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Induktor zum induktiven Erhitzen von metallenen Werkstücken durch
hochfrequenten Strom, vorzugsweise zum Oberflächenhärten Es i!st 'bek.ann:t, Werkstücke
durch H.ochfrequen7_-strom induktiv zu erhitzen und durch anschließendes Albschrecken
an der Oberfläche zu härten. Dazu dient en@bweder eine mehrwindige Spule oder ein
ein- oder mehrwindiger Fokusinduktor, d. h. ein Induktor, der an die Stromquelle
unter Zwischenschaltung eines meist eisenlosen Transformators angeschlossen ist.
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Der Induktor .beIstand aas Kupfer oder eii-nem anderengutelektrisch
leitenden Stoff, wobei in dem Induktor Hohlräume .zur Kühlung desselben und gegebenenfalls
zur Aufnahme des A schreckmittels vorgesehen wurden. Dabei wunde der Iüd@uktor mit
der Wandiung der Abschreckmittelkammer völlig aus leitendem Stoff hergestellt, ausgehend
aus der Überlegung, daß durch die RüokwIrkung des im Werkstück induzierten; Stromes
auf Aden Induktorstrorn eine Stromzusammenbadlung auf der dem Werkstück zugekehrten
Seite des Inrduktoris entsteht.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen solchen. Induktor zum induktiven
Erhitzen von metallenen Werkstücken. durch hochfrequente Ströme, vorzugsweise zum
Oberflächenhärten durch anschließendes Abschrecken, und berwecakt eine Verbesserung,
mit dem Ziel, die Stromz@usa,m-menil>allung, d. h. die
gesteigerte
Stroin!diahte in dem dein zu härtenden Werkstück zugekehrten Teil des Indüktors
unabhängig oder nahezu unabhängig von ider Rückwirkung des- Stromes .im Werkstick
zu erzeugen.
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Die E:rfin@dung löst diese Aufgabe sdadurch, daß der idem zu erhitzenden
Werkstückteil zugekehrte und( unmittelbar benachbarte Induktarteil als ,dünnwandiger
(blech- oder plattenartiger Körper ,aus einem elektrisch gut leitenden Stoff .aiusgebildet
wird, während (der übrige Teil des Induktors aus einem Isol.ierstioff besteht.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten, der, Erfindung sind, im nachfolgenden
beschrieben.
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Die durch die Erfindung erbrachten Vorteile ergeben. sich aus der
nachfolgenden überlegung. Aus der Piiickwirkunig des im Werkstück induzierten Sekundärstromes
sauf iden nm Induktor fließenden Primärstsro!m ergibt sich i:n dern dem Werkstück
zugekehrten Induktarteil eine besonders große Stromdichte; ;da aber zum Erhitzen.
zwecks O'berflächenhärtens .große Stromstärken erforderlich sind, entstehen :auch
in dem idem zu härtenden; Werkstückteil nicht .7ugiekehrten Teil des vollständig
metallenen Induktors erhebliche Stromdichten. Besitzt das Werksstück vorspringende
Teile, so ergibt sich ein starker Streuflüß zu diesen, der vor allem durch die Stranvanteile
ins dem dem Werkstück nicht zugekehrten Induktorteilbedingt ist. Dieser Streufluß
hat eine Erhitzung der anigrienzemden Teile des Werkstücks zur Folge. Die hierfür
aufzuwendende elektrische Leistung ist ein Verlust, so daß dem Induktor eine größere
Wirkleistung bei gleicher Zeitdauer des Fa-hitzens oder .eine gleiche Leistung bei
entsprechend größerer Zeitdauer des Erhitz-ens zugeführt werden muß.
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Die zum Erhitzen .der nicht zu härtenden Werkstüekteil!e aufzuwendende
elektrische Leistung erhöht somit die Verlustarbeit, d. h. der gesamte Wirkungsgrad
der Vorrichtung wird wesentlich )kleiner, als unbedingt notwendig wäre, um lediglich
die dicm zu erhitzenden Werkstückt-eil zuzuführende erforderliche Wärme zu erizeugen.
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Abb. i .der Zeichnung zeigt schematisch die aufzuwendende elektrische
Leistung A' bei einer konstanten Erhitzung in Abhängigkeit von der Dicke d des Irndukto@ris.
Die Kurve A zeigt, idaß :bei geringer Dicke des Induktors -die aufzawendende Gesamtleistung
-wesentlich geringer ist als bei einer großen Dicke.
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Eine Verringerung der Induktardicke ist naturgemäß -nicht unbegrenzt
möglich, sondern wird be-,dingtdurch die Wärrnebeanspruchungsgrenim des Induktanwerkstoffes.
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Die Kurure j zeigt dien. Verlauf der mittleren Stromdichte im Induktor,
die hei geringer Dicke groß ist und bei größerer Dicke entsprechend abnimmt.
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Die -in. den: Kurven veranschaulichten Verhältnisse treten erst dann
auf, wenn. es sich. nicht um normale, sondern um extrem hohe Stromidichten handelt.
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Durch die Erfindung wird nun erzielt, daß bei einer dünn!mandigen
blech- oder, plattenartigen Ausb.il,dung des metallenen: Induktoirteils eine Streuung
indem bisher bekannten Maße nicht auftritt, so daß .die dem izu erhitzenden Werkstückteil
benachbarten Teile nicht mehr nennenswert erhitzt werden können.. Eis ist verständlich,
@daß hierdurch nicht nur eine wesentliche, Ersparnis ,an elektrischer Leistung eintritt,
sondern auch die Gürte der Härtung erhöht -wird.
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Mains kann: güeichmäßii:ge Härteschichten geringer Tiefe erizielen,
wie das beispielsweise bei hohlgebohrten Kurbelwellen erforderlich ist. Bei den
bekannten, vollständig aus Metall bestehenden Induktoren war idies wegen ider unregelmäßigen
Streuung sehr schwer zu erziielen.
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Die Erfindung ist von, Vorteil @sowohl zum Be:-handeln von Werkstücken:
mit Vorsprüngen ,als auch für glatte Wellen, Balizen; Innenhärtungen usw. In allen
diesen. Fällen sind die Stroimianteile; welche in den dem zu behandelnden Teil ödes
Werkstücks benachbarten: Teilens fließen, von. Nachteil, denn. :das :dabei erzeugte
Magnetfeld ist ein Strieufeild, das an ,denn Erhtzungsvargang nicht -unmittelbar
teilnimmt, @somit einen Verlust an: elektrischer Leistung bedeutet.
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Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Äbib. i ,zeigt, wie bereits eben erwähnt, schematisch dien Verlauf
der Abhängigkeit der elektrischen Leistung und der mittleren. Stromidichte von der
Indvktardichte; Abb. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Induktor im Schnitt nebst einer
schematischen, Darstellung ,des Verlaufs des Knippiungsgrades und -der Strom-,dichte;
Abib..3 zeigt eine andere Ausbildung des Induktors; Abb. q. zeigt eine weitere Awshnildung
des Induktors; Ablb. 5 zeigt in Seitenansicht einen Induktor zum Behandeln einer
Wedle, Abb. 6 ,desigleiehen im- Querschnitt; Abb. 7 zeigt in Seitenansicht eine
erfindungsgemäße Ausbildung des Anschlusses der Stromzuleitungen am Induktor; Abb.
8 zeigt -in Seitenansicht eine .andere Ausbildung ides Induktors zurr Behandeln
von Wellen; Abb. g. zeigt im Längsschnitt, einen mehrwindigen Induktor zum Behandeln
der Innenflächen eines Hahlkörpens; Abb, io zeigt in Seitenansicht .mit Teilschnitt
einen Induktor !zum Behandeln eines zylindrischen Zapfens od. dgl.
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Bei der Ausbildung mach Abb. 2 besteht der Induktor aus eineern leitenden
Teil i, id@er als dünnwandiger blech- oder plattenartiger Körper aus einem elektrisch
gut leitenden Stoff, beispielsweise Kupfer, besteht und Spritzlöcher 2 für das Abschrec'kmittel
beisitzt, sowie aus einer Abschreckmittelkammer 3; (deren Wandung 4 .aus einem Isolier-stoff
beisteht, beispielsweisse aus Stoffen., -wie sie unter dem einsgetragenen Warenzeichen
Novotext, Calit bekannt sind, oder einem arideren gepreßten oder gegossenen isolierenden,
Stoff. Der leitende
Irnduktorteil besitzt an, den beiden. Enden
Verdickungen 5, um die zu erhitzende und zu härtende Zone 6 ides Werkstücks in der
erwünschten Ausdehnung zu erzielen.. Durch, idie Verdickung 5 wird an den Enden
-des Werkstücks ein besserer Kopplungsgrad erreicht, so daß idie erwünschte Härtezone
zuverlässig hergestellt wird. In dem unteren schematischen Teil der Abbildung zeigt
die Kurve k den Kopplungsgrad, der vors ider Dicke des leitenden Induktorteilis
ibzw. von dem Luftspalt zwischen Iniduktorteil und dien Werkstück abhängt, während
die Kurve j die Stromdichte im Induktor zeigt, die für idas Werkstück wirksam isst.
