DE2206816C3 - Vorrichtung zum Erzeugen extrem feinkörniger metallischer Oberflächengefüge - Google Patents

Description

a) der Hochfrequenzgenerator enthält als Schwingkreis einen an sich bekannten Topfkreis (1), der großvolumig ausgebildet ist und eine fC/eisgüte oberhalb von 100 hat

b) die den Topfkreis (1) speisende Oszillatorröhre (3) weist einen Innenwiderstand unter 1000 Ohm auf,

c) der zur Erhitzung des Stahlkörpers dienende induktor (17) ist über eine niederohmige, niederinduktive Doppelschleife, die in das Innere des Topfkreises (1) hineinragt gespeist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zur Erzeugung des die Oszillatorröhre speisenden Impulses ein Diffo entialimpulstransformator vorgesehen ist der primärseitig einen durrh eine Thyristorschaltung zur Entladung gebrachten Kondensator aufweist, dadurch gekennzeichnet daß eine von einem zu härtenden Werkstück (32; gesteuerte Lichtschranke zur periodischen Zündung des Thyristors (14) durch Abschaltung oder Unterbrechung vorgesehen ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Lichtschranke ein feinstrahliger Neon-Helium-Laser (30) als Lichtquelle vorgesehen ist, dem eine kleinflächige Fotodiode (33) als Empfänger zugeordnet ist

4. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekenn- 4s zeichnet, daß die Auskoppelschleife (16) mit dem Heizinduktor (17) parallel geschaltet ist und beide gemeinsam einen oder mehrere Kondensatoren (18, 19) in Parallelschaltung haben, von denen mindestens einer als Luftkondensator (19) (Plattenkonden- sator) trimmbar geschaltet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (17) mittels konischer Klemmbacken (43), die gleichzeitig eine Flüssigkeitsdichtung darstellen, in ein zweipoliges Verbin- SS dungsstück hineinragt, und daß der Induktor (17) als Metallrohr sehr dünner lichter Weite, vorzugsweise als gezogenes Silberrohr oder verkupfert-versilbertes Stahlrohr, ausgebildet ist und von Wasser oder einem anderen Kühlmittel mit mindestens 8 Atm. Überdruck durchströmt ist, daß Ferner das einspeisende Polpaar in kleinem Abstand, vorzugsweise durch eine Glimmer- (40) oder Keramikplatte voneinander isoliert, niederinduktiv und mit großer Kapazität ausgebildet ist und diese Kapazität einen Teil der Schwingkapazität der Koppelschleife (16) und des Heizinduktors (17) bildet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch

gekennzeichnet, daß zum Trimmen der Vorrichtung ein Betrieb der Oszillatorröhre (3) mit verringerter Leistung vorgesehen ist und über eine kleine HiIFsantenne (26) eine Indikatorlampe (27) kapazitiv dem Heizinduktor (17) zugeordnet ist

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, bei dem der Heizinduktor teilweise von einem ferritischen Material umschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das ferritische Material (47) eine Permeabilität von mehr als 100 und kleine Hochfrequenzverluste im Bereich von mehr als 15MHz besitzt

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das ferritische Material (47) eine mit zunehmender Magnetisierung abnehmende Permeabilität besitzt und der durch den Heizinduktor (17) fließende Strom zusammen mit dieser Permeabilität eine Bemessung aufweist, bei der das ferritische Material (47) unterhalb des Cnrie-Punktes der zu härtenden Oberflächenelemente des Werkstückes (20) eine kleinere Permeabilität und oberhalb des Curie-Punktes und Absinken des durch den Induktor (17) fließenden Stromes eine höhere Permeabilität besitzt und somit einen kompensatorischen Effekt aufweist

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß zwischen Werkstück (20) und Heizinduktor (17) eine hochhitzebeständige, Oberschläge vermeidende Kunststoff-Folie (21) aus einer metallorganischen Verbindung angeordnet ist

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß zur Erzeugung einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre und zur Entfernung von im Raum zwischen Induktor (17) und Werkstück (20) erzeugten Ionen ein Strom neutralen oder reduzierenden Gases (22) mit hoher Geschwindigkeit, hilfsweise durch Anwendung einer Lavaldüse, in diesem Raum vorgesehen ist

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, bei der zwischen Induktor und Werkstück ein laminar strömendes, flüssiges Kühlmedium vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium eine Durchschlagfestigkeit aufweist die bei Impulsen höher als 7mal derjenigen von Luft ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen extrem feinkörniger metallischer Oberflächengefüge durch induktive Hochfrequenzaufheizung mit kürzer als 0,1 Sekunden einwirkenden Impulsen und nachfolgender Eigenabschreckung durch Verwendung von rechteckig programmierten Leistungsimpulsen mit extrem steiler hinterer Flanke entsprechend einer Abfallzeit von weniger als 1% der Impulseinwirkungszeit entsprechend dem als Auslegeschrift vorveröffentlichten Verfahren nach dem Hauptpatent 19 57 884.8, welches zur Durchführung einen Hochfrequenzgenerator, wenigstens einen Schwingkreis und eitlen Induktor benötigt

Die vorliegende Erfindung bezweckt eine vorteilhafte vorrichtungsmäßige Weiterbildung des Verfahrens nach dem Hauptpatent und basiert auf den Erkenntnissen, die im Hauptpatent niedergelegt sind. Sie hat eine erfinderische Kombination verschiedener konstruktiver

und baulicher Merkmale zur Aufgabe, die zusammengenommen erst eine perfekt«? Herstellung der genannten Härtegefüge an praktischen Werkstücken ermöglichen. Gefüge dieser Art sind in der Literatur inzwischen auch als sogenannte weiße Schiebten bekanntgeworden, die stets Mikrohärten zwischen 900 und 1700kp/mm² aufweisen. Diese weißen Schichten entstehen an allen kohlenstoffhaltigen härtbaren Stahlarten stets dann, wenn spontan eine hohe Temperatur auftritt und durch Selbstabkühlung die hohe Temperatur schnell verschwindet Die Höhe dieser Temperatur muß sehr viel höher sein als die konventionelle Härtetemperatur und oft bis in die Nähe des Schmelzpunktes steigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kombination nachfolgender Merkmale gelöst:

a) der Hochfrequenzgenerator weist einen Schwingkreis mit einer Kreisgüte oberhalb von 100 auf, der als groß volumiger Topfkreis ausgeführt ist,

b) die den Topfkreis speisende Oszillatorröhre weist einen Innenwiderstand unter 1000 Ohm auf,

c) der zur Erhitzung des Stahikörpers dienende Induktor ist über eine niederohmige, nierlerindnktive Doppelschleife, die in das Innere des Topfkreises hineinragt, gespeist

Der Hochfrequenzgenerator arbeitet dabei in an sich bekannter Weise (CH-PS 4 28 821) in einem Hochfrequenzbereich oberhalb von 5 MHz, vorzugsweise mit der Industriefrequenz von 27,12 MHz.

Die erfindungsgemäß vorgesehene außerordentliche Kreisgüte erwies sich bei der Konzeption der Erfindung als erforderlich, nachdem alle Arbeiten mit konventionellen Hochfrequenzgeneratoren einen überraschend schlechten Wirkungsgrad am Werkstück zeigten. Dies ist dadurch zu erklären, daß die Induktivität des Heizinduktors nur in der Größenordnung einiger nH liegt und damit, wenn sie in einen Schwingkreis konventioneller Art einbezogen ist, nur einen winzigen Bruchteil der Gesamtinduktivität beinhaltet Auf diese Weise kam nur ein ebenso kleiner Bruchteil auf der Werkstückoberfläche wirksam werden. Gerade dies führte aber nach dem Stand der Technik zu unwirtschaftlichen riesigen Induktionshärtegeräten, so daß das Verfahren sich nicht in der Praxis einbürgern konnte.

Durch die Anwendung eines Schwingkreises mit einer sehr hohen Kreisgute erreicht mar ζ. B, daß bei einer Kreisgüte von 100 und einer Oszillator-Schwingleistung von 10 kW bereits I MVA im Schwingkreis oszilliert Wenn man aus einem Schwingkreis mit einer so hohen Blindleistung auf geschickte Weise den Induktor speist gelingt es, einen außerordentlich hohen Nutzwirkungsgrad zu ei Teichen. Hierzu wird eine kleine Koppelschleife in den schwingenden Hohlraum des Kreises hoher Güte eingeschoben und parallel zu dieser Koppelschleife der eigentliche Heizinduktor geschaltet Parallel zu beiden liegt ein großer Abstimmungskondensator, der es bewirkt daß eine einigermaßen genaue Resonanzübereinstimmung zwischen dem Hauptkreis und dem Heizkreis vorliegt

Zum Stande der Technik ist in Verbindung mit den Unteransprüchen noch darauf hinzuweisen, daß es bereits bekanntgeworden ist, einen Heizinduktor teilweise mit einem ferritischen Material zu umschließen (DE-AS 12 Il 235).

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend ausführlich anhand der Zeichnungen näher erläutert

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Topfkreises mit Erregerschaltung,

F i g. 2 Verlauf der Stromkurve im Primärteil und der s Spannungskurve im Sekundärteil des Generators,

Fig.3 eine Vorrichtung zur Synchronisation des WerkstOckvorschubes,

Fig.4 einen Querschnitt eines für hohe Leistungen geeigneten Induktors,

ίο F i g. 5 einen von einem ferritischen Mantel umgebenen Induktor mit einer Isolierfolie im Luftspalt zum Werkstück,

F i g. 6 eine zusätzliche Steuereinrichtung zur Berücksichtigung unterschiedlicher Werkstoffqualitäten und

is Fig.7 Verlauf eines Härteimpulses in einer gemäß F i g. 6 gesteuerten Vorrichtung.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Topfkreis 1 mit sehr hoher Güte, der z. B. mit einem Volumen von Ά m³ aus Kupferblech mit Versilberung gestaltet sein kann, durch einen Luftkondensator 2 auf eine industrielle Arbeitsfrequenz, z.B. die Arbeitsfrequenz 27,12 MHz oder auf eine k&iliche niedere oder höhere Frequenz abgestimmt Der Kreis wird gespeist von der Oszillatorröhre 3 in an sich konventioneller Weise, indem die Anode dieser Röhre 3 über einen Koppelkondensator 4 an den Topfkreis 1 angeschlossen ist Die Rückkopplung geschieht durch eine kleine Stromschleife 5 fiber einen üblicherweise verwendeten Gitterkondensator 6 und einen Gitterarbeitswiderstand

7. Nun kann ein möglichst genau rechteckiger Impuls direkt auf die Anode der Röhre 3, z. B. über eine Drossel 8, gegeben werden. Als weitere Ausbildung der Erfindung dient ein spezieller Differentialimpulstransformator, der mit einer Sekundärwicklung 9 und einer Primärwicklung 10 einen Eisenkern 11 umschließt Zur Ableitung der Hochfrequenz bzw. zum Hochfrequenzkurzschluß dient ein kleiner induktionsarmer Kondensator 12. Wenn die Ladung eines sehr großen Kondensators 13 über einen elektronischen Schalter 14, z. B. einen großen Thyristor, ein Ignitron oder aber auch einen konventionellen Schalter auf die Primärwicklung 10 gegeben wird, so erfolgt in dieser gemäß Fig.2 ein Anstieg des Stromes gemäß Kurve a. Dieses hat zur Folge, daß in der Sekundärwicklung 9 die erste Ableitung dieses Stromes als die in Kurve b dargestellte Spannung auftritt Wie ersichtlich, läßt es sich erreichen, daß der gleichmäßige Anstieg der Kurve a zu einem nahezu rechteckigen sekundären Impulsverlauf b am kleinen

so Kondensator 12 führt Auf diese Weise kann mit sehr hohen Arbeitsspannungen, z. B. 10 000 Volt, an der Anode der Röhre J gearbeitet werden.

Für diese hohen Arbeitsspannungen gibt es ktine Thyristoren oder ähnliche Halbleiter, so daß alte

ss Röhrenschaltungen eingesetzr. werden müssen, die neuerdings gern vermieden werden. Um nun einen Thyristor einsetzen zu können, der bei sehr hohen Stromstärken in guter Zuverlässigkeit nur Spannungen von etwa max. 1 kV zu schalten vermag, wird a's elektronischer Γ .'halter 14 ein Thyristor mit nur 1000 Volt Arbeitsspannung verwendet Der Kondensator 13 hat in diesem Falle die hundertfache Kapazität, aber nur '/10 der Spannung des Kondensator* IZ Aufgeladen wird der Kondensator 13 in konventioneller Weise von einem stabilisierten Hochspannungsgenerator 15, der rasch genug den Kondensator 13 aufladen muß, um eine schnelle Taktfolge, z. B. 20/s zu bewerkstelligen. Solche Schaltungen sind technisch bekannt und nicht neu.

Um nun die Auskopplung der im Topfkreis erzeugten Schwingung mit hohem Wirkungsgrad auf einen Heizinduktor 17 zu geben, ist eine niederohmige und auch niederinduktive Auskoppelschleife 16 in den Topfkreis I eingeschoben, wobei die Güte des Topfkreises 1 und die Geometrie der Einschiebung der Schleife 16 miteinander zusammenhingen. Je höher die Schwingkreisgute des Topfkreises 1 ist, desto kleiner muß die von der Schleife 16 umschlossene Fläche 16e innerhalb des Kreises 1 sein.

Parallel zu der Auskoppelschleife 16 ist der eigentliche Heizinduktor 17 ausgeführt, der sehr nahe an der aufzuheizenden Oberfläche eines Werkstückes 20 liegt. Dieser ist mittels eines Festkondensators, z. B. keramischen Kondensators 18, ungefähr auf die Frequenz und mittels eines trimmbaren Luftkondensators, vorzugsweise eines Plattenkondensators 19, genau süf die Arbsitsfreijuenz des Toⁿfkr?ls?s I ahepstimmt Hierbei treten in dem aus der Auskoppelschleife 16, dem Heizinduktor 17 und dem Kondensator 18 bestehenden Schwingkreis auch außerordentlich hohe Blindleistungen auf, die dazu führen könnten, daß im Induktor 17 eine Blindschwingleistung von I MVA oder mehr fließen. Diese hohen Blindschwingleistungen haben zur Folge, daß am Induktor 17, der u. U. nur aus einem einzigen kleinen geraden Drahtstück oder aus einer einzigen kleinen Schleife besteht. Spannungen im Kilovoltbereich auftreten. Um diese Spannungen daran zu hindern, auf das Werkstück 20 überzuschlagen, kann es zweckmäßig sein, eine Isolierfolie 21 vor dem Werkstück 20 anzuordnen oder dieses mit einer solchen Folie 21 zu umkleben.

Folien mit einer Temperaturfestigkeit bis 1200° C sind als metallorganische Verbindungen neuerdings handelsüblich. Mittels dieser Folien gelingt es, bei hervorragender Isolation sehr hohe Impulshärtetemperaturen an der Oberfläche des Werkstückes 20 zu erzeugen. Zusätzlich kann das Werkstück 20 mittels eines in Pfeilrichtung 22' auftreffenden Gasstroms von Kohlendioxyd, Stickstoff, bei geringeren Anforderungen auch von Luft oder bei hohen Anforderungen von Argon gekühlt werden. Dieser Gasstrom sorgt außerdem dafür, daß Ionen zwischen dem Induktor 17 und dem Werkstück 20 weggeblasen werden. In diesem Falle bewirkt also der Luftstrom nicht mehr primär die Kühlung der Oberfläche des Werkstücks 20, sondern die Beseitigung von Ionen, die während der Impulsdauer entstehen wollen oder entstanden sind und einen Überschlag begünstigen.

Die Geschwindigkeit des Gases muß sehr hoch sein. Dabei können u. U. sogar Laval-Düsen angewendet werden, um nahe der Schallgeschwindigkeit arbeiten zu können. Bei so schnell strömendem Gas ist die durch das Gas erreichte Kühlgeschwindigkeit ähnlich hoch wie die Wärmeleitungskühlung im Werkstück 20. Auf diese Weise wird das soeben durch den Impuls des Induktors 17 erhitzte Werkstück 20 sowohl durch den Gasstrom in Pfeilrichtung 22 als auch durch die in Pfeilrichtung 23 erfolgende Selbstabschreckung in das Innere des Werkstückes 20 hinein gekühlt.

Um die obengenannten weißen Gefüge zu erhalten, betragen die Impulsdauern in der Größenordnung von 03 bis 10 ms. Daher bietet es sich an, bei größeren Produktionsgeschwindigkeiten das Werkstück 20 stetig rotieren oder stetig, wie beispielsweise bei einer Säge, am Induktor 17 vorbeiziehen zu lassen. Der Impuls wird immer dann ausgelöst, wenn gerade das Werkstück 20 in der richtigen Position gegenüber dem induktor 17 liegt Hierzu wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Laser-Strahl als Synchronisierurigshilfe benutzt. Ein in F i g. 3 dargestellter Neon-Helium-Laser 30 konventioneller Bauart schickt einen

S feinen Strahl 31 durch ein Werkstück 32, z. B. das Zahnprofil einer Säge. Eine Fotodiode 33 nimmt diesen Strahl 31 auf. Er wird als Signal weiterverstirkt in einem kleinen Differentialverstärker 34 und über eine Signalleitung 35, d. h. eine Steuerleitung, zur Betätigung

