Induktionshärten – schnelle und zielgerichtete Erwärmung direkt am Werkstück

Modern, materialschonend, maschinell – induktionshärten birgt gegenüber herkömmlichen Erhitzungsverfahren erhebliche Vorteile. Denn beim Induktionshärten wird die Hitze nur dort erzeugt, wo sie im Werkstück auch benötigt wird. Das präzise Verfahren verbraucht deutlich weniger Energie als konventionelle Erwärmungsmethoden mit Flamme oder Ofen. Zudem kann das Induktionshärten sehr präzise über die Leistung, Frequenz und die Induktorgeometrie gesteuert werden. Dank kürzester Erwärmungszeit ist diese Form der Metallverarbeitung auch noch äußerst wirtschaftlich und stellt damit – vor allem für den industriellen Bereich – ein sehr interessantes Verfahren dar.

Wie funktioniert Induktionshärten?

Beim Induktionshärten spielt die elektromagnetische Induktion eine entscheidende Rolle. Um das zu bearbeitende Werkstück wird ein sogenannter Induktor (Spule aus Kupfer) angelegt, der für die selektive Erhitzung des zu bearbeitenden Metalls sorgt. Dies geschieht durch das Erzeugen einer Wechselspannung an dem Induktor . Diese elektrische Spannung induziert Wirbelströme, die das Material durch seinen elektrischen Widerstand selektiv erhitzen. Die Eindringtiefe der Induktion ist dabei von der Frequenz der Wechselspannung abhängig – je höher die Spannung frequentiert ist, desto weniger tief dringt die Hitze in das Werkstück ein. Die Energiequelle muss dabei an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden, damit die Frequenz optimal auf das gewünschte Härtebild abgestimmt ist.

Induktionshärten funktioniert also ganz ähnlich wie ein moderner Induktionsherd. Der Erwärmungsgrad des Metalls wird dabei komfortabel und präzise über die Stromstärke am Induktor beeinflusst. Einen Unterschied gibt es allerdings – damit das Werkstück nicht komplett durcherhitzt, bleibt die Dauer der Wechselstromzufuhr beim induktionshärten auf wenige Sekunden begrenzt. So werden zu große Temperaturunterschiede vermieden, die sich negativ auf das zu verarbeitende Material auswirken könnten. Da die Werkstücke direkt nach dem Härten mit Wasser abgeschreckt werden, wird der Stahl zusätzlich vor Verzügen geschützt.

Die unterschiedlichen Frequenzbereiche beim Induktionshärten:

• Niederfrequenz: 1–7 kHz
• Mittelfrequenz: 8–40 kHz
• Hochfrequenz: 60–500 kHz

eldec bietet für alle drei Frequenzbereiche Energiequellen mit modernster Umrichtertechnologie an, um so ganz gezielt unterschiedliche Leistungsdichten an der Werkstückoberfläche zu generieren.

Für welche Werkstoffe eignet sich Induktionshärten?

Das Induktionshärten ist eine Unterform des Randschichthärtens. Deshalb eignen sich dafür alle Vergütungsstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,3 %. Eine Übersicht der entsprechenden Stahlarten bietet die DIN EN 10083. Besonders geeignet sind Vergütungsstahlarten mit niedrigem Legierungsgehalt (C35, C45, C60 etc.). Auch Stahlguss, Grauguss und Temperguss können induktiv gehärtet werden. Da dieses Härteverfahren primär zur Aushärtung von komplexen Werkstoffgeometrien verwendet wird, die im Betrieb starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, werden vor allem Kurbelwellen, Zahnräder, Bolzen und Walzen aus Stahl induktionsgehärtet.
Die Methode wird aber auch bei der Herstellung von Werkzeug eingesetzt, z. B. um die Stabilität von Schnittkanten zu erhöhen und die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Arbeitsmittel zu steigern. Dafür werden die Materialien in der Induktionshärterei auf Temperaturen von ungefähr 800 bis 900 Grad Celsius erwärmt, abhängig vom Kohlenstoffgehalt. Da beim Induktionshärten mit einer höheren Temperatur gearbeitet wird als bei anderen Verfahren, sind die Ergebnisse entsprechend hochwertig. Das Härten per Induktion hat aber auch noch andere wesentliche Vorteile.

Welche Vorteile bringt die Oberflächenhärtung per Induktion?

Durch partielles Härten eines Bauteils bietet das Induktionsverfahren einige Vorzüge gegenüber anderen Methoden. Zunächst zeichnet sich die gezielte Wärmebehandlung per Wechselspannung durch hohe Energieeffizienz aus. Die punktuelle und schnelle Erwärmung verbraucht deutlich weniger Rohstoffe als konventionelles Einsatzhärten. Sie lässt sich auch besser in laufende Produktionsprozesse integrieren. Die hohe Wirtschaftlichkeit des Induktionshärtens macht sich vor allem dadurch bemerkbar, dass der logistische Aufwand insgesamt verringert wird, da Bauteile zum Härten nicht mehr in externe Betriebe gebracht werden müssen.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die umwelt- und ressourcenschonenden Aspekte der Induktionshärtung. Da die genutzte Wärme flammenlos generiert wird, fallen in einer induktiven Härterei kaum Abgase an – die Fertigung kommt komplett ohne explosive oder giftige Stoffe aus. Außerdem wird das Bauteil durch induktive Erwärmung nicht so stark beansprucht wie bei anderen Verfahren. Da die Einhärtungstiefe zudem individuell und genau bestimmt werden kann, ist Induktionshärten sehr präzise.

Vorteile des Induktionshärtens im Überblick:

• Hervorragende Härteprozesssteuerung
• Sehr flexibel einsetzbar
• Minimaler Platzbedarf
• Minimale Erwärmungszeiten
• Konturtreue Härteergebnisse
• Minimierung von Verzügen in den Bauteilen
• Optimaler Einsatz in Fertigungssystemen
• Hohe Prozesssicherheit
• Sehr gute Energieeffizienz
• Sicheres und schnelles Härteverfahren

Mit der Simultaneous Dual Frequency, auch SDF® genannt, bietet eldec ein ganz besonderes Härteverfahren an, das vor allem bei komplexen Werkstückgeometrien zur Anwendung kommt. Eine Mittelfrequenz wird dabei von einer Hochfrequenz überlagert, sodass beide Frequenzen gleichzeitig auf das Bauteil wirken. Diese Technologie sorgt dafür, dass z. B. bei Zahnrädern bestimmte Bereiche gleichmäßig erwärmt werden, obwohl diese unterschiedlich weit vom Induktor entfernt sind. Mit der SDF®-Härtung kann eine Oberfläche die erforderliche Temperatur an Zahnfuß und Zahnkopf erreichen, sodass das komplette Werkstück konturentreu durchgehärtet wird. Das Ergebnis: absolute Präzision, gleichmäßige Tiefe und Temperaturhöhe.

Weitere Informationen:
eldec bietet ein breites Spektrum von Generatoren für das Induktionshärten an. Die Maschinen zeichnen sich durch hohe Leistung bei sehr kompakter Bauform und einer hochpräzisen Frequenzsteuerung aus. Vor allem bei anspruchsvollen Härteaufgaben machen genau diese Eigenschaften oft den Unterschied aus. Mit der MIND-Baureihe hat eldec induktive Härtemaschinen im Programm, die sich durch modulare Bauweise und geringe Investitionskosten auszeichnen. In allen eldec Induktionshärtemaschinen kommen Generatoren der Firma eldec zum Einsatz.