DE767150C

DE767150C - The workpiece comprehensive inductor for surface hardening by inductive heating with subsequent quenching

Info

Publication number: DE767150C
Application number: DED82192D
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr-Ing Seulen
Original assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Current assignee: Deutsche Edelstahlwerke AG
Priority date: 1940-02-27
Filing date: 1940-02-27
Publication date: 1951-12-06

Description

Das Werkstück umfassender Induktor zum Oberflächenhärten durch induktives Erhitzen mit nachfolgendem Abschrecken Es ist bekannt, zum fortschreitenden Oberflächenhärten insbesondere auch langgestreckter Werkstücke durch induktives Erhitzen mit nachfolgendem Abschrecken Induktoren oder Spulen zu verwenden, die das Werkstück umfassen und die vorzugsweise mehrwindig ausgebildet sind: Die Windungen des Induktors, der an die hochfrequente Stromquelle angeschlossen wird, können parallel oder in Reihe geschaltet werden. Um beispielsweise mit einer derartigen Einrichtung eine Welle oder Walze an der Oberfläche zu erwärmen und durch nachfolgendes Abschrecken zu härten, wird eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Spule in der Weise hervorgerufen, daß das Werkstück mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch die Spule hindurchwandert, wobei in Vorschubrichtung gesehen am hinteren Ende der Spule eine Abschreckvorrichtung vorgesehen ist.The inductor encompassing the workpiece for surface hardening by inductive Heating followed by quenching It is known for progressive surface hardening in particular also elongated workpieces by inductive heating with subsequent Quenching to use inductors or coils that encompass the workpiece and which are preferably designed with multiple windings: The turns of the inductor that is connected to The high-frequency power source can be connected in parallel or in series be switched. For example, with such a device, a wave or to heat the surface of the roller and then close it by quenching harden, a relative movement is created between the workpiece and the coil in such a way that that the workpiece moves through the coil at a certain speed, a quenching device at the rear end of the spool, viewed in the feed direction is provided.

Im Betriebe hat sich nun gezeigt, daß die mit derartigen Induktoren mit nachgeordneter Abschreckeinrichtung behandelten Werkstücke leicht zu Oberflächenrissen neigen. Diese Feststellung ist um so bemerkenswerter, als diese Risse auch dann auftreten, wenn der Werkstückoberflächenabschnitt, der' jeweils aus der Spule austretend in den Bereich der Abschreckvorrichtung gelangt, die richtige Härtetemperatur aufweist, so. daß Überhitzungen, die sonst vielfach für derartige Erscheinungen Veranlassung sind, zunächst ausgeschlossen erscheinen Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Erscheinung der Rißbildung an der Oberfläche voll Werkstücken, die fortschreitend von einer das Werkstück umfassenden Spule induktiv erhitzt werden, zu beseitigen, und zwar fußt die Erfindung auf folgender Erkenntnis: Die Verteilung des magnetischen Kraftfeldes der Spule ist svniinetrisch. Diese svminetrische Ausbildung hat zur Folge, daß die Stromkonzentration der induzierten Ströme ini Werkstück in der Spulenmitte am größten ist. Weiter wurde erkannt, daß Stromkonzentration und '#,"erteilu?ig im Zusammenwirken mit dem nachfolgenden Abschrecken gegen das, in Vorschubrichtung gesehen. hintere Ende der Spule im Werkstück eilte niedrigere Temperatur entstehen lassen. So ist es möglich, wie «-eiter unten näher erläutert, daß das U'erkstück zwar an der Stelle, all der es aus der Spule austritt und in die Abschreckvorrichtung gelangt, die richtige Härtetemperatur aufweist, dabei aber auf seinem Wege durch die Spule hindurch überhitzt wurde. Überhitzungen geben aber zu Rißbildungen Veranlassung.In operation it has now been shown that the workpieces treated with such inductors with a downstream quenching device have a slight tendency to surface cracks. This finding is all the more remarkable as these cracks also occur when the workpiece surface section, which comes out of the coil and into the area of the quenching device, has the correct hardening temperature, so. that overheating, which is otherwise often the cause of such phenomena, initially appears to be ruled out the invention is based on the following knowledge: The distribution of the magnetic force field of the coil is linear. This symmetrical design has the consequence that the current concentration of the induced currents in the workpiece is greatest in the center of the coil. Next rear end of the coil was recognized that current concentration and '#' erteilu seen? Ig in conjunction with the subsequent quenching against that in the feed direction. In the workpiece rushed lower temperature can occur. So it is possible, as "-eiter detail below explains that the U'erkstück has the correct hardening temperature at the point where it emerges from the coil and enters the quenching device, but was overheated on its way through the coil.

