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DE102015211901B4 - Induktor für eine Induktionshärteanlage - Google Patents

Induktor für eine Induktionshärteanlage Download PDF

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DE102015211901B4
DE102015211901B4 DE102015211901.7A DE102015211901A DE102015211901B4 DE 102015211901 B4 DE102015211901 B4 DE 102015211901B4 DE 102015211901 A DE102015211901 A DE 102015211901A DE 102015211901 B4 DE102015211901 B4 DE 102015211901B4
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Abstract

Induktor (6) für eine Induktionshärteanlage (100) mit einem Heizelement (8) zum Erwärmen eines zu härtenden Werkstücks (2) in einer Aufheizzone (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) eine erste Induktionsspule (24) und eine zweite Induktionsspule (26) aufweist, wobei zwischen der ersten Induktionsspule (24) und der zweiten Induktionsspule (26) eine Gasaustrittsvorrichtung (28) angeordnet ist, und wobei nachfolgend der zweiten Induktionsspule (26) integral am Induktor (6) eine Abschreckvorrichtung (10) angeordnet ist.

Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft einen Induktor für eine Induktionshärteanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie eine derartige Induktionshärteanlage und ein Verfahren zum induktiven Härten von Werkstücken.
  • Beim Härten der Laufbahnen von Lagerringen, insbesondere von Großwälzlagern, wird heutzutage üblicherweise ein Induktionshärteverfahren eingesetzt, bei dem die Laufbahnen mittels eines Induktors über Induktion erwärmt und dann mit einer aus einer Abschreckbrause strömenden Kühlflüssigkeit abgeschreckt werden. Verschiedene Induktionshärteverfahren und Induktoren sind aus dem Stand der Technik beispielsweise DE 36 09 792 A1 , DE 10 2011 110 060 A1 , EP 1 359 230 B1 , WO 2016 / 006 253 A1 , EP 2 458 023 B1 , oder JP H06- 200 326 A bekannt. Dabei wird insbesondere bei großen Lagerringen die Laufbahn selektiv in dem Teilbereich des Induktors auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und mittels der Abschreckbrause schnell auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur abgekühlt, so dass in einer Außenschicht der Laufbahn eine Umwandlung in ein Austenitgefüge erfolgt, während in einem Innenbereich das initiale Ausgangsgefüge verbleibt. Dadurch kann erreicht werden, dass die Laufbahn hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann, gleichzeitig kann jedoch über den nicht austenitisierten Innenbereich sichergestellt werden, dass der Lagerring seine vorbestimmte Duktilität behält und über eine ausreichende Stabilität gegenüber Rissbildung verfügt.
  • Um diese selektive Erwärmung zu erreichen, werden Induktoren verwendet, die relativ zum Werkstück, insbesondere dem Lagerring, bewegt werden. Dabei kann entweder der Induktor oder das Werkstück verfahren werden. Weiterhin sind die Induktoren für ein optimales Ergebnis an die Kontur des zu behandelnden Werkstücks angepasst.
  • Dabei umfasst ein Induktor üblicherweise eine Induktionsspule zum Erhitzen des Werkstücks und eine Abschreckbrause, mit der der erwärmte Bereich abgeschreckt wird. Dazu wird, wie oben erwähnt eine Kühlflüssigkeit verwendet, die die Temperatur in dem erwärmten Bereich schnell von der Austenitisierungstemperatur auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur bringt, wodurch der Martensitumwandlungsprozess weitestgehend abgeschlossen ist. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass das flüssige Kühlmedium beim Betrieb des Induktors nicht die Aufheizzone der Induktionsspule erreicht, da sonst auf Grund einer durch Verdunstung bedingten Temperaturschwankung verstärkte Rissbildung auftreten kann oder unerwünschte Gefügeumwandlungen entstehen können.
  • Es wurde deshalb vorgeschlagen, wie beispielsweise in der DE 10 2010 002 531 A1 beschrieben, das flüssige Kühlmedium mittels eines Kühlgases zu einem Kühlnebel zu zerstäuben, der instantan auf dem aufgeheizten Werkstück verdampft und dadurch sich nicht mehr als Flüssigkeit auf dem Werkstück niederschlagen kann.
  • Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist jedoch, dass die Verwendung eines Kühlnebels bei Induktoren, die relativ zum Werkstück verfahren werden, nicht möglich ist, da sich der Kühlnebel unkontrolliert auch auf die eigentlich zu erhitzenden Flächen absetzen kann. Dadurch wird die Aufheizzone derart stark abgekühlt, dass den Induktoren deutlich mehr Energie zugeführt werden muss, um die benötigte Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur in der Aufheizzone des Werkstücks zu erreichen.
  • Alternativ ist auch bekannt, zwischen Induktionsspule und Abschreckbrause, oder, wie in der Druckschrift DE 10 2013 101 057 A1 beschrieben, vor der Induktionsspule eine Sperrluftdusche zu verwenden, die einen Sperrluftvorhang bereitstellen soll, der für eine Begrenzung des Kühlflüssigkeitseintrags in der Aufheizzone sorgen soll.
  • Bei den Vorrichtungen mit Sperrluft hat sich jedoch gezeigt, dass die Abschreckbrause und die Induktionsspule sehr weit voneinander getrennt sein müssen, damit die Sperrluft eine ausreichende Wirkung entfalten kann. Dadurch ist die Zeit zwischen Aufheizen und plötzlichem Abkühlen für einen optimalen Härteprozess zu lang. Bei einer Anordnung der Sperrluftdusche vor der Induktionsspule dagegen sorgt die Sperrluft für eine Abkühlung des zu härtenden Werkstücks, die unbedingt zu vermeiden ist
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, einen Induktor bereitzustellen, der verhindert, dass Kühlmittel der Abschreckvorrichtung in den Bereich der induktiven Erwärmung rückwirkt, aber gleichzeitig ein Abkühlen des Werkstücks verhindert.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Induktor gemäß Patentanspruch 1, eine Induktionshärteanlage gemäß Patentanspruch 7, sowie ein Verfahren zum Induktionshärten gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein Induktor für eine Induktionshärteanlage mit einem Heizelement zum Erwärmen eines zu härtenden Werkstücks in einer Aufheizzone vorgeschlagen, wobei das Heizelement eine erste und eine zweite Induktionsspule aufweist, zwischen denen eine Gasaustrittsvorrichtung, insbesondere eine Kühlgasaustrittsvorrichtung, angeordnet ist. Dabei sorgt die Gasaustrittsvorrichtung erfindungsgemäß dafür, dass die Aufheizzone von einem Kühlflüssigkeitseintrag einer nachfolgend angeordneten Abschreckvorrichtung freigehalten wird, da das Gas bei Auftreffen auf das zu behandelnde Werkstück von der Oberfläche des Werkstücks abgelenkt wird, wodurch ein gerichteter Gasstrom entsteht, der die Kühlflüssigkeit von der Aufheizzone abhält. Dabei ist insbesondere zu bemerken, dass die Gasaustrittsöffnung nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, bei der Abschreckbrause angeordnet ist, sondern eigentlich in der Heizzone der Induktionsspulen. Dadurch kann die Abschreckvorrichtung in größerer räumlicher Nähe zu den Induktionsspulen angeordnet werden als im Stand der Technik, wodurch die Zeit zwischen Erhitzen und Abschrecken verkürzt und ein besseres Härteergebnis erzielt werden kann.
  • Die Abkühlung im Bereich der Heizzone aufgrund des Gasstromes ist dagegen nicht so extrem wie bei der Gasaustrittsvorrichtung Anordnung der vor der Induktionsspule, die einen sehr großen Gasstrom erfordert, oder wie bei der Verwendung von dem ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Kühlnebel, dessen Verdunstungskälte einen so großen Einfluss hat, dass im Bereich der Heizzone eine sehr starke Abkühlung auftritt. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass sogar eine Abkühlung des Werkstücks im Bereich der Gasaustrittsöffnung auf eine Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur tolerierbar ist. Lediglich ein Temperaturabfall unterhalb der Martensit-Starttemperatur, wie beim Abschrecken, würde sich sehr negativ auf die Energiebilanz und die Gefügeausbildung auswirken.