ίο des als Thyristor ausgebildeten elektronischen Schalters

14 geleitet. Signale 36 sind zur Versinnbildlichung auf der Leitung 35 aufgezeichnet. Auf diese Weise können bei einer gut ausgebildeten und richtig dimensionierten Maschine dieser Art bis zu 20 Impulse/s mit Röhren 3 von einer durchschnittlichen Anodenverlustleistung von nur 2 kW als Härteimpulse erzeugt werden. Dabei können die Anodenspitzenspannung 10—15 000 Volt und die Blindleistungsspitzen im Topfkreis 1 bis 5 MVA betragen.

jo Um die erfindungsgemäße Vorrichtung richtig einstellen zu können, bedarf es einer besonderen Schaltungsmaßnahme. Durch einen in F i g. 1 skizzierten Umschalter 24 wird die Röhre 3 über einen Widerstand 25 auf eine kleine Betriebsspannung geschaltet, z. B.

dadurch, daß man sie auf den Hochspannungsgenerator

15 schaltet. Alsdann schwingt der ganze Kreis nur mit etwa ei^r~m hundertstel seiner Leistung. Zur Einstellung der genauen Resonanz mittels des Kondensators 19 wird eine kleine Antenne 26, z. B. ein Draht von einigen Zentimetern Länge, mit einer Hilfsglimmiampe 27 und einem kleinen, als Gegengewicht dienenden Stückchen Draht 28 angeordnet Durch das Einstellen der Glimmlampe 27 auf Maximal-Helligkeit kann die Einstellung kritisch so vorgenommen werden daß bei Umschaltung auf die volle Leistung sofort richtiges Arbeiten gewährleistet ist

Das erzielte Resultat wird besonders gut, wenn die volle Resonanz des Induktors 17 erst bei Erreichen und Überschreiten der Curie-Temperatur im Werkstück 20 an der zu härtenden Oberfläche vorhanden ist. Bekanntlich ist Stahl unterhalb der Curie-Temperatur mit einer hohen, obernaiD der C urie-Temperaiur jciiix.ii mit der normalen Permeabilität von Luft oder anderen gewöhnlichen Metallen behaftet Wird die Einstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Phantomwerkstück, z. B. aus Kupfer oder Messing, mit mangelnder ferromagnetischer Permeabilität durchgeführt, so erzeugt sie bei der Härtung von Stahl während des Beginns des Impulses, d.h. während der ersten Mikrosekunden, noch nicht die volle Leistu··* am Werkstück 20. Bei weiterem Verharren des Impulses wird die Curie-Temperatur überschritten. In diesem Zeitpunkt tritt spontan eine außerordentlich plötzlich stattfindende Erhitzung am Werkstück ein, da sofort nach Überschreiten der Curie-Temperatur die richtige Abstimmung vorliegt und die volle Blindleistung in Wirkleistung umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung der Erfindung erfüllt da der Impuls nicht langsam

6c ausschleicht, sondern spontan endet Es entsteht ein fast nadeiförmiger Erhitzungsimpuls, durch den nur eine außerordentlich dünne Oberfläche entsprechend der bekannten Formel für die Eindringtiefe der Hochfrequenz im Stahl erhitzt wird. SoTi die Härtung tiefer als in

&5 diese dünne Schicht vordringen, die oft nur einige 30/tausendstel Millimeter betragen kann, so muß eine längere Impulsdauer, z.B. 50ms, gewählt und durch Wärmeleitung dafür gesorgt werden, daß eine entspre-

chend tiefere Schicht, ζ. B. 0,2 mm, der Oberfläche erhitzt wird.

Ein für die erforderliche hohe Leistungs-Übertragungsqualität besonders wirksam ausgebildeter Induktor 17 ist gemäß Fig.4 als Rohr mit einer dünnen Bohrung 41 ausgeführt Diese kann in Form einer konischen Ausgestaltung 42 in als Stromzuführung ausgebildeten Backen 43 liegen. Die Zuführung des Hoctidruckwassers kann zweckmäßig durch das in den Backen 43 liegende Hochdruckrohr 44 erfolgen. Die Backen 43 können als sogenannte sandwich line aus zwei fest aufeinandergepreßten Flachleitern bestehen, deren Innenflächen 19a—19b durch eine dünne Glimmerfolie 40 isoliert sind. Auf diese Weise werden Kapazitäten in der Größenordnung von 100 pF realisiert, so daß die Kondensatoren 19 bzw. 18 kleiner ausfallen können. Durch die konische Ausgestaltung 42 lassen sich die Induktoren 17 leicht austauschen, falls sie gelegentlich zerstört oder für andere Formgebungszwecke verändert werden sollen.

