Härteprozesse & Wärmebehandlung: Härtefall gelöst

Induktive Härteprozesse führen zu einer oberflächennahen Gefügeumwandlung von Stahlbauteilen. Die elektromagnetisch-thermisch-strukturmechanisch gekoppelte Simulation dieser Verfahren ermöglicht eine Prognose über die resultierenden Härteprofile sowie eine Optimierung der elektrischen und geometrischen Parameter des zum Einsatz kommenden Induktors.

Exklusiv in KEM Der Autor: Dr.-Ing. Jörg Neumeyer, Berechnungsingenieur, Cadfem GmbH, Hannover

Die induktive Erwärmung findet heutzutage ein großes Anwendungsfeld im Bereich der metallverarbeitenden Unternehmen. Im Vergleich zu konventionellen Erwärmungsprozessen bieten Induktionsprozesse die besonderen Vorteile sehr hoher Leistungsdichten, großer Aufheizgeschwindigkeiten von bis zu mehreren Hundert Kelvin pro Sekunde sowie der gezielten Energieeinbringung. Hochleistungsbauteile – beispielsweise aus dem Automobilbereich – müssen für eine lange Haltbarkeit einen hohen Widerstand sowohl gegen Reib- als auch gegen Stoßbelastung aufweisen. Die fokussierte Materialhärtung des Randschichtbereichs bei gleichzeitiger Beibehaltung der Duktilität (Verformbarkeit) im Innenbereich des Bauteils erfüllt genau diese Anforderungen.

Beim induktiven Randschichthärten wird ein Induktor, der auf das zu härtende Gut geometrisch angepasst wurde, mit einem hochfrequenten Wechselstrom gespeist. Der Induktor generiert damit ein magnetisches Wechselfeld. Befindet sich ein elektrisch leitfähiges Material im Einflussbereich des Magnetfeldes, wird ein Strom induziert, der über Joule’sche Verluste die benötigte Erwärmung liefert. Unter Einsatz von Feldführungselementen (Elektrobleche oder auf Kunststoffbindebasis) lassen sich der elektromagnetische Wirkungsgrad der Anordnung und die Aufheizgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Der induzierte Strom fließt, entsprechend der vorliegenden elektromagnetischen Effekte (Skineffekt, Proximityeffekt), lediglich an der Oberfläche bzw. Randschicht des Werkstücks und sorgt damit auch nur in diesen Bereichen für eine Erwärmung. Mit steigender Frequenz verstärkt sich der Effekt, sodass sich mit hohen Frequenzen besonders dünne Randschichten aufheizen lassen.

Unter der Voraussetzung eines (äquivalenten) Kohlenstoffgehalts von mindestens 0,3 % entsteht ein gehärtetes Martensitgefüge in den Bereichen, die die Austenitisierungstemperatur (ca. 800 °C) überschritten haben und nach der Erwärmung innerhalb weniger Sekunden wieder auf ein geringes Temperaturniveau abgekühlt werden.

Ablauf der gekoppelten Simulation

Um im Vorfeld die aus dem eingestellten Parametersatz resultierenden Härteprozesse zu erhalten, werden elektromagnetisch-thermisch gekoppelte Berechnungen unter zusätzlicher Berücksichtigung einer Gefügeumwandlungsroutine durchgeführt. Durch die starke Temperaturabhängigkeit der elektrischen und thermischen Parameter ist eine Kopplung für eine korrekte Abbildung zwingend erforderlich. Um eine exakte Berechnung der induzierten Ströme zu gewährleisten, muss die elektromagnetische Analyse transient nichtlinear durchgeführt werden, auch wenn sich im Induktor ein sinusförmiger Stromverlauf einstellt. Durch die vorliegenden magnetischen Nichtlinearitäten des meist ferromagnetischen Werkstücks tritt bei einer rein harmonischen Analyse ein nicht vernachlässigbarer Fehler auf.

Durch den Einsatz eines Zweifrequenzverfahrens lässt sich die Verteilung der Wärmeleistungsdichte konturgetreuer an den Verlauf von Zahnspitze und Zahnfuß anpassen. Die sehr geringe Prozessdauer verhindert Wärmeleitungseffekte, sodass die qualitativen Ausprägungen von Wärmeleistung und Temperaturprofil nahezu identisch sind.

Bestimmung der Gefügezusammensetzung

Aus den sich ergebenden Temperaturverteilungen und dem zeitlichen Temperaturregime aus Aufheiz- und Abkühlzyklus lässt sich mittels eines Gefügekinetik-Modells eine Voraussage zu dem resultierenden Gefüge innerhalb des Werkstücks treffen. Bildlich wird beispielhaft ein Dilatogramm dargestellt, aus dem die thermisch-induzierten Dehnungen ableitbar sind.

Die gezeigten Verläufe ergeben die Wärmedehnung des Materials bei der temperaturabhängigen Umwandlung von kubisch raumzentriertem a-Eisen in kubisch flächenzentriertes g-Eisen. Je nach Abkühlgeschwindigkeit entstehen Verzerrungen des Gitters durch nicht zurück diffundierte Kohlenstoffatome. Der Grad der Verzerrung ist letztlich ein Maß für die Härte des Materials. Durch an den Härtevorgang anschließende Anlassvorgänge können die Spannungen zur Verringerung der Sprödigkeit reduziert werden.

Aufschluss über die entstehende Härte

Das Ergebnis der elektromagnetisch-thermisch gekoppelten Simulation am Beispiel eines Zahnrades zeigt die Temperaturverteilung im Querschnitt des Bauteils und bietet damit Aufschluss über die durch den Abkühlprozess entstehende Härte in Zahnspitze und Zahnfuß.

Die Kopplung aus elektromagnetischer, thermischer und strukturmechanischer Analyse in einer ganzheitlichen Simulation ermöglicht die Adaption der Leistung und der Frequenz für induktive Härteprozesse unter Berücksichtigung des geforderten Härteprofils. I