Um diese zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung der Induktor so ausgebildet, daß sein Innendurchmesser bzw. der der Einzelwindungen in Vorschubrichtung sich stetig oder sprunghaft verringert. Förderlich für die @i`irkung der Verringerung des Durchmessers der Windungen ist es, wenn der Abstand der Windungen voneinander in Vorschubriclitung kleiner wird. Wenn, wie dies vielfach zweckmäßig ist, nicht eilte mehrwindige, sondern eine nur einwindige Spule verwendet wird. so muß die Spule konisch ausgebildet werden, d. h. die Induktorflächen, die dem Werkstück zugekehrt sind. müssen in Vorschubrichtung konisch auf die @pu@enachse bzw. auf die Werkstückoberfläche zu verlaufen. ' Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß ein bestimmter Werkstückabschnitt beim Durchgang durch die Spule stetig an Teinpe- j ratur zunimmt und die Höchsttemperatur in dem Augenblick erreicht, wo er aus der Spule aus- und in die Abschreckiorrichtung eintritt. Wenn somit diese Temperatur, d. 1i. also die Abschrecktemperatur richtig gewählt und eingestellt wird, sind Überhitzungen des @@'erkstiickes auf lern Wege durch die Spule ausgeschlossen. und die auf Z'lterliitzung zurückzuführende Rißbildung an der Oberfläche wird vermieden.In order to avoid this, the inductor is designed according to the invention in such a way that that its inner diameter or that of the individual turns in the feed direction steadily or abruptly decreased. Beneficial for the @ i`effect of the reduction the diameter of the turns is when the distance between the turns becomes smaller in the feed direction. If, as is often expedient, not rushed multi-turn, but only a single-turn coil is used. so must Coil are tapered, d. H. the inductor surfaces facing the workpiece are. must be conical in the feed direction on the @ pu @ en axis or on the workpiece surface to run away. 'Through these measures it is achieved that a certain workpiece section when passing through the coil the temperature increases steadily and the maximum temperature reached at the moment when he moved out of the coil and in the deterrent direction entry. Thus, when this temperature, i.e. 1i. so the quenching temperature is correct is selected and adjusted, overheating of the component is on the way excluded by the coil. and cracking due to corrosion on the surface is avoided.

Im nachfolgenden «-erden zunächst die ohne Anwendung der Maßnahmen der Erfinduner obwaltenden Verhältnisse geschildert und dann einige Ausführungsbeispiele des Erfindungigedailkens wiedergegeben.In the following, first of all, those without applying the measures the circumstances prevailing in the inventor are described and then some exemplary embodiments of the invention is reproduced.

Fig. i stellt einen senkrechten Schnitt durch eine bekannte Spulenart dar: Fig. -2 ist ein Schaubild der Temperaturverteilung im Werkstück bei Anwendung einer Spule nach Fig. i Fis. 3 bis ; stellen verschiedene Spulest gemäß der Erfindung dar.Fig. I shows a vertical section through a known type of coil Fig. -2 is a graph of the temperature distribution in the workpiece during use a coil according to Fig. i Fis. 3 to; make different Spulest according to the invention represent.

