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Induktor für das elektroinduktive Erhitzen von Werkstücken Bekanntlich
ist das elektroinduktive Erhitzen von Werkstücken, insbesondere solcher metallischer
Art, hervorragend geeignet, wenn es sich darum handelt, die Werkstücke von einer
Seite aus zu erwärmen, wobei eine mehr oder minder starke Tiefenwirkung der Heizwirkung
verlangt wird. Es ist daher auch das elektroinduktive Erhitzen vornehmlich dort
an@ gewendet worden, wo es sich um einseitiges Erhitzen handelt, wie dies zu dem
Zweck des Oberflächenhärtens in Verbindung mit einem dem Erhitzen nachfolgenden
Abschrecken erforderlich wird. Das einseitige Erhitzen von einer Fläche des Werkstückes
her wird aber auch benutzt zum Anlassen, Spannungsfreiglühen, zum Auflöten, Schweißen
oder auch zum Aufbringen einer Werkstückart auf eint: andere.
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Bei der Ausbildung der für diese Verfahren benötigten Induktoren ging
man von dem Gedanken, aus, daß es sowohl mit Rücksicht auf die erforderliche Stromkonzentration
als auch in l)ezug auf die Erzielung eines gewissen Wärmestaues in der Oberflächenschicht
des Werkstückes und dieser benachharten Schichten erforderlich wäre, den Erhitzungsstreifen
auf eine möglichst geringe Breite zu beschränken. Als Idealform war eine möglichst
strichförmige Erhitzungszone gedacht. Diese überlegungen führten dazu, den eigentlichen
Heizleiter des Induktors, d. h . also denjenigen Leiter, der der zu erwärmenden
Fläche des Werkstückes benachbart ist, möglichst schmal zu gestalten und mit möglichst
geringem Querschnitt zu versehen. Die Leiterteile dagegen, die den nicht oder nicht
nennenswert zu -erwärmenden Flächen des Werkstückes zugeordnet waren, wurden möglichst
breit ausgebildet und hatten außerdem ,größere Querschnittsflächen als der Heizleiter,
um die Stromkonzentration an diesen
Stellen gering zu halten. Ferner
ist zur noch wirksameren Verhinderung des Aüfheizens der nicht zu behandelnden Werkstückoberflächen
vorgeschlagen worden, in der Nähe der breiten und mit großen Querschnitten ausgerüsteten
Leiter eine zusätzliche Kühlung durch Flüssigkeiten oder Gase vorzusehen.
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Mit Induktoren dieser Art sind gute Erfolge erzielt worden, wenn hohe
Temperaturen bei geringer Tiefenwirkung der Erwärmung erzielt werden sollten. Schwierigkeiten
treten aber dann auf, wenn es sich darum handelt, Erwärmungen durchzuführen, -die
auf verhältnismäßig große Tiefen in das Werkstück eindringen sollen, sei es nun,
daß es sich hierbei darum handelt, eine vergleichsweise tiefe Schicht hoher Temperatur
zu erzielen oder sei es, im Anschluß an eine mehr oder weniger tiefe Schicht hoher
Temperatur eine breite Zone abnehmender Temperatur zu erzeugen.
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Die Eindringtiefe der induzierten Ströme in das Werkstück ist bekanntlich
von der Frequenz des Erregerstromes abhängig. Die Eindringtiefe nimmt beim Herabsetzen
der Frequenz m einem Verhältnis z f l:' f , wobei f die Frequenz ist,
zu und umgekehrt. Es könnte daher die Eindringtief e der induzierten Ströme und
damit die Eindringtiefe der Erwärmung durch geeignete Wahl der Frequenz gesteuert
werden, d. h. es müßte die Frequenz des Erregerstromes in dem Maße herabgesetzt
werden, in welchem ein tieferes Eindringen der Erwärmung gewünscht wird. Hierbei
ergibt sich jedoch eine zunehmende Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades
und eine starke Zunahme der zwischen Induktor und Werkstück wirksamen magnetischen
Kräfte. Ersteres macht es notwendig, Anlagen größerer Leistung zur Verfügung zu
stellen, während letzteres zusätzliche Vorrichtungen erforderlich macht, um die
Wirkung der magnetischen Kräfte auszuschalten.
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Es gelingt jedoch, wie der Erfinder festgestellt hat, diese Schwierigkeiten
durch eine besondere Ausbildung des Induktors zu überwinden. Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, einen das Werkstück umfassenden Induktor für das fortschreitende
Erwärmen eines Werkstückes von einer Fläche her so .auszubilden, daß der der wärmezubebandelnden
Oberfläche des Werkstückes zugeordnete Leiter, d. h. also der Heizleiter, in Vorschubrichtung
größere Breite aufweist .als die Leiterteile, die den nicht oder nicht nennenswert
zu erwärmenden Werkstückfiächen benachbart sind.