Aus der Zus2ummenwirkung des Kopplungsgrades und der Stromdichte ergibt sich dann,
(die schraffiert dargestellteHärtezone6imWerkstück. EineErhitzung der idieser Erhitzu.ngszone
benachbarten Teile des Werkstücks tritt in nennenswertem Umfang nicht mehr ein.
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In, Abib.3. ist eine andere Ausführungsart des leitenden Induktorteils
8 veranschaulicht. Dieser Teil besitzt. hier auf ider ganzem, Länge idie gleiche
Dicke, ist aber wiederuni an deni Enden näher an das Werkstüdz herangeführt als
im mittleren Teil. Infolgedessen ist -die Stromdichte j an allen Stellen des leitenden
Induktorteils die gleiche, während der Kopplungs@gradi k an den Enden des Werkstücks
besser als im mittleren Teil isst.
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Daraus ergibt sich dann eine Erhitzungs- und Härtezone 9, die in ihrer,
gesamten. Ausdehnung die gleiche Tiefe besitzt.
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Bei der Ausbildung nach Abb. 4 ist leer leitende Induktorteil i i
an. seinen Erden mit Verdickungen 12 versehen, die aber, im Gegenteil zu der Ausführung
nach Abb. 2, .dem Werksstück nicht zu-, sondern von :diesem ab-gekehrt sind, so
daß der Kopplungsgrad auf ider ganzen Länge des Werkstücks der gleiche ist, währenid
die Stromdichte an den Eiiden. des Induktors größer ist. Auch bei dieser Ausbildung
ödes Induktors ergibt sich eine Härtezone 13, die bis an die Enden des Werkstücks
heranreicht und auf (der gesamten Länge ,des Werkstücks die gleiche Tiefe besitzt.
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Im übrigen sind idie Induktoren, nach A,bb. 3 und 4 von ider gleichen
Bauart wie der Induktor nach Alb. 2. Der Induktor .nach Abb. 4 hat den geringsten
Kopplungsverlust, da sein Kopplungsgrad k auf der, ganzen Länge des Werkstücks am
günstigsten ist. Die leitenden Inid-uktorteile 1, 8 und i i nach den Abb. 2 Abis
4 können beispielsweise aus gezogenem Kupferhergestellt. sein, Idas gegenüber Kupferguß
eine bessere elektrische Leitfähigkeit und Bearbeitwngsmöglichkei.t besitzt. Es
ist klar, daß die erfindungsgemäßen Induktoren in der Herstellung wesentlich einfacher
und billiger sind als ,die Induktoren, die vollständig aus Metall hergestellt werden
müssen.
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In: Abib.5 ist ein erfindungsgemäßer Induktor veranschaulicht., der
zum Erhitzen iund- Härten von zylindrischem. Körpern, beispielsweise von Wellen,
Lagerzapfer von Kurbelwellen, od. dgl., geeignet ist.
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Der leitende Induktorteil besteht hier aus den beiden Hälften 15 und
16, die, wie die Abb. 6 zeigt, blech- oder plattenartig gebildet sind und an den
Enden Verdickungen 17 aufweisen. Dieser Induktor entspricht also etwa denn Induktor
nach Abb. 4, da .der Kopplungsgrad auf der gesamten Länge des Werkstücks der gleiche
ist, die Stromdichte an den Enden; aber größer ist. Die beiden Hälften, des leitenden
Induktorteils sind mit Spritzöffnungen 18 versehen.. Die Abschreckmittelkammer i9
wird gebildet durch Idas Induktorgehä.use 20. Stutzen 21 und 22 ,führen Idas Abschreckmittel
zur Kammer i9 zu und ab. Der hochfrequente Stroan wird den beiden Hälften 15 und.
16 des leitenden Induktorteils, die sich auf der einen. Seite in der Trennfuge 22
leitend innig berühren, :auf der arideren Seite durch (die Stnomschiemen 24 und
23 zugeführt. An den Stellen, wo diese Stromschienen mit den. Indukto,rhäIften 15
und 16 venbun@den sind, sind die Querschnitte ,der Stromschienen, die durch eine
isolierende Trennschicht, 25 voneinander getrennt sind, wesentlich verengt, wie.
bei 26i und 27 veranschaulicht ist, wobei die verengten Querschnitte sich dicht
an idie isolierende Trennschicht 2,5 anschließen. Durch diese Verengung ;der Einführung
der Stromschienen in die Induktorhälften wird erreicht, daß an diesen Stellen deine
Streuung entsteht, so daß eine ungünstige Beeinflussung der Erhitziung und der Härtung
des Werkstoffes an dieser Stelle vermieden. wird.