Mit einer bekannten Ailordnting gemäß Fis. i soll eine Welle i an iliier Osterfläche gehärtet werden. Hierzu ist eine Spule mit Einzelwindungen 3 vorgesehen, die entweder in Reihe oder parallel geschaltet sind. In der Zeichnung sind Vollkupferwindungen dargestellt; es können jedoch auch in all sich bekannter Weise besonders -ekühlte Hohlrohre verwendet werden. Die Abschreckeinrichtung 3 bestellt aus einem Hohlring finit einem Kanal 6 für die Spritztlüsikeit, die aus den Öffnungen 7, Ivie bei 8 angedeutet. auf die Werktückoberfläche gespritzt wird. Wird der Strom in der Spule a eili-eschaltet. so bildet sich das durch die Linien .1 allgedeutete magnetische Feld aus. Das Feld verteilt sich svminetrisch zu einer Ebene. die sich auf der Mitte der Spulenlänge senkrecht zur Spulenachse befindet Die gröl.lte Stärke besitzt das Feld in der -Nähe der Scniitietrieebene bei d.1°, und an dieser Stelle wird mithin die größte Stromkonzentration im Werkstück und damit an dieser Stelle die ltf äclt;te Temperatur erzeugt.With a known Ailordnting according to Fis. i should have a wave i iliier Easter surface can be hardened. For this purpose, a coil with individual turns 3 provided, which are connected either in series or in parallel. In the drawing full copper windings are shown; However, it can also be known in all Especially -cooled hollow pipes are used. The quenching device 3 ordered from a hollow ring finitely a channel 6 for the Spritztlüsikeit, which from the openings 7, Ivie indicated at 8. is sprayed onto the workpiece surface. If the current in the coil is switched on. so it is formed by the lines .1 elucidated magnetic field. The field is distributed svminetrically to form a Level. which is located in the middle of the coil length perpendicular to the coil axis The field in the vicinity of the vertical plane at d.1 ° has the greatest strength, and this is where the greatest current concentration is in the workpiece and so that the oldest temperature is generated at this point.

In Fig. 2 ist 111 einem Schaubild auf der Abszisse T die Temperatur und auf der Ordinate L die Werkstücklänge. bezogen auf Fig. i, aufgetragen. -Nimmt malt einmal all, daß zwischen Spule und Werkstück keilte Relativbewegung stattfindet, so ergibt sich eitle Temperaturverteilung in der Werkstückoberfläche nach Kurie a. Die höchste Temperatur wird erreicht in der Mitte zwischen Spulenanfang _-I und Spulenende L. Bewegen sich Spule und Werkstück geeiieiitaitder, ohne daß jedoch die hinter der Spule gelegene Abschreckvorrichtung in Tätigkeit ist. so ergibt :ich eilte Temperaturverteilung nach Kurve h, die zunächst dem Kurvenzug der Kurve a folgend von der Mitte der `pule an aber bis zum Spulenende stetig zu höheren Temperaturen verläuft. Wird nun bei RelativbewegLing zwischen Spule und Werksdick außerdem noch die Spritzeinrichtung zusn Zwecke des Abschreckens in Tätigkeit gesetzt, so ergibt sich eine Temperaturverteilung in der Werkstückoberfläche, die der Kurve c folgt. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Abkühlung zum Zwecke des Abschrecken; nicht nur an der eigentlichen Abschreckstelle die erwünschte Abkühlung hervorruft, sondern daß diese Abkühlung auf die Stellen des Werkstückes rückwirkt, die noch nicht unmittelbar in den Bereich des Abschre@ckmittels gelangt sind. Diese Erscheinung in Verbindung mit der bereits geschilderten Stromkonzentration in der Symmetrieebene führen dazu, wie auch der Kurvenzug c deutlich erkennen läßt, daß in der Nähe der Spülenmitte die Höchsttemperatur erreicht wird und daß die Temperatur stetig abfällt bis zu dem Augenblick, wo die Abschreckwirkung eintritt, um dann mehr oder weniger sprunghaft zur Normaltemperatur abzufallen. Die erwünschte Abschrecktemperatur, die beim Austritt des Werkstückes aus der Spule bei E erreicht wird, war mithin auf dem Wege durch die Spule etwa in der Spulenmitte nicht unerheblich überschritten. Um eine Abhilfe gegen diese Überhitzung zu schaffen, ist es erforderlich, daß die Temperaturverteilung in der Werkstückoberfläche etwa der Kurve b folgt, was aber bei Anwendung bekannter Spulen nur dann gelingt, wenn die an sich notwendige Spritzeinrichtung zum Abschrecken nicht in Tätigkeit gesetzt wird.In Fig. 2, 111 is a graph on the abscissa T is the temperature and on the ordinate L is the workpiece length. based on Fig. i, plotted. -Assuming that there is a wedged relative movement between the coil and the workpiece, the result is a vain temperature distribution in the workpiece surface according to Kurie a. The highest temperature is reached in the middle between the beginning of the coil and the end of the coil L. If the coil and the workpiece move together, the quenching device located behind the coil is not in operation. This results in: I rushed the temperature distribution to curve h, which initially follows the curve of curve a from the center of the `coil onwards, but continues to higher temperatures up to the end of the coil. If, with relative movement between the coil and the factory thickness, the spray device is also activated for the purpose of quenching, the result is a temperature distribution in the workpiece surface that follows curve c. It has been found that the cooling for the purpose of quenching; not only causes the desired cooling at the actual quenching point, but that this cooling acts back on those points on the workpiece which have not yet reached the area of the quenching agent. This phenomenon in connection with the already described current concentration in the plane of symmetry lead, as the curve c clearly shows, that the maximum temperature is reached near the middle of the sink and that the temperature drops steadily until the moment when the quenching effect occurs, to then drop more or less abruptly to normal temperature. The desired quenching temperature, which is reached when the workpiece emerges from the coil at E, was therefore not insignificantly exceeded on the way through the coil approximately in the center of the coil. In order to remedy this overheating, it is necessary that the temperature distribution in the workpiece surface follows approximately curve b, but this is only possible when using known coils if the spraying device required for quenching is not activated.