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Die Größenverhältnisse der Leiterquerschnitte zueinander werden durch
diese Maßnahmen zunächst nicht berührt. Die Leiterquerschnitte können in allen Teilen
des Induktors, d. h. also im Heizleiter und in den übrigen Teilen gleich groß sein,
um eine gleichmäßige Verteilung der auftretenden Kupferverluste zu gewährleisten.
In. vielen Fällen ist jedoch eine Abwandlung der Größenverhältnisse der Leiterquerschnitte
zueinander zweckmäßig.
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So kann beispielsweise die Querschnittsfiäche des Heizleiters größer
sein als diejenige der Leiter, die den nicht oder nicht nennenswert zu erwärmenden
Werkstückoberflächen zugeordnet sind. Ein so ausgebildeter Induktor wird dann zu
verwenden sein, wenn eine übermäßige Konzentration der Heizströme in der äußersten
Oberflächenschicht des Werkstückes vermieden werden soll. Der Temperaturabfall von
der äußersten Schicht des Werkstückes zur Mitte bzw. zur entgegengesetzten Seite
hin nimmt verhältnismäßig langsam ab. Es ist also möglich, mit einem solchen Induktor
eine größere Tiefenwirkung :der Erwärmung zu erzielen, so daß es einerseits möglich
ist, eine hohe Temperatur in, einer verhältnismäßig breiten Zone unterhalb der Oberfläche
zu erhalten und andererseits einen allmählichen Übergang von diesen hohen Temperaturen
zu niedrigeren Temperaturen bzw. zu Raumtemperatur zu schaffen. Metallurgisch bringt
dies besondere Vorteile in Verbindung mit der Behandlung von schweren Teilen, die
mit starken Härteschichten versehen werden -müssen. Es ist möglich, auf diese Weise
Härteschichten durch das an sich bekannte Abschrecken nach dem Erhitzen zu erzielen,
die bis zu zoomm betragen, ohne daß an der Oberfläche die Gefahr dex Entstehung
von Härterissen durch überhitzungen auftritt. Es entfällt auch das bisher erforderliche
Vorwärmen der Werkstücke mit den Nachteilen des hierbei auftretenden Verzunderns
und Verziehens.
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Wird dagegen angestrebt, an der Oberfläche des Werkstückes eine möglichst
schmale Zone auf erhöhte Temperaturen zu bringen, so wird der Heizleiter mit einem
Querschnitt versehen, der kleiner ist als die Querschnittsfläche der den nicht oder
nicht nennenswert zu erwärmenden Werkstückoberflächen zugeordneten Leiter. Hierbei
wird der Vorteil erzielt, daß infolge des gesteigerten Nachbarschaftseffektes in
den unmittelbar der Oberfläche benachbarten Schichten hohe Stromkonzentration und
damit eine starke Temperatursteigerung erzielt wird. In weiter darunterliegenden
Schichten dagegen stellen sich Temperaturen ein, die metallurgisch besonders günstig
für das Erzielen eines Übergangsgefüges sind. Es kann auf diese Weise mithin in
der Oberflächenschicht auf schmaler Zone eine optimale Härtung erzielt werden, während
die darunterliegenden Schichten ein günstiges übergangsgefüge zeigen. Durch Stichversuche
gelingt es, Breite und Querschnitt des Heizleiters im Verhältnis zu den übrigen
Leiterteilen dem gewünschten Ergebnis anzupassen.
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Die Tatsache, daß bei einem Induktor gemäß der Erfindung die Breite
des Heizleiters im Vergleich zu der Breite der übrigen Leiterteile des Induktors
größer ist, bietet noch den rein verrichtungsmäßigen Vorteil, d.aß Streuflüsse,
die in unerwünschter Weise auf mechanische Vorschubeinrichtungen und sonstige-Teile
der Häxteeinrichtüpg, die der Aufnahme und dem Transport ,der Werkstücke dienen,
einwirken, auf ein Mindestmaß beschränkt werden können. Es ist ferner möglich, den:
Mindestabstand der Rollen, Roste u. d-1., auf denen das Werkstück während der Behandlung
.zufliegt, geringer zu halten als dies bei den bisher vorgeschlagenen Induktoren
möglich war. Es wird auf diese Weise das Einführen und Ausführen der Werkstücke
erleichtert,
insbesondere dann, wenn es sich um kurze Werkstücke
handelt.