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Zum Zentrieren, der, beiidenI.nduktorhälften: dienen Paßstifts 28
und 29, die zu beiden Seiten ides WerkstÜcks vorgesehen sind. An dem Gehäuse 20
ist außen ein Metallplättchen 30,angehracht, das durch einen Draht 31 mit der einen
Imduktorhälfte 15 leitend verbunden ist. Dieses Plättchen dient zur Kontrolle der
Kontakte nach Einlegung -des Werkstücks in den Induktor. Die zur Erzielung des erforderlichen
Kontaktdruckes zwischen den Teilen 15 und 16,des leitenden Induktorbei.ls erforderliche
Druckvorrichtung sowie die Distanzvorrichtungen zwischen Induktor und Wei@kstüclk
sind der Einfachheit halber in, Abb. 5 und 6 nicht veranschaulicht worden.
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Die Verengung des Querschnitts der Strom-Zuleitung 23, 24 kann, gemäß
Abb. 7 auch in der Weise vorgenommen werden, daß in.,der Nähe der Einmündung ider
Strornzuleitumgen in, :die Hälften 15 und 16 des stromleitentden Induktorteils in
den Schienen 23 und 24 Schlitze 33 und 34 eingeschnitten ,sind. Hierdurch werden
die Stromliniengezwungen, den Weg über den engen, verbleibenden Querschnitt der
Stromschienen. zu nehmen. Die Schlitze 33 und 34 können =Verstärkung der Schienen
mit irgendeinem Isolierstoff ausgefüllt .sein.
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Abb. 8 zeigt einen Induktor etwa der gleichen Bauart wie nach Abb.
5, jedoch mit dehn Unterschied, daß an den Hälften 36 und 37 des leitenden Induktorteils
besondere metallene Kühlrippen 38 vorgesehen; ,sind, die entweder raidiad oder auch
parallel verlaufen können, wie bei 39 veranschaulicht ist. Die Rippen können. in
der Weise erzeugt nein; ,daß die Indarktorhälften -die gleiche äußere Gestalt besitzen
wie der gesamte Induktor, wonach in dem gesamten Induktorkörper Schlitze 40 eingeschnitten
werden,
wobei dann die Kühlrippen 38 und 39 stehenbleiben. Die Schlitze 40 können mit einem
Isolierstoff oder einem schlecht leitenden Metall gefüllt sein, um .den Stromfluß
auf :die dem Werkstück zugekehrten Seiten der Induktorhälften zu begrenzen.
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Die Kühlrippen haben den Vorteil, daß eine gute Wärmeableitung von
den dünnen, dem Werkstück zugekehrten Induktorteilen nach außen über :die Kühlrippen
erfolgt, so d@aß der Induktorinnenteil noch höher elektrisch beansprucht werden
kann. Die Zahl und die Anordnung der Rippen sind von den jeweiligen Verhältnissen
abhängig. Es können wenige breite oder zahlreiche schmale Längsschlitze vorgesehen
sein. Die Schlitze können raidial oder parallel, senkrecht oder waagerecht verlaufen.
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Abb.9 zeigt ein Werkstück 43, :dessen Innenfläche 44 behandelt werden.
soll, beispielsweise erhitzt und dann durch Abschrecken gehärtet. Hierzu wird. ein
Induktor verwendet, der die Gestalt einer mehrnvindigen Spule 45 besitzt. Die Spule
besteht aus einem rechteckigen Rohr, wobei die dem Werkstück zugekehrte Seite ,des
Rohres ein -kupfernes Band 46 isst, das Spritzöffnungen 47 enthält, wähnend die
übrige Begrenzung -des Rohres 48 eine U-förmige Gestalt besitzt und. aus einem Isolierstoff
gepreßt oder gegossen wird. Der Stromfluß ist also auf das kupferne Band. 46 beschränkt,
wodurch ,die günstigste Wirkung erzielt wird.
