdem der Strom genügend lange geflossen ist und durch die in dem Schienenkopf induzierten Ströme und dem Durchfluß des Stromes durch den Schienenkopf dessen Oberfläche bis auf die Abschrecktemperatur erhitzt ist, wird der Strom abgeschaltet und das Abschreckmittel unter Druck durch das Heizgerät gegen die erhitzte Fläche des Schienenkopfes gespritzt und damit der Härtevorgang beendet.

Auch bei solchen linearen Werkstücken, die nicht genau linear sind, sondern irgendwie anders verlaufen, erfolgt durch die erfindungsgemäße Schaltung des Heizgerätes und dessen Ausrüstung mit Spritzkanälen und öffnungen für das Abschreckmittel einerseits eine außerordentliche Zusammenballung des Stromes in der zu härtenden Oberflächenzone des Werkstückes, andererseits ein unmittelbar an das Heizen sich anschließendes kräftiges Spritzen des Abschreckmittels, so daß in der Tat nur die gewünschte gehärtete Oberflächenzone erzielt wird, ohne Veränderung der Eigenschaften des Werkstückes unterhalb der gehärteten Zone. Auch hier kann durch Einstellung der Heizdauer, Gestaltung des Heizgerätes, Bemessung des Abstandes des Heizgerätes vom Werkstück und Bemessung der Spritzdauer des Abschreckmittels eine beliebig geartete Härtung der Oberfläche des Werkstückes erzielt werden.

Die Verwendung des Werkstückes selbst als Rückleitung für den durch das Heizgerät fließenden Strom verstärkt die Heizwirkung und kürzt somit die Heizdauer ab.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Oberflächen-Härtevorrichtung, bestehend aus einem Induktionsheizgerät, das Kanäle und Spritzöffnungen für das Abschreckmittel besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgerät an die Hochfrequenzwechselstromquelle über einen Transformator geschaltet ist (Fokusinduktor).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgerät eine einzige, das Werkstück umfassende Windung besitzt, das bei linearen Werkstücken aus einem einzigen linearen Leiter besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Heizgerät aus mindestens zwei .lösbar verbundenen Sektoren besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lineare Heizgerät mit dem linearen Werkstück in Reihe geschaltet ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen