DE767185C - Verfahren zum elektro-induktiven Oberflaechenerhitzen metallischer Werkstuecke - Google Patents

Verfahren zum elektro-induktiven Oberflaechenerhitzen metallischer Werkstuecke

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DE767185C
DE767185C DED82649D DED0082649D DE767185C DE 767185 C DE767185 C DE 767185C DE D82649 D DED82649 D DE D82649D DE D0082649 D DED0082649 D DE D0082649D DE 767185 C DE767185 C DE 767185C
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DE
Germany
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heating
layer
surface heating
workpieces
metallic
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Expired
Application number
DED82649D
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English (en)
Inventor
Gerhard Dr-Ing Seulen
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Deutsche Edelstahlwerke AG
Original Assignee
Deutsche Edelstahlwerke AG
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06Surface hardening
    • C21D1/09Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C21D1/10Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation by electric induction
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Description

  • Verfahren zum elektroinduktiven Oberflächenerhitzer metallischer Werkstücke Es ist bekannt, sich beim Erhitzen von metallischen Werkstücken der Wirkung induzierter Heizströme zu bedienen. Es ist ferner bekannt, die Induktionswirkung so zu leiten, daß die zu behandelnden Werkstücke ausschließlich in ihren Oberflächenschichten erwärmt werden. Die bekannten Verfahren sind u. a. dazu ausgenutzt worden, härtbaren Stahl an der Oberfläche zu erhitzen und nach Erreichen einer bestimmten Temperatur zum Zwecke des Härtens abzuschrecken.
  • Der im Werkstück induzierte Strom, der die Erwärmung hervorruft, fließt je nach den gegebenen Bedingungen entweder nur in den Randschichten oder mehr oder minder gleichmäßig verteilt über den gesamten Querschnitt des Werkstückes. Bei gegebenen elektrischen Bedingungen hängt die Dicke der erwärmten Schicht, d. h. also die Eindringtiefe der Erwärmung von Konstanten ab, die dem Werkstück bzw. dein Werkstoff, aus welchem das Werkstück hergestellt ist, arteigen sind. Es sind dies im wesentlichen die Permeabilität und der spezifische Widerstand des Werkstoffes, während die Wärmeleitfähigkeit im allgemeinen keine wesentliche Rolle spielt, da das Aufheizen verhältnismäßig rasch vor sich geht.- Bei gleichem Werkstoff ist andererseits die Eindringtiefe der Erwärmung eine Funktion der gewählten Stromfrequenz, der Leistung der Stromquelle und der Erhitzungszeit, in einem gewissen Umfang ist sie auch abhängig von der gewählten Kopplung. Wettii daher bei einer bestimmten \%'erl<stoffart bzw. bei bestimmten Werkstücken die Eindringtiefe beeintlußt werden soll, so ist dies möglich durch Verändern der Stromfrequenz., Leistung, Erhitzungszeit und/oder Veränderung der gewählten Kopplung. Bekanntlich wird die Eindringtiefe um so geringer, je höher die angewendete Stromfrequenz liegt. und eine Verstärkung des Kopplungsgrades wirkt in ähnlichem Sinn. Es besteht indes das Bedürfnis, über weitere Mittel zu verfügen, die ein Andern der Eindringtiefe der Erwärmung ermöglichen, so daß bei der Handhabung einmal vorliegender Apparaturen in dieser Beziehung eine größere Handlungsfreiheit erlangt wird, ganz abgesehen davon, daß der Beeinflussung der Eindringtiefe durch eine zu wählende Frequenz dann Grenzen gesetzt sind, wenn es sich darum handelt, geringe Eindringtiefen zu erreichen. So ergeben sich technisch außerordentlich große Schwierigkeiten, wenn für äußerst geringe Eindringtiefen Frequenzen bis 2o ooo Hz und mehr bei genügend großer Leistung der Stromquelle erzeugt werden müssen. An Stelle der sonst üblichen Maschinengeneratoren müßten zum Erzeugen solcher Frequenzen Funkenstreckengeneratoren oder Röhrensender zur Anwendung gelangen. Außer hohen Anschaffungskosten haben derartige Geräte noch den Nachteil, daß sie nur eine bedingte Betriebssicherheit und nicht in allen Fällen eine hinreichende Lebensdauer aufweisen, so daß für den praktischen Betrieb Energiequellen der genannten Art schon aus wirtschaftlichen Gründen kaum Eingang finden dürften.
  • Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, daß bei jeder vorhandenen Anlage benutzt werden kann und eine weitgehende Beeinflussung der erzeugten Eindringtiefen gestattet. Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß die auf bestimmte Tiefen zu erhitzenden Oberflächen mit einer Schicht versehen werden, deren elektrische Leitfähigkeit größer ist als die elektrische I,.eitfähigkeit des Grundwerkstoffes. @ erzugs%veise soll die Leitfälligkeit der vor der induktiven Erhitzung aufzubringenden Schicht ein Mehrfaches der Leitfähigkeit des Grundwerkstoffes betragen. Das Vorhandensein' einer solchen Schicht höherer Leitfähigkeit während des Erhitzens hat zur Folge, daß große Teile des im Werkstück induzierten Gesamtstromes in der äußersten Oberflächenschicht des aufgebrachten guten Leiters fließen. Hierdurch wird eine starke Erhitzung dieser Schicht hervorgerufchi, die sich durch Wärmeleitung der darunterliegenden ftterkstückschichten mitteilt. Ein Teil der induzierten Ströme ist aller auch gezwungen, in den cles eigentlichen @@'erlatürl:es zu iliel-ten, u.id deren :r'irkung unterstützt diejenige der E%'ärmeleitung im Sinne einer lcr<iftigen Teniperaturerliöliutig. Bei gegebener Frequenz kann daher <las Aufheizen bis zii einer bestimmten Temperatur auf eine wesentlich geringere Eindringtiefe bescliränl:t werden als dies ohne Anwendung der Cberzugsschichten möglich wäre. Die Wirkung beruht darauf. daß das Verhältnis zwischen induktivem und Ohmschen tt'iderstand längs der Strombahn die Eindringtiefe der Ströme bestimmt, und da nun die gut leitende Schicht auf der zu erhitzenden Oberfläche dem induzierten Heizstrom die :Möglichkeit bietet. einen Weg geringen Olimschen und gleichzeitig geringen induktiven Widerstandes im Umfang des '\@,'erkstückes zurückzulegen, werden große Teile des fließenden Gesamtstromes in der äußeren, aus einem guten Leiter bestehenden Schicht konzentriert. Die hohe Stromkonzentration muß zu starken Erwärmungen dieser Schichten führen, und wie Versuche gezeigt haben, bleiben diese Verhältnisse auch bei zunehmender Temperatur gewahrt.
  • Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht daher eine weitgehende Beeinflussung der Eindringtiefe der Erwärmung, zumal, wenn gleichzeitig in gewissem Umfang eine Anpassung der Stromfrequenz möglich ist. Bei Anwendung normaler Stromfrequenzen wie beispielsweise 300 bis 3000 Hz ist es bei diesem Verfahren möglich, außerordentlich geringe Eindringtiefen der Erwärmung zu erzielen, was bisher nur unter Anwendung hoher und höchster Frequenzen möglich war, die jedoch für eine praktische Anwendung nicht in Frage kommen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bewährt sich besonders bei allen Werkstücken, bei denen der Stromweg infolge der Oix:rflächenform wie Verzahnungen, Nocken, Vorsprünge u. dgl. gegenüber einem Weg in der Hauptmasse des Werkstückes verlängert ist. Es können beispielsweise mit gutem Erfolg Zahnräder. Keilwellen oder ähnliche Teile mit einer Härteschicht parallel der Oberfläche versehen werden.
  • Die aufzubringende metallische Schicht muß aus einem Werkstoff bestehen, dessen elektrische Leitfähigkeit größer ist als die des Grundwerkstoffes. Es sind daher grundsätzlich alle Metalle als Überzugsschichten geeignet, die diese Grundbedingung erfüllen. Sofern es sich darum handelt, Stahlgegenstände oberflächlich zu erwärmen, wird inan als @\'erkstoff für die aufzubringende Schicht Silber, Kupfer oder Aluminium wählen. Die Schichtdicke kann außerordentlich gering sein, beispielsweise etwa 1/loo inin; sie kann aber auch, um besonderen Bedingungen gerecht zu werden, bis zu 2 mm betragen. Die metallische Schicht kann in der verschiedensten Weise aufgebracht werden, -so durch Aufwalzen, Aufspritzen, Elektroplattieren oder auch durch Aufstreichen von Lösungen, aus denen bei Berührung mit dem Grundwerkstoff eine metallische Schicht ausgefällt wird. Es ist auch möglich, die Werkstücke in schmelzflüssige Bäder des betreffenden Metalles einzutauchen. Am zweckmäßigsten wird man sich jedoch der Elektroplattierung bedienen, wobei insbesondere. das elektrolytische Verkupfern gewisse Vorzüge besitzt. Da die Schichten im allgemeinen. dünn sein können, verteuert sich das elektroinduktive Erhitzen durch diese Maßnahme nicht wesentlich, und im übrigen ist es insbesondere bei Verwendung von Kupfer als Überzugsschieht möglich, das aufgebrachte Metall nach der Behandlung durch einen elektrolytischen Lösungsvorgang zurückzugewinnen; das gleiche gilt für Aluminium.