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Bei #der Einrichtung nach Abb. i o sollen die Zähne 5 i des Zahnrades:
52 :gehärtet werden, während. ,die Lückenteile 53 nach Möglichkeit urgehärtet bleiben
sollen. Verwendet wird dabei :ein Induktor, der einen ringförmigen leitenden Teil
54 mit den Stromzuleitungen 55 und 56 und ein diesen leitenden Induktorteil umgebendes
Isolierstoffigehäuse 57 besitzt. Das Isolierstoffgehäuse dient .als Abschreckmittelkammer
und besitzt zu diesem Zweck die ' Zu- und Ableitungen 58 und 59 für das Abschreckmittel.
Die Stromzuleitungen 55,und 56 .sind. ,durch eine Isodiierischicht 6o getrennt und
an. den Einm.ündungsistellen 61 und 62 in den: leitenden Induktorri,ug 54 verengt.
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Um die Zahnlücken mög ichst nicht zu erhitzen, damit sie unigehärtet
bleiben, besitzt der Induktorring 54 gegenüber jeder Zahnlücke eine nach außen ragende
Verdickung 6.3, die etwa die gleiche Umfangsausdehnung hat wie die Zahmlücke. Diese
Verdickungen63 haben zur Folge, daß an,di.esen Stellen :die Stromdichte im Induktor
wesentlich geiringer ist a:ls die Stromidichte an den (dünnen SteI.len des Induktorringes
gegenüber Iden zu härtenden Zonen, so daß die Heizwirkung des Induktors gegenüber
den Lücken wesentlich geringer ist als die Heizw Irkung gegenüber den Zähnen.
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Beil dem sich dem Erhitzen anschließenden Abschrecken @durch Einspritzen
des Ab!schreckrnittels aus der Abschreckmittel ammer durch idie Spritzlöcher 6.1.
erfolgt dann auch im wesentlichen ein Härtender Oberfläche der Zähne, während,die
Fußteile und die Lücken der Zähne unigehärtet bleiben.
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Um durch die E.inmü:nd:ung der Stromzuleitungen 55 -und
96 in den Induktorring 54,d:ie richtige Heiz-und Härte«-irlcung nicht zu
stören, erfolgt diese Einmündung gegenüber einer Zahnlücke. Natürlich muß dann jedes
Zahnrad in den Induktor so eingeführt werden, daß stets eine Zahnlücke der Einmündungsstelle
gegenüberliegt. Hierzu können besondere Distanz- und Zentriermittel vorgesehen sein,
die aber der Einfachheit halber in Abb. io nicht veranschaulicht sind.
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Abh. II zeigt als Werkstück einen zylindrischen Bolzen 66, der entweder
durchgehend oder nur .an der Oberfläche erhitzt werden soll. Als Inielul<tor
dient hier eine-mehnvi:nidig.e Spule, die, aus einem schra.ubenartig gewundenen
Kupferband 67 und einem zwischen den Gängen des Kupferbandes senkrecht zu :d@ies:ern
eingelegten I-solierstoffband 68 -übersteht, welches im Zusammenhang mit einer weiteren,
parallel zum Bolzen 66 verlaufenden, aber nicht veranschaulichten. Isolierstoffwanid
die Abschreckmittelikammer oder Kühlmittelkamm:er 69 bildet.
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Das Kupferband 6:7 kann mit 70 für das Abschreckmittel versehen sein.
Damit zwischen. ,dem Kupferband 67 .und- Odem Isolierstoff -band d 68 eine richtiige
Lagen:fesitstellung erfolgt, können entsprechende Zentriernl.ittel 71 in
Gestalt von Nuten undi Vorsprüngen vorgesehen sein, Das Isolierstoffband 68 kann
auf der Seite des Werkstücks Vo@rspnüng:e:72 besitzen, die :als Lagerung oder Zentrierung
für das Werkstück dienen können..
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Auch ibei dieser Ausführung wird in dem stromführendenKupferband 67
eine hohe Stromdichte bei gleichbleibender Kopplung auf :der gesamten Werkstücklänge
erzielt, so. Üaß das Höchstmaß :des Wirkungsgrades .des elektrischen Vorganges erreicht
wird.
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Beschrieben, und veranschaulicht sind nur einige Ausführungsbeispiele>
auf .die die Erfindung natürlich nicht beschränkt ist. Die Erfindung ist überall
anwendbar, wo Werkstücke voll oder teilweise durchgehend oder nur .auf der Oberfläche
erhitzt .oder durch anschließendes Abschrecken gehärtet werden s I1en, wobei die
Kopplungstverluste nach Möglichkeit herabgesetzt, die Wärmäheh andlung auf bestimmte
Teile des Werkstücks- beschränkt und der elektrische Wirkungsgrad des gesamten Vorganges
möglichst hoch gehalten werden soll.