INDUKTIONSERWÄRMUNG
1. Physikalische Grundlagen
1.1 Prinzip der induktiven Erwärmung
1.2 Stromeindringmaß in Abhängigkeit von der Frequenz
1.3 Frequenz / Eindringtiefe - Diagramm
1.4 Berechnung der Eindringtiefe am Beispiel Stahl
1.5 Frequenzbereiche und empfohlene Frequenzen
2. Aufbau einer Induktionsanlage
2.1 Grundaufbau
2.2 Induktionshärteanlagen in der Praxis
3. Härte & Abschrecktemperatur
3.1 ZTU - Diagramm
3.2 Maß für die Härte, die Stirnabschreckkurve
4. Härtezonen, ein paar Beispiele
5. Induktorbauformen in Theorie und Praxis
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1. Physikalische Grundlagen der Induktionstechnik
1.1 Prinzip der induktiven Erwärmung
Alle Werkstoffe, die den elektrischen Strom leiten, lassen sich induktiv erwärmen. Im allgemeinen werden alle Arten von Metallen induktiv erwärmt. Die induktive Erwärmung selbst beruht darauf, dass bei einem Metallkörper in einem magnetischen Wechselfeld ein elektrischer Strom induziert wird. Dieser Stromfluss bewirkt die Erwärmung des Metalls.
Nach dem Joule’schen Gesetz wird durch den Strom über den Widerstand des Metalls eine Leistung erzeugt. Diese Leistung wird in Heizleistung umgesetzt.
Leistung P = R (Widerstand) * I² (Strom im Quadrat)
Dieser Strom fließt nun eine bestimmte Zeit „t“ durch den Metallkörper. Damit wird in dieser Zeit die elektrische Energie W in eine Wärmemenge Q umgewandelt.
W (Energie) = R * I² * t  es gilt: W = Q (Wärmemenge)
Damit wird deutlich, dass die Induktion ein unmittelbares Wärmeverfahren darstellt. Die Wärme entsteht im Werkstück selbst und nicht von außen durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung.
Die Grundlagen dazu kommen aus den Entdeckungen des Herrn Faraday und den Gesetzen, die auch Lenz’sche Regeln genannt werden.
Wirkt auf einen Leiter (Werkstück) ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld, so wird in diesem Leiter eine induzierte Spannung erzeugt. Diese Spannung führt dann zu dem Stromfluss, welcher der magnetischen Erzeugung entgegen wirkt.
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1.2 Stromeindringmaß in Abhängigkeit von der Frequenz
Die Art und Weise, wie der induktive Strom im Werkstück wirkt ist abhängig von der „Geschwindigkeit“ mit der das Wechselfeld sich dauernd ändert. Das Maß der Änderung nennt man Frequenz mit der Einheit Hertz (Hz). 50 Hz bedeutet z.B. 50 Richtungswechsel pro Sekunde.
Das Stromeindringmaß ? (Delta) beschreibt die „Dicke“ der Randschicht, in welcher der Strom hauptsächlich fließt. Diese Eigenschaft wird auch Eindringtiefe genannt. Die Eindringtiefe beschreibt mathematisch den Wert, an dem die Stromdichte von der Oberfläche aus gesehen noch 37% des Oberflächenwertes beträgt.
• Wie tief der Strom wirken kann, hängt zum Ersten von der Frequenz ab. Je höher die Frequenz, desto geringer wird das Eindringmaß.
• Die Eindringtiefe hängt aber auch noch von dem Material und der augenblicklichen Temperatur selbst ab. Hier ist die Abhängigkeit von der Permeabelität (µ=mü) und dem spezifischen elektrischen Widerstand (p=ro) zu beachten.
Als Näherungsformel gilt :
• Zuletzt sind dann natürlich auch die Legierungsbestandteile des Materials und die Qualität der Vorbehandlung (Gefügestruktur) entscheidend verantwortlich für die Ausbildung der erreichbaren Härtezone.
Die magnetischen Eigenschaften der Metalle haben eine starke Auswirkung auf die benötigte Energie (Leistungseinbringung über die Zeit).
Zu Beginn wirken überwiegend die Ummagnetisierungsverluste ( Hystereseverluste ).
Ab dem Curiepunkt ( 600 - 770 °C) wirken nur noch die Wirbel- stromverluste ( Joul’sche Verluste ).
Austenitische Stahlsorten („Edelstahl“) sind unmagnetisch !