Fig. 3 bis 5 geben Beispiele für die besondere Ausbildung der Spule gemäß der Erfindung. Nach Fig. 3 ist eine mehrwindige Spule 2 mit einzelnen parallel oder reihengeschalteten Windungen dargestellt, bei welcher der Durchmesser der Windungen in Vorschubrichtung stetig abnimmt. Die Ausbildung des magnetischen Feldes ist durch die Linien q. angedeutet. Bei nachgeordneter und eingeschalteter Spritzeinrichtung, die in der Abbildung der Einfachheit halber fortgelassen ist, ist bei Bewegung des Werkstückes i in Richtung des Pfeiles 6 bei 5 die Höchsttemperatur erreicht. Es ist lediglich erforderlich, diese Temperatur durch geeignete Wahl der Spulenlänge, Vorsch:ubgeschwindigkeit usw. so einzustellen, daß sie der gewünschten Abschrecktemperatur entspricht In Fig. q. ist eine Spule dargestellt, die bezüglich der für die Windungen gewählten Durchmesser in verschiedene Abschnitte unterteilt ist. Bei 3 sind zunächst einige Windungen vorgesehen, die untereinander gleichen Durchmesser aufweisen. Die Durchmesser der Windungen bei q. nehmen stetig ab, während die Durchmesser der Windungen bei 5 wieder einander gleichbleiben. Je nach den vorliegenden Betriebsverhältnissen können, wie ohne weiteres verständlich; auch andere Kombinationen stetiger oder mehr oder weniger sprunghaft wechselnder Spulendurchmesser vorgesehen werden.3 to 5 give examples of the special design of the coil according to the invention. According to Fig. 3, a multi-turn coil 2 is parallel with individual or series-connected windings, in which the diameter of the windings steadily decreases in the feed direction. The formation of the magnetic field is through the lines q. indicated. With downstream and switched on spraying device, which is omitted in the figure for the sake of simplicity, is when moving the Workpiece i in the direction of arrow 6 at 5 reaches the maximum temperature. It it is only necessary to set this temperature by suitable choice of the coil length, Adjust the feed rate etc. so that it reaches the desired quenching temperature corresponds to in Fig. q. is shown a coil that is related to the windings selected diameter is divided into different sections. At 3 are first some turns are provided which have the same diameter as one another. the Diameter of the turns at q. decrease steadily, while the diameters of the turns at 5 remain the same again. Depending on the prevailing operating conditions can, as is easily understood; also other combinations of continuous or more or less abruptly changing coil diameter can be provided.

Nach Fig. 5 ist eine Spule 2 vorgesehen, deren Einzelwindungen, wie bei Fig. 3, stetig abnehmenden Durchmesser aufweisen. Außerdem sind aber die Abstände 4 der Einzelwindurigen 3 voneinander verschieden groß gewählt, und zwar nehmen die Abstände in Vorschubrichtung ab. Diese Maßnahme unterstützt die Wirkung, einer Spule nach Fig. 3 oder q. und trägt mit dazu bei, daß die Entstehung der Höchsttemperatur im Spulenende bei 5 erzwungen wird. Die Verringerung der Abstände q. zwischen den Einzelwindungen kann entweder, wie in der Fig. 5 dargestellt, stetig erfolgen oder mehr oder weniger sprunghaft sein.According to Fig. 5, a coil 2 is provided, the individual turns, such as in Fig. 3, have steadily decreasing diameter. But there are also the distances 4 of the individual windings 3 chosen to be different in size from one another, namely the Distances in the feed direction. This measure supports the effect of a coil according to Fig. 3 or q. and contributes to the creation of the maximum temperature in the end of the coil at 5 is forced. The reduction in the distances q. between Individual turns can either take place continuously, as shown in FIG. 5, or be more or less volatile.