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An Hand einiger Ausführungsbeispiele wird der Erfindungsgedanke näher
erläutert: Abb. i zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Induktor
zum Behandeln flächenförmiger Körper, wie beispielsweise einer Platte i. Die Erwärmung
soll von der Oberfläche 2 her erfolgen. Zu diesem Zweck ist der Heizleiter 3 mit
einer in Vorsahubrichtung großen Breite 4 versehen. Die der nicht zu erwärmenden
Fläche 8 gegenüberliegenden Leiterteile haben eine bedeutend geringere Breite in
Richtung es Vorschubes. Um gegenüber der Fläche 8 einen Nachbarschaftseffekt und
damit Beine übermäßige Erwärmung dieser Fläche auszuschalten, ist eine Unterteilung
,des Leiters in drei einzelne Leiter 5 vorgenommen, die bei 9 gegeneinander isoliert
sind. An Stelle der Isolation 9 kann auch ein Luftspalt treten. Die geringe Breite
der Teile 5 in Vorsohubrichtung gestattet eine Anordnung dier Tragrollen 6 mit einem
verhältnismäßig geringen Abstand 7. Zwischen den Rollen 6 und den Leitern 5 können
Absahirmkörper 13 angeordnet werden, durch die eine Streuwirkung in Richtung auf
diese mechanischen Teile verhindert wird. Wenn es sich darum handelt, das Werkstück
i im Zusammenhang mit der beschriebenen Erhitzungsform an der Oberfläche zu härten,
so wird in an sich bekannter Weise bei i o und 1 I ein Kühlmittel auf die
Oberfläche aufgespritzt. Um zu verhindern, daß das aufgespritzte Abschreckmittel
in den Wirkbereich des Induktors zurücktritt, kann, wie bereits vorgeschlagen, bei
12 ein Preßluftstrom auf die Oberfläche gerichtet werden.
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In Weiterentwicklung der Erfindung kann die Aufheizwirkung in den
zu behandelnden Oberflächenschichten durch eine besondere Ausbildung des Querschnittes
des Heizleiters beeinflußt werden. Zu diesem Zweck wird die Quersahnittsfläche des
Heizleiters so gestaltet, daß ihre Größe in Vorsohubrichtung stufenweise oder stetig
zu- bzw. abnimmt. Wird gewünscht, daß in der aufzuheizenden Schicht eine möglichst
gleichmäßige Wärmeverteilung eintritt, so wird der Querschnitt in Vorschubrichtung
abzunehmen haben. Die Stromdichte wird dann, bezogen auf die Flächeneinheit der
zu behandelnden Werkstückoberfläche, in dem Maße geringer, in dem die Wärmewanderung
nach innen fortschreitet. Ist es dagegen erwünscht, daß der Temperaturübergang in
Richtung auf nicht zu behandelnde Teile des Werkstückes möglichst flach verläuft,
so wird die Abstufung des Heizleiterquersatmitt:es derart vorgenommen, daß an der
Eintrittsstelle ein geringerer Querschnitt vorliegt als an. der Austrittsstelle
des Werkstückes. Im Zeitpunkt der am weitesten fortgeschrittenen Wärmewanderung
ist mithin die Stromkonzentration und damit die Heizwirkung am stärksten.
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Ein Induktor für den erstgenannten Aufheizungsvorgang ist in Abb.2
schematisch dargestellt, und zwar der Einfachheit halber nur der Heizleiter und
das darunterliegende Werkstück i, das in Pfeilrichtung 14 bewegt wird. Der Heizleiter
15 setzt sich aus gekühlten Rohren 16, 17 und 18 zusammen, wobei der größte Kupferquerschnitt
an der Eintrittsstelle bei 16 vorgesehen ist. Der Übergang. vom größeren zum kleineren
Querschnitt ist bei diesem Heizleiter stufenweise vorgesehen.
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Ein Induktor für die an zweiter Stelle erörterte Heizwirkung ist in
entsprechender Weise in Abb.3 dargestellt. Dias Werkstück i wird wiederum in Pfeilrichtung
14 bewegt, der Heizleiter 19 besteht aus einer keilförmigen Kupferplatte 2o, die
ihren größten Querschnitt an der Austrittsseite des Werkstückes aufweist. An dem
keilförmigen Stück ist ein rohrförmiges Stück 21 der Werkstückoberfläche benachbart
angeordnet, um eine Kühlung zu ermöglichen.