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1.3 Frequenz / Eindringtiefe - Diagramm
Die vorab genannten physikalischen Fakten können grafisch wie folgt dargestellt werden:
? zum Diagramm
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1.4 Berechnung der Eindringtiefe am Beispiel Stahl
Bei Stahl um die 950°C beträgt die Permeabilität µ=1 und der spez. Widerstand p = 1,2. Bei Stahltemperaturen um 400°C beträgt die Permeabilität µ=30 und p(ro)=0,45.
Daraus ergeben sich unter Anwendung der Formel
folgende Richtwerte:
| Frequenz in kHz | Eindringtiefe bei 950°C | Eindringtiefe bei 400°C |
| 1 | 18,0 | 11,0mm |
| 4 | 9,0 | 5,6mm |
| 10 | 6,0 | 3,6 |
| 20 | 4,1 | 2,5 |
| 100 | 1,8 | 1,2mm |
| 400 | 0,9 | 0,5mm |
| 700 | 0,7 | 0,3mm |
Das Zusammenspiel von magnetischen und elektrischen Einflüssen führt zu einem optimalen Verhältnis zwischen Durchmesser des Werkstückes und Eindringtiefe (je nach Frequenz). Dieses Verhältnis beträgt D / ? > 4. Daraus folgt, dass man in zu dünne Werkstücke nur schwer Energie einkoppeln kann. Wirtschaftlich vertretbare Grenzen ergeben sich in etwa wie folgt:
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1.5 Benennung der Frequenzbereiche und empfohlene Frequenzen
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2. Aufbau einer Induktionsanlage
2.1 Grundaufbau
Gemäß den Anforderungen an das Werkstück ist es notwendig, die richtige Maschinenart und Generatortyp für einen optimalen Härteprozess bereitzustellen. Bedingt durch den hohen Energiebedarf sind die Generatoren und natürlich auch die Induktoren wassergekühlt. Das Abschreckmedium ist meist ein Wasser / Polymergemisch für kontrollierte Abkühlgeschwindigkeit.
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2.2 Induktionshärteanlagen in der Praxis
Vertikalhärtemaschinen Ausschnitt
Horizontalhärtemaschine
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3. Härte in Abhängigkeit der kritischen Abschrecktemperatur
3.1 Werkstoffeigenschaften und Härtegefüge, das ZTU- Diagramm
Für jeden Werkstoff beschreibt das ZTU- Diagramm die Temperaturzustände. Zuerst erfolgt die Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur. Danach wird das Teil mit Wasser, Abschreck- medium (Polymer), Öl, Stickstoff oder an Luft abgeschreckt. Dabei durchläuft der Werkstoff verschiedene Umwandlungsphasen. Die zeitliche Abfolge dieser Phasen haben eine entscheidende Bedeutung auf das Endergebnis. Solange bei der Abkühlung nicht der Bereich der Perlitphase (P) und Bainit-Phase durchlaufen wird (rote Kurve), entsteht das gewünschte Martensitgefüge. Ist Abkühlgeschwindigkeit zu gering, entstehen unterschiedliche Mischgefüge.
? ZTU - Diagramm
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3.2 Maß für die Härte, die Stirnabschreckkurve
Als Anhaltswert kann die aus der klassischen Härtetechnik bekannte Stirnabschreckversuch nach Jominy liefert Ausssagen über die Härtbarkeit eines Stahls mit Wasserstrahlabschreckung. Die Stirn- abschreckkurve zeigt den möglichen Härteverlauf im Werkstück vom abgeschreckten Rand zum Kern. Details entnehmen Sie bitte der DIN EN ISO 642. Das nebenstehende Bild zeigt den Verlauf für C45 (Werkstoff-Datenbank Dr. Sommer, NaviMat). In der Induktionspraxis sollte berücksichtigt werden, dass zur Minderung der späteren Rissgefahr ein Anlassprozess notwendig ist, der die Endhärte noch etwas minimiert.
? Strinabschreckkurve
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4. Härtezonen, ein paar Beispiele
Je nach Geometrieform und eingesetzter Härtetechnik ergeben sich die möglichen Härteprofile
| Unterschieden wird bei der Härtung in 2 Hauptgruppen | |
| Standhärtung mit Forminduktor für die komplette Härtefläche. Üblich mit Werkstückrotation (Gesamtflächenhärtung) | Vorschubhärtung. Die Härtezone entsteht durch gezielter Erwärmung entlang des Werkstücks. Üblich mit Werkstückrotation. |
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Darüber hinaus gibt es, abgeleitet aus diesen Grundverfahren, verschiedenste Varianten wie Zahnlücken- Zahnflankenhärtung, Umfang- Vorschub- und Kurvenhärtung usw.
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5. Induktorbauformen in Theorie und Praxis
Abschließend noch einen kleinen Auszug der vielfältigen Induktorbauformen
? Induktorbauformen
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