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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.