  • Wie ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zeigt, kann die Gasaustrittsvorrichtung sogar als Kühlgasaustrittsvorrichtung ausgebildet sein, durch die Kühlgas an das Werkstück geführt wird. Da die Gasaustrittsvorrichtung zwischen den beiden Induktionsspulen angeordnet ist, trifft der durch sie austretende Gasstrom auf durch die Induktionsspule erwärmte Flächen. Dabei hat sich gezeigt, dass die Gasablenkströmung an der Oberfläche des Werkstücks durch die zusätzliche thermodynamische Komponente beim Einsatz eines Kühlgases verstärkt werden kann, so dass eine besonders gute Gasströmung zur Freihaltung der zu erwärmenden Flächen von der Kühlflüssigkeit erzielt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist für eine besonders gute und gezielte Aufbringung von Gas auf die Oberfläche des Werkstücks weiterhin vorteilhaft, wenn die Gasaustrittsvorrichtung mindestens eine Gasdüse aufweist, durch die das Gas, insbesondere Druckluft, auf das zu härtende Werkstück leitbar ist. Durch diese Gasdüse entsteht ein sehr gerichteter Gasstrom, der bei Auftreffen auf die Oberfläche des Werkstücks zu einer starken Ablenkströmung führt, die zuverlässig einen Kühlflüssigkeitseintrag in die Heizzone verhindern kann.
  • Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst der Induktor nachfolgend der zweiten Induktionsspule eine Abschreckvorrichtung für eine Abschreckung mittels einer Kühlflüssigkeit. Dabei kann die Abschreckvorrichtung neben den Austrittsöffnungen für die Kühlflüssigkeit auch über Austrittsöffnungen für ein Kühlgas verfügen, wobei das Kühlgas für eine Vorkühlung des Werkstücks vor dem eigentlichen Abschrecken durch die Kühlflüssigkeit sorgt. Dadurch kann ein Induktor bereitgestellt werden, der alle für das Induktionshärteverfahren nötigen Elemente an einer Stelle integriert. Da zudem sichergestellt ist, dass durch die zwischen erster und zweiter Induktionsspule angeordnete Gasaustrittsvorrichtung kein Flüssigkeitseintrag der Kühlflüssigkeit in die Heizzone der zwei Induktionsspulen stattfindet, ist es möglich, die Abschreckvorrichtung in direkter Nachbarschaft zu der zweiten Induktionsspule anzuordnen. Dadurch kann insgesamt das Induktionshärteverfahren beschleunigt werden und die Zeitspanne zwischen Erhitzen und Abschrecken optimiert werden, so dass eine verbesserte Härtung des Werkstücks erzielt werden kann.
  • Dabei sei insbesondere anzumerken, dass die kühlende Wirkung des Gasstroms, der aus der Gasaustrittsvorrichtung austritt, keine negative Auswirkung auf den Härteprozess hat. Da, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, eine durch die Gasaustrittsvorrichtung tretende Gasmenge einstellbar ist, kann der Temperaturabfall im Bereich der Gasaustrittsöffnung gesteuert und überwacht werden. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Gasmenge derart gesteuert wird, dass ein Temperaturabfall in dem Bereich der Gasaustrittsöffnung nicht unter eine Martensit-Starttemperatur fällt. Gleichzeitig hat sich jedoch gezeigt, dass ein Temperaturabfall unter die Austenitisierungstemperatur toleriert werden kann und keinen negativen Einfluss auf die Härtung hat. Das tatsächliche Abschrecken auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur erfolgt mittels der mit der Abschreckvorrichtung aufgebrachten Kühlflüssigkeit, da mit einer Gaskühlung die erforderliche sehr schnelle Abkühlung auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur nicht erreicht werden kann.
  • Vorzugsweise wird als Gas Druckluft verwendet, die einen ausreichenden großen Gasstrom erzeugt, um zu verhindern, dass Kühlflüssigkeit aus der Abschreckvorrichtung in die Aufheizzone eintritt.
