Die Anwendung der elektromagnetischen Induktion bei der Wärmebehandlung war üblich. Die aktuelle Situation der induktiven Wärmebehandlung deutet jedoch darauf hin, dass noch viel Raum für Entwicklung vorhanden ist.
Die Forderung nach Effizienz und Umweltschutz in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, die Innovation der Induktionsstromversorgung und der Fortschritt der Simulation von Induktionswärmebehandlungsprozessen tragen alle zur Entwicklung der Induktionswärmebehandlungstechnologie bei, die kurz vor dem Eintritt in eine „goldene Phase“ steht das Alter".
Effizienz- und Umweltvorteile:
Die grundlegenden Eigenschaften der elektromagnetischen Induktion machen sie in einer Ära des Umweltbewusstseins und des Strebens nach niedrigen Kosten für die Wärmebehandlungsindustrie attraktiv. Induktionserwärmung ist ein direktes Erwärmungsverfahren, bei dem Wärme in der zu erwärmenden Komponente erzeugt wird, anstatt von der Umgebung auf die Komponente übertragen zu werden. Da die Induktionserwärmung Wärme an und unter der Oberfläche erzeugt, ist sie nicht nur schnell, sondern in der Regel hocheffizient.
Der elektromagnetische Wirkungsgrad des induktiven Wärmebehandlungsprozesses ist oft sehr hoch. Beim Induktionshärten von ferromagnetischen Materialien wie Kohlenstoffstahl und Martensit-Edelstahl liegt dieser Wirkungsgrad normalerweise im Bereich von 70–80 % (und sogar noch näher an 90 % für das Anlassen solcher Materialien). Beim Induktionshärten werden auch keine Chemikalien in die Teile eindiffundiert. Daher gilt das Induktionshärten im Allgemeinen als „saubereres“ Verfahren im Vergleich zu thermochemischen Verfahren wie Aufkohlen und Nitrieren.
Innovation in der Induktionsstromversorgung:
Die Entwicklung von transistorisierten Hochfrequenzstromquellen in den 1950er und 1960er Jahren veränderte das Gesicht der induktiven Wärmebehandlung in großem Umfang. Das Aufkommen von synchronen Zweifrequenz-Stromversorgungen Ende der 1990er und Anfang des 20. Jahrhunderts hat die Fähigkeit zur Härtung erheblich verbessert, insbesondere bei kleinen und mittelgroßen Zahnrädern. In den letzten Jahren, nach fast 20 Jahren langsamer Entwicklung der Induktionsleistung, ist eine revolutionäre Technologie aufgetaucht – ein Wechselrichter, der die Arbeitsfrequenz tatsächlich sofort modulieren kann.
Bei der Induktionserwärmung beeinflusst die Frequenz des angelegten elektromagnetischen Feldes (d. h. die Frequenz des durch die Induktionsspule fließenden Wechselstroms) die Tiefe der Wärmeenergieerzeugung in der zu erwärmenden Komponente. Die Tiefe, bis zu der ein mit Wechselstrom betriebener Leiter die meiste Wärme erzeugt (ca. 86 %), wird üblicherweise als Eindringtiefe bezeichnet. Die Eindringtiefe (δ) ist eine Funktion des Leiterwiderstands (ρ), der Permeabilität (μ) und der Frequenz des angelegten Magnetfelds (F) und kann wie folgt angenähert werden:
Fallbeispiel: Scan Hardening
Scan Hardening ist eine ausgereifte Anwendung der Stromversorgung mit variabler Frequenz. Die Möglichkeit, die Frequenz zu ändern, bietet eine ideale Lösung, um die Härtungsanforderungen verschiedener Formen entlang der Länge des gescannten Teils zu erfüllen.