In manchen Fällen ist es beispielsweise aus elektrischen Gründen zweckmäßig, nicht eine. mehrwindige, sondern eine einwindige Spule zu verwenden. Nach den Darlegungen in Verbindung mit den Fig. i bis 5 wird verständlich sein, daß eine solche einwindige Spule als Ring mit konischer Innenfläche auszubilden wäre, wobei die dem Werkstück zugekehrten Flächen in Vorschubrichtung konisch auf die Werkstückoberfläche bzw. die Spulenachse hin verlaufen. Der innen konische Ring müßte somit seinen geringsten Durchmesser in der Nähe des Spulenendes E haben. Auch eine Linienführung der Innenfläche entsprechend der Fig. q. wäre möglich, wie überhaupt gewisse Abweichungen von der rein konischen Form zweckmäßig sein,können.In some cases, for electrical reasons, for example, it is advisable to not one. Use a multi-turn, but a single-turn coil. According to the presentation in connection with FIGS. 1 to 5 it will be understood that such a single wind The coil would be designed as a ring with a conical inner surface, with the workpiece facing surfaces in the feed direction conically on the workpiece surface or run the coil axis. The inner conical ring should therefore be the least Have a diameter near the end of the coil E. Also a line of the inner surface according to Fig. q. would be possible, as well as certain deviations from the purely conical shape may be appropriate.

Nach den Abbildungen sind die Windungen voll metallisch dargestellt. Sie- können selbstverständlich auch als Rohre; z. B. Kupferrohre ausgebildet sein, durch die Kühlflüssigkeit hindurchfließt. Ebenso kann auch bei der -einwindigen Spule der konische Ring entweder aus Vollmetall bestehen oder hohl sein und gekühlt werden. Die Erfindung ist ferner beschrieben an Hand Oberflächen zu härtender zylindrischer Körper, wie Wellen, Walzen o. dgl. Die Spulen sind infolgedessen in ihren einzelnen Abschnitten kreisförmig. Selbstverständlich kann die Erfindung sinngemäß auch auf ovale, eckige oder Spulen sonstiger Ausbildungsform angewendet werden, wenn es sich darum handelt, Werkstücke anderer Form oberflächlich zu härten Die genaue Form und die genauen Abmessungen der anzuwendenden Spulen wird sich in jedem Fall auf Grund der besonderen Betriebsbedingungen ergeben, d. h. also unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung, der Werkstoffeigenschaften des Werkstückes, der verlangten Härteausbildung und -tiefe und nach der Stärke der Abschreckwirkung.According to the figures, the turns are shown in full metal. They can of course also be used as tubes; z. B. copper pipes be formed, flows through the coolant. The same can also apply to the single-winded Coil of the conical ring either consist of solid metal or be hollow and cooled will. The invention is further described using cylindrical surfaces to be hardened by hand Body, such as shafts, rollers or the like. The coils are consequently in their individual Sections circular. Of course, the invention can also be based on oval, square or coils of other training form are used if it is is about hardening workpieces of a different shape on the surface. The exact shape and the exact dimensions of the coils to be used will depend on each case the special operating conditions, d. H. so taking into account the available electrical power, the material properties of the workpiece, the required hardness formation and depth and the strength of the quenching effect.

Claims

PATENT CLAIMS: i. The workpiece more comprehensive, preferably more windings Inductor for progressive surface hardening long stretched Workpieces by inductive heating with subsequent quenching. characterized, that the inner diameter of the inductor hzw. those connected in parallel or in series Individual turns of the inductor in the feed direction decreases steadily or abruptly, so that the specific current density in the workpiece surface is related to the inductor length. increases in the direction and reaches its maximum value at the point where the workpiece comes out of the coil. Inductor according to claim i. characterized, that the distance between the heating coils connected in parallel or in series is in the direction of pre-installation steadily decreased by leaps and bounds.