  • Da eine derartige Vorrichtung insbesondere zum Härten von Lagerringen, beispielsweise für Großwälzlager einsetzbar ist, ist weiterhin vorteilhaft, wenn der Induktor eine Geometrie aufweist, die als Negativkontur eines Lagerrings, insbesondere eines Lagerrings mit mindestens einem Bord, ausgebildet ist. Im Prinzip kann diese Vorrichtung jedoch auch bei der induktiven Abhärtung jedes anderen Bauteils verwendet werden.
  • Soll ein Lagerring mit einem Bord mittels des oben beschriebenen Induktors gehärtet werden, so hat sich gezeigt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Gasaustrittsvorrichtung in einem Bereich der Geometrie angeordnet ist, der der Negativkontur des mindestens einen Bords entspricht. Dabei hat sich gezeigt, dass durch die Strömungsablenkung des Gasstroms an dem Bord des Lagerrings die seitliche Abströmung entlang der Oberfläche des Lagerrings in Richtung Abschreckvorrichtung verstärkt werden kann, so dass eine besonders zuverlässige Sperrwirkung gegen einen Kühlflüssigkeitseintrag erreicht werden kann.
  • Ein weiterer Aspekt vorliegender Erfindung betrifft eine Induktionshärteanlage mit mindestens einem, vorzugsweise verfahrbar angeordneten, oben beschriebenen Induktor.
  • Noch ein weiterer Aspekt vorliegender Erfindung betrifft ein Verfahren zum Induktionshärten eines metallischen Werkstücks mittels eines oben beschriebenen Induktors, oder mittels einer oben beschriebenen Induktionshärteanlage, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • Erwärmen mindestens eines Teilbereichs des Werkstücks mittels der ersten Induktionsspule und der zweiten Induktionsspule auf eine Temperatur T1 oberhalb einer Austenitisierungstemperatur des Werkstücks;
    • Abschrecken zumindest des Teilbereichs des Werkstücks mittels einer von einer Abschreckvorrichtung aufgebrachten Abschreckflüssigkeit auf eine Temperatur T2 unterhalb einer Martensit-Starttemperatur; und
    • Verhindern eines Eintrags einer Abschreckflüssigkeit in den zu erwärmenden Teilbereich des Werkstücks durch Aufbringen eines Gasstroms, insbesondere eines Druckluftstroms mittels einer Gasaustrittsvorrichtung, die zwischen der ersten Induktionsspule und der zweiten Induktionsspule angeordnet ist.
  • Vorteilhafterweise ermöglicht dabei das Verfahren, dass zum einen das Werkstück innerhalb der optimierten Zeitvorgaben auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird bzw. auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Temperatur abgeschreckt werden kann, wodurch das Härtverfahren optimiert werden kann. Zum Erwärmen dienen, wie bekannt, die erste und zweite Induktionsspule, während die Abschreckvorrichtung für ein schlagartiges Abkühlen und je nach verwendetem Werkstoff eine weitestgende Beendigung der Stahlgefügeumwandlung sorgt. Gleichzeitig kann aber über das Vorsehen der Gasaustrittsöffnung ein Eintrag der Kühlflüssigkeit in den zu erwärmenden Teilbereich des Werkstücks verhindert werden. Da die Gasaustrittsvorrichtung zwischen der ersten und zweiten Induktionsspule angeordnet ist, kann dank der Sperrwirkung des Gasstroms die Abschreckflüssigkeit direkt anschließend an die Erwärmung aufgebracht werden, so dass der Abschreckvorgang schneller als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Induktoren stattfinden kann.
  • Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt, dass eine über die Gasaustrittsvorrichtung eingebrachte Gasmenge derart eingestellt wird, dass ein durch das Aufbringen des Gasstroms bedingter Temperaturabfall oberhalb der Martensit-Starttemperatur liegt, so dass ein tatsächliches Abschrecken und ein Stoppen des Umwandlungsprozesses erst mittels der Abschreckvorrichtung erreicht wird. Dennoch kann dabei ein Temperaturabfall in einem Bereich unterhalb der Austenitisierungstemperatur toleriert werden. Durch diese Toleranz kann erreicht werden, dass ein maximaler Luftstrom auf das Werkstück aufgebracht werden kann, der sicherstellt, dass ein Flüssigkeitseintrag in den zu erwärmenden Teilbereich zuverlässig verhindert werden kann.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellt. Dabei ist eine Kombination der Merkmale in der Beschreibung sowie in den Zeichnungen rein exemplarisch und es ist für einen Fachmann klar, dass Merkmale, nicht zwangsläufig in der angegebenen Kombination vorliegen müssen, sondern auch einzeln oder anders als angegeben miteinander kombiniert vorliegen können, ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird.
  • Im Folgenden wird das Prinzip der Erfindung anhand von einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind dabei rein exemplarischer Natur und sollen nicht den Rahmen der Erfindung festlegen. Dies gilt insbesondere für in Kombination dargestellte Merkmale, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als einzeln stehende Merkmale realisiert werden können. Der Schutzbereich der Anmeldung ist allein über die anhängigen Ansprüche definiert.
  • Es zeigen:
    • 1: eine schematische Aufsicht auf eine Induktionshärteanlage für Lagerringe;
    • 2: eine schematische Schnittansicht durch einen Induktor, der an einem zu härtenden Lagerring angeordnet ist; und
    • 3: eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines bei der in 1 dargestellten Induktionshärteanlage verwendeten Induktors in perspektivischer Ansicht.
  • Im Folgenden werden gleiche bzw. gleichartige Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Induktionshärteanlage 100 für große Lagerringe 2. Bei einer derartigen Induktionshärteanlage 100 ist der Lagerring 2 üblicherweise horizontal angeordnet, wobei an seiner Laufbahn 4 Induktoren 6-1, 6-2 angeordnet sind, die den Lagerring 2 entlang fahren (siehe Pfeile), um sequenziell die Laufbahn 4 zu erhitzen und anschließend abzuschrecken. Dabei bewegen sich die Induktoren 6-1, 6-2 entlang des Umfangs des Lagerrings 2 bis sie eine Position in etwa 180° entfernt von ihrer Startposition erreicht haben und so der gesamte Lagerring 2 gehärtet ist. Derartige Induktionsanlagen 100 sind aus dem Stand der Technik bekannt und können neben den hier dargestellten Induktoren 6-1, 6-2 weitere Elemente, wie beispielsweise weitere Induktoren 6 oder weitere separate Abschreckbrausen aufweisen, um das Härteverfahren durchzuführen. Die in 1 dargestellten Induktoren 6-1, 6-2 sind erfindungsgemäß ausgebildet und umfassen allgemein ein Heizelement 8, um den Lagerring 2 in einem Teilbereich - in der Aufheizzone 12 - auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur zu bringen, und eine in Bewegungsrichtung - gekennzeichnet durch die Pfeile - nachfolgend angeordnete Abschreckvorrichtung 10, die den erwärmten Teilbereich - in der Abschreckzone 14 - schnell auf eine Temperatur unterhalb einer Martensit-Starttemperatur abschreckt und so den Austenitisierungsvorgang stoppt. Dadurch kann der Wälzlagerstahl des Lagerrings 2 in einem Randbereich in ein Austenitgefüge überführt werden, das für eine große Härte sorgt, während in dem restlichen Lagerring 2 die initiale Stahlstruktur bestehen bleibt, um die gewünschte Duktilität des Lagerrings 2 zu erhalten. In 1 sind schematisch bei den Induktoren die Heizzone 12 und die Abschreckzone 14 eingezeichnet. Bei Verfahren der Induktoren 6 in Richtung der Pfeile erhitzt das Heizelement 8 die Heizzone 12 auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur. Beim weiteren Verfahren der Induktoren in Pfeilrichtung tritt die Heizzone 12 aus dem Einfluss des Heizelements 8 und wird durch die nachfolgend angeordnete Abschreckvorrichtung 10 auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur abgeschreckt und so in die gehärtete Abschreckzone 14 überführt. Gleichzeitig erhitzt das Heizelement 8 bereits den nächsten Teilbereich 16 am Lagerring 2.