In Pfeilrichtung 45 fließt Kühlwasser mit hohem Druck der Bohrung 41 zu und in Pfeilrichtung 46 wieder ab. Es hat sich bewährt, hierfür entweder destilliertes Wasser oder kalkarmes Leitungswasser zu verwenden, damit nicht unnötige Ablagerungen stattfinden. Vorzugsweise wird Wasser mit einem Druck von mehr als 8 Atm., gelegentlich sogar mit 40 Atm. verwendet, wenn die Bohrung 41 des Induktors 17 nur sehr dünn ist, z. B. ²/io mm. Als Material zur Herstellung der Induktoren 17 bewährt sich gezogenes Silberrohr. Überraschenderweise kann auch gezogenes Stahlrohr verwendet werden, das verkupfert und möglichst zusätzlich versilbert ist. Je höher die Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmediums ist, desto höher kann verständlicherweise die Impulsrate und somit die thermische Beanspruchung des Induktors gewählt werden.

Um nun die Leistung des Induktors 17 möglichst vollständig auf das Werkstück 20 zu konzentrieren, kann in dessen Nachbarschaft ferritisches Material 47 angeordnet werden. Es sind heute handelsüblich hochfrequenz-technische Ferrite erhältlich, die Permeabilitäten in der Größenordnung von 600 bis 1500 haben

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Luftraumes darstellen, der außerhalb des Werkstückes 20 liegt. Auf diese Weise wird durch die Isolierfolie 21 hindurch das Werkstück 20 mit einer sehr hohen Feldstärke und nahezu verlustfrei beaufschlagt und erhitzt.

Die richtige Wahl des ferritischen Materials 47 ermöglicht, daß bei hohem Strom im Induktor 17 die Permeabilität μ und damit die Induktivität sinkt. Bei abnehmendem Strom in der Schleife 17 steigt die Permeabilität Alle Hersteller solcher ferritischen Materialien geben Permeabilitätskurven im Vergleich zur Magnetisierung an. Bei dem mit einem Ansteigen der Wirkleistung und einem Absinken der Blindleistung verbundenen Oberschreiten der Curie-Temperatur im Härtefleck am Werkstück 20 steigt die Permeabilität Dadurch kann erreicht werden, daß sowohl unterhalb wie oberhalb des Curie-Punktes ungefähr gleichartige hochfrequenz-technische Abstimmbedingungen vorliegen. Die Wahl des richtigen Ferritmaterials führt approximativ dazu, daß während der Erhitzungsphase unterhalb und oberhalb der Curie-Temperatur etwa die gleiche Wirkleistung durch den Kompensationseffekt des Ferrites 47 das Werkstück erhitzt

Überraschenderweise hat sich auch gezeigt, daß gewöhnliches Leitungswasser für so kurze Impulse, wie sie hier verwendet werden, eine sehr gute Durchschlagsfestigkeit besitzt, die bei etwa 200 kV/cm liegt. Anstelle des Kühlgasstromes in Richtung 22 kann daher mit gutem Erfolg auch die Oberfläche des Werkstückes 20 gegen den Induktor 17 durch laminar einströmendes Wasser, und zwar gewöhnliches Leitungswasser, isoliert werden. Isolierfolie 21 wird dann nicht benötigt. Das Wasser isoliert etwa ebenso gut, als wenn gewöhnliche atmosphärische Luft von 7 Atm. Druck zwischen

ίο Werkstück 20 und Induktor 17 wäre. Daß das Wasser außerdem noch als Kühlmedium zur rapiden Kühlung der Oberfläche beiträgt, ist hierbei eine willkommene Beigabe. Die primäre Aufgabe des strömenden Wassers ist die Isolation.

Für bestimmte Aufgaben, z.B. zum Erzeugen sehr blanker Oberflächen ohne Oxydation, kann ein Kühlmittel anstelle von Wasser einströmen. Methanol hat z. B. stark reduzierende Eigenschaften und hinterläßt eine metallisch blanke Oberfläche nach der Härtung. Soll eine Flüssigkeit nicht angewendet werden, so empfiehlt es sich, Propan- oder Wasserstoffgas oder auch Methan als Kühlmedium in Pfeilrichtung 22 strömen zu lassen. Diese Gase gewährleisten die metallische Blankheit der Oberfläche. In keinem Falle kann auf die Wärmeleitungs-Kühlung des Werkstücks selbst verzichtet werden, die in Pfeilrichtung 23 stattfindet. Normaler Kohlenstoffstahl hat eine Wärmeleitfähigkeit, die immerhin etwa noch das tausendfache eines guten Kühlgases beträgt. Entscheidend für das Erzeugen weißer Schichten ist nicht nur eine spontane Erhitzung auf sehr hohe Temperaturen kurz unterhalb des Schmelzpunktes, sondern auch eine ebenso spontane Abkühlung nach Aufbringung des aufheizenden Leistungsimpulses. Diese Abkühlung kann praktisch nur

i<; durch die Eigenabschreckung des Werkstückes 20 selbst wirksam geschehen. Hilfsweise erfolgt sie auch durch das eingeblasene Gas oder die hineinströmende Flüssigkeit.