Abbildung 1 veranschaulicht einen Scan-Härteprozess für eine Welle aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (SAE 4140) und bietet eine geeignete Fallstudie. Diese Hohlwelle steht stellvertretend für viele moderne Automobilteile. Sein Ende ist als Flansch ausgebildet. Der Durchmesser des Wellenkörpers variiert erheblich, wobei der Durchmesser oberhalb und unterhalb des Übergangsteils etwa 45 mm bzw. 50 mm beträgt.
Abbildung 1. Scan-Härtungsprozess für eine Welle aus Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (SAE 4140).
Diese 5-mm-Durchmesservariation ist relativ zu der erforderlichen Tiefe der Härtungsschicht sehr groß, was es schwierig macht, das elektromagnetische Feld und die Erwärmung zu steuern. An den inneren Ecken der Durchmesserübergänge ist es schwierig, ausreichend Wärme zu erzeugen, um sie auf eine relativ große Menge umgebenden Materials zu übertragen. Das Vorhandensein von 0.5-mm-Rillen verbessert effektiv die lokale Kopplung zwischen der Spule und den Komponenten, stellt jedoch zusätzliche Herausforderungen an den Prozess. Außerdem neigt die äußere Ecke zur Überhitzung, da sie nach außen vorsteht und in den Magnetfeldlinienbereich um die Spule mit einer Windung eintritt.
Wenn beim Härten eines solchen Bauteils eine einzelne Frequenz verwendet wird, werden wahrscheinlich 30 kHz ausgewählt, um eine effektive Härtetiefe von ungefähr 2 mm sicherzustellen. Wie in Bild 2 dargestellt, erreicht das Verfahren über den größten Teil der Länge des Bauteils eine gute Härtung, jedoch gibt es Probleme beim Durchmesserübergang.
Bild 2. Das Verfahren erzielte über den größten Teil der Länge des Bauteils eine gute Härtung, aber es gab Probleme mit dem Durchmesserübergang.
Aufgrund unzureichender Austenitisierung (dh Erwärmung) wird an den Rillen eine sehr kleine Menge Martensit erzeugt. Eine Erhöhung der Spulenleistung in diesem Bereich und/oder eine Verlängerung der effektiven Heizzeit scheinen logische Korrekturen zu sein. Dies wird jedoch die Spitzentemperatur an der angrenzenden äußeren Ecke weiter erhöhen. Wenn diese Temperatur bereits auf einem Niveau von 1,060 °C (1,940 °F) liegt, können weitere Erhöhungen zu einem unerwünschten (und möglicherweise nicht akzeptablen) lokalen Korntransport führen.
Da der Abstand zwischen dem Innenwinkel und dem Außenwinkel nur 3 Millimeter beträgt, scheint es eine unmögliche Aufgabe zu sein, die Temperatur am Innenwinkel zu erhöhen, ohne die Temperatur am Außenwinkel zu erhöhen. Wie in Abbildung 3 gezeigt, wird dies jedoch erfolgreich durchgeführt, indem die Frequenz geändert wird, wenn der Durchmesserübergang erwärmt wird, an dem die Spule ankommt.
Abbildung 3. Durch Ändern der Frequenz beim Erhitzen des Durchmesserübergangsteils wurde die Temperatur an der inneren Ecke ohne die äußere Ecke erfolgreich erhöht.
Die Reduzierung der Inverter-Ausgangsfrequenz von 30 kHz auf 10 kHz erhöht die Eindringtiefe in das Bauteil um etwa das 1.7-fache, verringert den elektromagnetischen Nahbesprechungseffekt an der Innenecke und reduziert das Überhitzungsrisiko an der Außenecke. Diese Frequenzänderung erhöhte effektiv die Tiefe der Oberflächenhärtungsschicht an der Nut und reduzierte die Spitzentemperatur der angrenzenden Schulter um fast 40°C.
Diese relativ einfache Fallstudie demonstriert einen wichtigen Qualitätsvorteil von Scan-Härtungssystemen mit variabler Frequenz. Die Möglichkeit, die Frequenz einzustellen, bietet zusätzliche Vorteile, wenn das Bauteil über die Länge unterschiedliche Tiefen der Härteschicht erfordert. Darüber hinaus bietet die IFP-Technologie, obwohl dies den Rahmen dieses Artikels sprengen würde, Masse- und Flexibilitätsvorteile für viele andere Anwendungen, darunter horizontales kontinuierliches Härten, Rotationshärten (für Zahnräder und Kettenräder), Anlassen und Spannungsarmglühen.
Simulation im Anlagen- und Prozessdesign:
Die Verwendung von Computersimulationen bei der Konstruktion von Induktionswärmebehandlungssystemen kann die Produktqualität verbessern, die Konstruktionszeit verkürzen, die Herstellungskosten senken und die Prozessentwicklung beschleunigen. Diese Vorteile können jedoch leicht durch die Zeit zunichte gemacht werden, die benötigt wird, um zuverlässige Modelle zu entwickeln und die gewünschten Ergebnisse zu berechnen.
Bei bestimmten Anwendungen, insbesondere solchen, die eine dreidimensionale Simulation erfordern, ist die Zeit, die erforderlich ist, um nützliche Informationen durch Simulation zu erhalten, einfach nicht akzeptabel. Glücklicherweise wird diese Hürde durch die zunehmende Leistungsfähigkeit von Simulationssoftware und die sinkenden Kosten für Computerhardware immer kleiner.
Fallbeispiel: einmalige Härtung:
Beim Einmalhärten wird mit einer Induktionsspule, die sowohl Umfangs- als auch Längsströme induzieren kann, das gesamte zu härtende Bauteil erwärmt (Bild 4). Die Teile drehen sich während des Erwärmungs- und Abschreckvorgangs, um eine gleichmäßige Aushärtung des gesamten Körpers zu fördern. Die Fähigkeit, den einmaligen Härteprozess in angemessener Zeit zuverlässig zu simulieren, ist für Hersteller und Anwender von Induktionswärmebehandlungsanlagen wichtig, weil:
FEIGE. 4. Beim einmaligen Härteprozess werden Induktionsspulen verwendet, die sowohl Umfangs- als auch Längsströme erzeugen, um die Komponenten als Ganzes zu erhitzen.
• Einmalhärten ist ein weit verbreitetes Induktions-Wärmebehandlungsverfahren.
• Das Design von Einweg-Induktionsspulen ist weitaus weniger intuitiv als das der meisten anderen Induktionshärtungsspulen.
• Die Wirkung der Härtungsbehandlung hängt hauptsächlich von der Spulenform und nicht von den Prozessparametern ab (anders als beim Scan-Härten).
• Die Herstellung von Spulen kann kostspielig sein, insbesondere wenn man bedenkt, dass Trial-and-Error-Designs häufig wiederholte Überarbeitungen erfordern.
• Einweg-Induktionsspulen haben normalerweise eine hohe Leistungsdichte und sind daher anfällig für vorzeitige Schäden.
Leider erfordern die physikalischen Eigenschaften des einmaligen Härtungsprozesses die Verwendung einer DREIDIMENSIONALEN elektromagnetischen Erwärmungssimulation, und die Zeit, die erforderlich ist, um dreidimensionale Finite-Elemente-Modelle zu erstellen und genaue Ergebnisse zu berechnen, war ein beträchtliches Hindernis. Daher ist die einmalige Induktionshärtungsprozesssimulation in der Industrie noch sehr selten.
Wie Abbildung 5 zeigt, ändert sich dies jedoch. Die zunehmende Leistungsfähigkeit von Software in Verbindung mit sinkenden Kosten für Rechenressourcen macht komplexe Simulationen, die große Mengen an Ressourcen erfordern, zunehmend machbar. Hersteller und Anwender von Induktionswärmebehandlungsanlagen ernten die Früchte.
Abbildung 5. Die zunehmenden Fähigkeiten der Software und die sinkenden Kosten für Rechenressourcen machen komplexe Simulationen, die große Mengen an Ressourcen erfordern, zunehmend machbar.