  • Um besonders gute Härteergebnisse zu erzielen, sind die erfindungsgemäßen Induktoren 6 in ihrer Kontur als Negativkontur des zu härtenden Werkstücks ausgebildet. So zeigt beispielsweise 2 schematisch eine Schnittansicht durch den Lagerring 2 und den Induktor 6. Wie der Figur zu entnehmen, weist der Lagerring 2 weiterhin an seiner Lauffläche 4 seitlich die Lauffläche 4 begrenzende Borde 18, 20 auf. Um diese Kontur des Lagerrings möglichst nachzuahmen, weist deshalb der Induktor 6 eine der Form von Laufbahn 4 und Borden 18, 20 entsprechende Negativkontur 22 auf, so dass der Induktor 6 über die gesamte Kontur des Lagerrings 2, möglichst nah am Laufring 2 angeordnet werden kann.
  • Ein weitverbreitetes Problem bei den üblichen Induktoren ist, dass die Abschreckvorrichtung 10 üblicherweise mittels einer Kühlflüssigkeit betrieben wird, die jedoch möglichst nicht in den Bereich des Heizelements 8 eintreten soll, um ungleichmäßige Temperaturen, bedingt durch die Verdunstungskälte der Kühlflüssigkeit, in der Aufheizzone 12 zu vermeiden. Da jedoch die Abschreckvorrichtung 10 und die Heizzone 12, wie auch 1 zu entnehmen, räumlich üblicherweise sehr nahe aneinander angeordnet sind, ist eine Vermeidung des Kühlflüssigkeitseintrags in die Heizzone 12 bei den bekannten Induktoren nur sehr schwer zu vermeiden.
  • Der erfindungsgemäße Induktor 6 weist deshalb, wie 3 zu entnehmen, ein zweigeteiltes Heizelement 8 auf, das eine erste Induktionsspule 24 und eine zweite Induktionsspule 26 aufweist. Zwischen der ersten Induktionsspule 24 und der zweiten Induktionsspule 26 sind wiederum Gasaustrittsöffnungen 28 vorgesehen. Durch diese Gasaustrittsöffnungen kann Gas auf die Oberfläche des Lagerrings 2 aufströmen, wird von dieser abgelenkt und bildet so eine starke, die Heizzone 12 freihaltende Gasströmung (siehe Pfeile in 2 und 3). Weiterhin zeigt die räumliche perspektivische Ansicht von 3, dass das Heizelement 8 in Form der Induktionsspulen 24, 26 von einer Trägerkonstruktion 40 getragen ist, an der ebenfalls die Abschreckvorrichtung 10 angeordnet ist. Der Einfachheit halber sind die Versorgungskabel und Schläuche für die Induktionsspulen 24, 26 bzw. die Abschreckvorrichtung 10 nicht dargestellt.
  • Weiterhin zeigt 3, dass die Abschreckvorrichtung 10 zweiteilig ausgebildet ist und eine Abschreckbrause 30 mit Kühlflüssigkeitsdüsen 32, durch die Kühlflüssigkeit zum Abschrecken auf den Lagerring 2 aufgebracht werden kann, aufweist. Weiterhin umfasst die Abschreckvorrichtung 10 Luftaustrittsdüsen 34, die für eine Vorkühlung der Aufheizzone 12 am Lagerring 2 dienen, bevor dieser auf eine Temperatur unterhalb der Martensit-Starttemperatur abgekühlt wird. Zwar stellt auch dieser Gasstrom eine gewisse Sperrwirkung dar, die nicht ausreicht, um zuverlässig zu verhindern, dass Kühlflüssigkeit in die Heizzone 12 eintritt. Die erfindungsgemäßen Gasaustrittsöffnungen 28 dagegen, die zwischen der ersten Induktionsspule 24 und der zweiten Induktionsspule 26 angeordnet sind, ermöglichen, wie den 2 und 3 zu entnehmen ist, dass Gas, das aus den Gasaustrittsöffnungen 28 ausströmt, seitlich entlang des Lagerrings 2, insbesondere der Lauffläche 4 des Lagerrings 2 abströmt und sowohl in axialer Richtung, wie durch die Pfeile in 2 dargestellt, als auch in umfänglicher Richtung, wie durch die Pfeile in 3 dargestellt, abgelenkt wird. Durch die dadurch entstehende Gasströmung wird zuverlässig verhindert, dass Kühlflüssigkeit in die Aufheizzone 8 eintreten kann.
  • Weiterhin hat sich gezeigt, dass bei der Verwendung von relativ kühlem ausströmendem Gas aus den Gasaustrittsöffnungen 28 aufgrund der sich beim Auftreffen auf die erhitzte Oberfläche entstehenden Thermik die Abström- und damit die Sperrwirkung des Gases gegenüber der Kühlflüssigkeit weiter erhöhen kann. Dabei hat sich insbesondere gezeigt, dass bei dem mit dem Ausströmen des Gases zwischen den Induktionsspulen 24, 26 einhergehenden Temperaturabfall in der Aufheizzone 12 des Lagerrings 2 ein Temperaturabfall bis auf eine Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur problemlos tolerierbar ist. Lediglich ist vorteilhaft, wenn die Abkühlung durch den Gasaustritt aus den Gasaustrittsöffnungen 28 nicht bis auf eine Temperatur unter die Martensit-Starttemperatur erfolgt und so der Härteprozess komplett unterbrochen wird.
  • Ein weiterer Vorteil der zwischen erster und zweiter Induktionsspule 24, 26 angeordneten Gasaustrittsöffnungen 28 liegt darin, dass aufgrund der dadurch zuverlässigen Sperrwirkung des Gasstroms die Abschreckvorrichtung 10 räumlich näher an das Heizelement 8 herangebracht werden kann, so dass der Induktor 6 insgesamt kleiner ausgebildet werden kann.
  • Die Anordnung der Gasaustrittsöffnungen 28 kann verschieden zu den in 3 dargestellten Anordnungen sein. So kann beispielsweise die Gasaustrittsöffnung 28 auch in dem Bereich angeordnet sein, in dem ein Bord 18 des Lagerrings 2 zu liegen kommt, wie beispielhaft in 2 dargestellt. Eine derartige Anordnung bewirkt eine besonders gute Sperrwirkung, da die Anströmung an den Bord zu vorteilhaften Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen führen kann.
  • Weiterhin ist es für eine Steuerung des Temperaturabfalls in der Heizzone 12 aufgrund der Gasaustrittsöffnungen 28 möglich, die Gasmenge, die durch die Gasaustrittsöffnungen 28 strömt, genau einzustellen. Die dazu benötigten Vorrichtungen sind nicht dargestellt. Besonders bevorzugt ist für das Ausströmgas die Verwendung von Druckluft, die einfach bereitgestellt und ihre Gasmenge einfach eingestellt werden kann. Außerdem sind keine weiteren Schutzmaßnahmen wie beispielsweise Abzugshauben oder abgeschlossene Räume nötig.
  • Insgesamt können mit dem vorgestellten Induktor eine Induktionshärteanlage und ein Induktionshärteverfahren bereitgestellt werden, mit dem ein Kühlflüssigkeitseintrag in die Aufheizzone 12 zuverlässig verhindert werden kann. Dadurch können Erwärmungsungleichmäßigkeiten aufgrund von verdunstungskältebedingten Stellen an dem zu härtenden Werkstück vermieden werden. Weiterhin sei bemerkt, dass das oben beschriebene Verfahren nicht nur für die dargestellten Lagerringe, sondern auch für andere Werkstücke einsetzbar ist.
  • Bezugszeichenliste
  • 100
    Induktionshärteanlage
    2
    Lagerring
    4, 6
    Induktor
    8
    Erhitzungszone
    10
    Abschreckzone
    12, 14
    erhitzter bzw. zu erhitzender Teilbereich am Lagerring
    16
    Laufbahn des Lagerrings
    18,20
    Borde
    22
    Negativkontur des Induktors
    24
    erste Induktionsspule
    26
    zweite Induktionsspule
    28
    Gasaustrittsöffnungen
    30
    Abschreckbrause
    32
    Kühlflüssigkeitsdüsen
    34
    Kühlgasstromdüsen
    40
    Träger

Claims (10)

  1. Induktor (6) für eine Induktionshärteanlage (100) mit einem Heizelement (8) zum Erwärmen eines zu härtenden Werkstücks (2) in einer Aufheizzone (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8) eine erste Induktionsspule (24) und eine zweite Induktionsspule (26) aufweist, wobei zwischen der ersten Induktionsspule (24) und der zweiten Induktionsspule (26) eine Gasaustrittsvorrichtung (28) angeordnet ist, und wobei nachfolgend der zweiten Induktionsspule (26) integral am Induktor (6) eine Abschreckvorrichtung (10) angeordnet ist.
  2. Induktor (6) nach Anspruch 1, wobei die Gasaustrittsvorrichtung (28) mindestens eine Gasdüse aufweist durch die Gas, insbesondere Druckluft, auf ein mittels des Induktors (6) induktiv zu härtendes Werkstück (2) leitbar ist.
  3. Induktor (6) nach Anspruch 2, wobei die Abschreckvorrichtung (10) eine Abschreckbrause (30) mit mehreren Austrittsöffnungen (32) für eine Kühlfüssigkeit und/oder mehreren Austrittsöffnungen (34) für ein Kühlgas, insbesondere für Druckluft, umfasst.
  4. Induktor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine durch die Gasaustrittsvorrichtung (28) tretende Gasmenge einstellbar ist.
  5. Induktor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Geometrie (22) des Induktors (6) als Negativkontur eines Lagerrings (2), insbesondere eines Lagerrings (2) mit mindestens einem Bord (18, 20) ausgebildet ist.
  6. Induktor (6) nach Anspruch 5, wobei die Geometrie (22) des Induktors (6) der Negativkontur eines Lagerrings (2) mit mindestens einem Bord (18, 20) entspricht und die mindestens eine Gasaustrittsvorrichtung (28-1) in einem Bereich der Geometrie (22) angeordnet ist, der der Negativkontur des mindestens einen Bords (18, 20) entspricht.
  7. Induktionshärteanlage (100) mit mindestens einem, vorzugsweise verfahrbar angeordneten, Induktor (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zum Induktionshärten eines metallischen Werkstücks (2) mittels eines Induktors (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder mittels einer Induktionshärteanlage (100) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Erwärmen zumindest eines Teilbereichs (12) des Werkstücks (2) mittels des ersten Induktors (24) und zweiten Induktors (26) auf eine Temperatur T1 oberhalb einer Austenitisierungstemperatur des Werkstücks (2); - Abschrecken zumindest des Teilbereichs (14) des Werkstücks (2) mittels einer von einer Abschreckvorrichtung (10) aufgebrachten Kühlflüssigkeit auf eine Temperatur T2 unterhalb einer Martensit-Starttemperatur; und - Verhindern eines Eintrags der Kühlflüssigkeit in den zu erwärmenden Teilbereich (12) des Werkstücks (2) durch Aufbringen eines Gasstroms, insbesondere Druckluftstroms mittels einer Gasaustrittsvorrichtung (28), die zwischen der ersten Induktionsspule (24) und der zweiten Induktionsspule (26) angeordnet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Aufbringen des Gasstroms folgenden Schritt umfasst: Einstellen einer eingebrachten Gasmenge derart, dass ein durch das Aufbringen des Gasstroms bedingter Temperaturabfall in dem Teilbereich (10) des zu behandelnden Werkstücks (2) zu einer Temperatur führt, die oberhalb der Martensit-Starttemperatur liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei beim Aufbringen des Gasstroms auf den Teilbereich (10) ein Temperaturabfall in einen Bereich unterhalb der Austenitisierungstemperatur toleriert wird.
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