Es sei bemerkt, daß die Kühlung mittels Wasser, öl oder Methanol noch eine kleine Verbesserung des Verfahrens ermöglicht. Sollen Schichtdicken von etw^. 02 mm gehärtet werden, so müssen Impulse von einer

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scm langen uauvt, t» u. t\ß iiu, autgvtsi at-iii tt*.iu\.ii. i>\,i so großen Impulsdauern ist jedoch nach Aufhören des Impulses erwartungsgemäß die Kühlwirkung durch die Selbstabschreckung bei den mehr innenliegenden Schichten stärker. Die ganz außenliegenden Schichten der erhitzten Oberflächenelemente bleiben durch die darunterliegenden hocherhitzten Schichten noch länge re Zeit heiß. Sie werden also langsamer abgeschreckt. Das führt dann zu der überraschenden Tatsache, daß bei Her Mikrohärteprüfung die äußerste Schicht eine geringere Härte ergibt als die bei Anwendung etwas höherer Drucke gemessenen etwas tieferen Schichten.

Um diesen Effekt der abnehmenden Härte nach außen zu vermeiden, muß die Wärmeableitungskühlung des Werkstuckes 20 durch Preßluft, Preßgas oder Flüssigkeitskühlung von außen her unterstützt werden. Auf diese Weise entsteht ein homogener Bereich von z. B.

6c 0,2 bis 03 mm mit gleichmäßiger Härte, die leicht bei serienmäßiger Produktion von z.B. Bandsägen aus Kohlenstoffstahl 950 kp/mm² betragen kann, wenn über den ganzen Härtequerschnitt gemessen wird. Das Verfahren benötigt keinerlei nachträgliche Erwärmung,

*s wie sie sonst bei spontanem Abschrecken notwendig ist, um Vereprodungsbpjche zu vermeiden. Die erzeugten weißen Schichten sind sehr elastisch und haben niemals die Tendenz, spröde zu brechen. Eine nachträgliche

thermische Behandlung ist daher auch nicht zu empfehlen. Die auf diese Weise nach dem hier beschriebenen Verfahren mit der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Härtegefüge sind so stabil, daß ihr Zerfall in das übliche, dem s Material eigene -.nartensitische Grundgefüge, mikroskopisch erst bei einer über eine Zi*it von 6 Stunden einwirkenden Temperatur von 450" C beobachtet werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ro betrifft eine weitere Automatisierung. In der Praxis ist es oft sehr schwierig, die optimale Härtetemperatur bei schwankender Werkstückqualität in der Großserie einzuhalten. Zur automatischen Einhaltung der Temperatur dient eine kleine Hilfseinrichtung, die sich hervorragend bewährt hat. Das Werkstück 20 soll hier eine Säge sein. Der Induktor 17, der Teile der Sägespitzen härten soll, umschließt z. B. beidseitig mit je einer Windung einer, vcrbeüstiiender; Sägezahn. Das Sägeblatt löst mittels einer Lichtschranke, wie in F i g. 3 dargestellt, automatisch die Impulse aus. Die Hilfseinrichtung schaltet mittels der Lichtschranke nur den Anfang des Impulses ein. Der Impuls wird jedoch bewußt zu lang gewählt und durch eine elektronische Abschaltvorrichtung, z. B. ein parallelgeschaltetes Ignitron oder einen Hochspannungsthyratron 59 kurzgeschlossen.