  • Abgesehen von den bereits genannten Vorteilen des Verfahrens ergibt sich noch der Vorzug; daß der dichte metallische Überzug auf der Werkstückoberfläche eine Oxydation des Werkstückes während des Erhitzungsvorganges verhindert. Diese Tatsache ist besonders wichtig für die Fälle, bei denen es sich darum handelt, beispielsweise eine bereits fertig bearbeitete und geschliffene Lagerstelle einer Welle oder Kurbelwelle zu härten, da nach dem Erhitzen und Abschrecken zum Zwecke des Hortens lediglich durch einen elektrolytischen Lösungsvorgang die metallischeSchicht entfernt zu werden braucht, ohne daß es noch erforderlich wäre, die betreffende Lagerstelle durch Polieren oder gar Schleifen nachzubearbeiten.
  • Da die Wirkung der aufgebrachten metallischen Schicht höherer Leitfähigkeit auf einer Konzentration der Stromfäden in dieser Schicht beruht, kann das Verfahren auch dazu benutzt werden, an einzelnen Stellen des .Werkstückes eine höhere Stromkonzentration und damit höhere Erhitzung zu erzielen als an anderen Stellen bzw. als ohne Aufbringen der metallischen Schicht möglich wäre, indem man eine in sich unterbrochene metallische Überzugsschicht vorsieht, die ausschließlich an den Stellen aufgebracht wird, an denen .eine bevorzugte Heizwirkung erzielt werden soll.
  • Dies ist beispielsweise besonders vorteilhaft für das Härten von Zahnrädern. Wenn um den Umfang eines Zahnrades eine konzentrische Spule leerumgelegt wird mit dem Ziel, die Zahnflanken dieses Zahnrades zu härten, so wird beobachtet, daß eine Temperaturerhöhung und damit eine 1-1ä rtung durch das Abschrecken nur in der Nähe der Fußteile der Zähne erzielt wird, während die Zahnflanken nicht die notwendige Härtetemperatur erreichen. Es werden nun die Zahnflanken und die Kopfteile jedes Zahnes mit einer metallischen Cherzugsschicht versehen. während in der Nähe der- Fußteile eine Cberzugsschicht nicht vorgesehen wird. Dies hat zur Folge, daß in den Zahnflanken eine Stromkonzentration herbeigeführt wird, die die Erreichung der notwendigen Härtetemperatur gewährleistet, während an den Fußteilen die Stromkonzentration so niedrig bleibt. daß eine wesentliche Temperaturerhöhung nicht beobachtet wird. Auf diese Weise gelingt es, eine Temperaturverteilung zu erreichen, die eine zweckentsprechende Härtung der Zähne des Zahnrades gewährleistet.
  • Es ist selbstverständlich, daß die Anwendung unterbrochener Überzugsschichten, die ausschließlich an den Stellen aufgebracht werden, an denen eine Stromkonzentration erwünscht ist, nicht nur auf Zahnräder oder sonstige verzahnte Werkstücke beschränkt ist, sondern überall dort Anwendung finden kann, wo es sich darum handelt, ohne wesentliche Änderung der elektrischen Bedingungen eine unregelmäßige Verteilung der Stromkonzentration herbeizuführen.
  • Auch die Anwendung nicht unterbrochener Schichten ist nicht etwa auf Kurbelwellen oder ähnliche Teile beschränkt, sondern kann überall dort verwendet werden, wo es sich um die Beeinflussung der Eindringtiefe der Erwärmung hei bestimmten Frequenzen handelt.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum elektroinduktiven Oberflächenerhitzen metallischer Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß die zu erhitzenden Oberflächen mit einer Schicht versehen werden, deren elektrische Leitfähigkeit größer ist als die Leitfähigkeit des Grundwerkstottes, vorzugsweise ein Mehrfaches beträgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Überzugsschicht in sich unterbrochen, ausschließlich an den _ Stellen aufgebracht wird, die einer bevorzugten Ileizwirkung unterliegen sollen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung von Werkstücken aus Stahl als Werkstoff für die aufzubringende Schicht Silber, Kupfer oder Aluminium verwendet wird.
DED82649D 1940-05-24 1940-05-24 Verfahren zum elektro-induktiven Oberflaechenerhitzen metallischer Werkstuecke Expired DE767185C (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE970504C (de) * 1944-05-25 1958-09-25 Siemens Ag Abdeckscheibe fuer die Stirnkanten induktiv zu erwaermender Werkstuecke
DE1246002B (de) * 1959-03-09 1967-08-03 Krupp Ag Huettenwerke Verfahren zur Erhoehung der Biegefaehigkeit und der Festigkeit von Betonstaehlen
DE1284979B (de) * 1958-06-27 1968-12-12 Lihl Verfahren zum Oberflaechenhaerten von Stahl mittels Hochfrequenzerhitzung

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