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Bei den bisher verwendeten Induktoren, deren Heizleiter einen möglichst
geringen Querschnitt aufwiesen, war es der 'hohen Stromkonzentration wegen stets
erforderlich, eine Wasserkühlung vorzusehen. Die Ausbildung eines Induktors gemäß
der Erfindung, bei der der Heizleiter eine vergleichsweise große Fläche einnimmt,
macht es möglich, die vielfach als umständlich empfundene Wasserkühlung zu entbehren.
Es kann statt dessen eine Luftkühlung vorgesehen werden. Zu diesem Zweck wird der
Heizleiter mit Kühlrippen oder Lamellen ,aus Kupfer, Aluminium oder ähnlichen gut
wärmeleitenden Metallen versehen. In vielen Fällen genügt die Kühlwirkung dieser
Rippen oder Lamellen ohne zusätzliche Mittel. Es kann indes :auch erforderlich sein,
eitle energischere Kühlung durch einen Preßluftstrom herbeizuführen. Die Ausbildung
eines solchen Induktors ist in. Abb. ¢ dargestellt. Der Induktor 22 besitzt einen
Heizleiter 23, der im Schnitt dargestellt ist. Der Heizleiter 23 wird von einer
Isolierstoffplatte 24 ,getragen bzw. gestützt. Auf dem Heizleiter sind Lamellen
25, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, aufgesetzt. Die der nicht zu behandelnden
Oberfläche des Werkstückes zugeordneten Leiterteile des Induktors sind durch Schlitze
26 in einzelne Abschnitte 27 unterteilt, um, wie bereits beschrieben, die Entstehung
eines Nachbarschaftseffektes zu unterbinden. Die gegeneinander isolierten Stromzuleitungen
sind bei 28 angedeutet.
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Wenn in einzelnen Fällen die Kühlwirkung durch aufgesetzte Kühlrippen.
nicht ausreicht, kann es auch bei einem Induktor gemäß der Erfindung erforderlich
werden, eine besondere Kühlung vorzusehen. Da bei einer Ausbildung des Heizleiters
als dünner plattenförmiger Körper ein Hohlraum für die Kühlmittelführung nicht vorgesehen
werden kann, empfiehlt es sich in solchen Fällen, auf dem plattenförmigen Körper
Kühlrohre vorzusehen, die zweckmäßigerweise auf der der Werkstückoberfläche zugekehrten
Seite befestigt werden.
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Eine gewisse Bedeutung kommt auch der Art der Führung derjenigen Leiterteile
des Induktors zu, die die Verbindung herstellen zwischen dem eigentlichen Heizleiter
und denjenigen Leiterteilen, die diesen gegenüberliegen, d. h. also der Seitenteile
29 in Abb. i oder 30 in Abb. 4. Läßt man diese Seitenteile etwa nach der
Art, wie dies in Abb. i dargestellt ist, in Richtung auf den Heizleiter sich
mehr
oder weniger sprunghaft vergrößern, so ergibt sich, wenn ein solcher Induktor zum
Oberflächenhärten benutzt wird, eine Härteschicht, die in gleichmäßiger Dicke bis
in die Kante verläuft: Wenn dagegen die wesentliche Breitenabnähme der Seitenteile
mit mehr oder minder sprunghaftem Übergang in die Nähe der dem Heizleiter gegenüberliegenden
Leiterteile verlegt ist, so verläuft die erzielte Härteschicht bis in die Nähe der
unteren Kanten des Werkstückes.
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In manchen Fällen ist auch eine Schrägführung dieser Seitenteile zweckmäßig,
denn es hat sich ergeben, daß auf diese Weise bei härteempfindlichen Werkstücken
Überhitzungen und Härterisse im Bereich der Kanten vermieden werden können.
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Mit Induktoren gemäß: der Erfindung isst es möglich, jede beliebige
örtliche Abstufung der Wärmewirkung im Werkstück herbeizuführen, wobei diese Wirkung
durch geeignete Kühlung der Werkstückoberflächen unterstützt werden kann.. In Anwendung
auf das Oberflächenhärten ist es daher möglich, einer gewünschten Ausbildung des
Härtegefüges und des übergangsgefüges in weitestem Maße Rechnung zu tragen. Die
Induktoren können sowohl für die Behandlung von Stahl als auch für andere .metallische
Werkstoffe benutzt werden, und zwar überall dort, wo es sich entweder darum handelt,
ein Werkstück nur teiiweise zu erhitzen oder aber das Aufheizen von einer Fläche
aus vorzunehmen.