Zu diesem Zweck wird die Wärmestrahlung, die von dem impulserhitzten Oberflächenelement 50 des Werkstückes 20 ausgeht, in einem Strahlengang 51 über eine Optik 52 und ein kritisches Filter 53 auf einer Fotodiode 54 abgebildet, die in an sich bekannter Weise mit einer Stromversorgungsquelle 55 und einem Arbeitswiderstand 56 versehen ist. Die Impulse aus dieser Fotodiode 54 können in einem Spezialverstärker 57 so aufbereitet werden, daß nach Erreichen einer kritischen Spannung ein Impuls in die Leitung 58 abgegeben wird. Auf diese Weise wird der Impuls an der Röhre 3 zum spontanten Verschwinden gebracht, indem — rein gedanklich gesehen — z. B. der Schalter 24 geöffnet wird. In der Praxis wird hierzu besser ein kurzschließendes Thyraf rrm ^Q vprwpnrtpt da« i.ji sich aus der Literatur bekannt ist. Das Thyratron 59 nimmt anstelle der Röhre 3 den restlichen Strom des Impulses auf und ist in F i g. 1 als Hilfsvorrichtung skizziert. Durch den Impuls auf der « Leitung 58 kann beispielsweise das Gitter eines Wasserstoff-Thyratrons 59, das eine Emission von mehr als 300 Amp. besitzt und eine Spitzenspannung von 15 bis 20 kV aushält, ohne große Schwierigkeiten gezündet werden. Auf diese Weise geht der restliche Strom des Impulses statt durch die Oszillatorröhre 3 ober das Wasserstoff-Thyratron 59.

Wenn das Filter 53, z. B. als leichtes Blaufilter, so gewählt wird, daß erst bei einer Farbtemperatur von mehr als 1200° C, die der als Optimum gefundenen Härtetemperatur des jeweilig zu härtenden Stahls entspricht, eine Lichtemission durchgelassen wird, steigt der Fotostrom in der Fotodiode 54 sehr spontan an. Auf diese Weise wird auch bei dieser Impulshäftung vollautomatisch trotz stark schwankender Oberflächenstrukturen eine stets gleichbleibende Härtetemperatur eingehalten. Erforderlich ist lediglich, daß die Abbildungsoptik 52 mit dem Oberflächenelement 50 und der Fotodiode 54 so zusammenarbeitet, daß nur ein kleiner, jedoch repräsentativer Teil der erhitzten Zone auf der Fotodiode 54 abgebildet wird. Als Material für das Filter 53 steht entsprechend dem jetzigen Stand von Orange-, Grün- und Blaufiltern eine große Auswahl iur Verfügung; die entsprechend der gewünschten Härtetemperatur ausgewählt und eingesetzt werden können.

Der Härteimpulsverlauf ist in Fig. 7 nochmals in Abhängigkeit vom zugeordneten Impulsstrom la dargestellt. Am Zeitpunkt a) startet die Lichtschranke oder auch ein Kontakt die Auslösung des Impulses, z. B. durch Betätigung des elektronischen Schalters 14. Der Impuls würde nach der normalerweise fest eingestellten Entladungszeit mit der hinteren Flanke b) abfallen. Durch die thermisch die Temperatur messende Fotodiode 54 wird jedoch bereits am Punkt c^das Thyratron 59 gezündet, so daß vorzeitig, nämlich nach Erreichen der eingestellten Temperatur, der Impuls zusammenbricht. Eine Verzögerungsschaltung im Verstärker 57 bringt anstelle von c) ein wenig später, wie unter d) skizziert, den Impuls zum Verschwinden. Auf diese Weise wird nach Erreichen der gewünschten Oberflächentemperatur eine gewisse Zeit zwischen c und d dem Impuls zusätzlich Zeit gegeben zum Aufheizen tieferer Oberflächenelemente durch Wärmeleitung.

Die im Oberbegriff des Hauptanspruchs geforderte sehr rasch verschwindende, d.h. spontan abfallende hintere Flanke des Erhitzungsimpulses Kann also mit sehr einfachen Schaltmaßnahmen durch den spontanten Kurzschluß der Röhre 3 mit Hilfe des Wasserstoff thyratrons 59 (anstelle des Wasserstoffthyratrons sind auch Hochspannungsignitrons brauchbar) realisiert werden. Bei dieser Anordnung sind besondere kritische Schaltungen zur Erzeugung von Rechteckimpulsen nicht notwendig, da die kurzgeschlossene Röhre 3 diesen Effekt bewirkt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen extrem feinkörniger metallischer Oberflächengefüge durch induktive Hochfrequenzaufheizung rait kürzer als 0,1 Sekunden einwirkenden Impulsen und nachfolgender Eigenabschreckung durch Verwendung von rechteckig programmierten Leistungsimpulsen mit extrem steiler hinterer Flanke entsprechend einer Abfallzeit von weniger als 1% der Impulseinwirkzeit gemäß dem Verfahren nach Patent 19 57 884.8, bestehend aus einem Hochfrequenzgenerator, wenigstens einem Schwingkreis und einem Induktor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: