FEA-Modellierung des Gewindeglühens mittels Induktionserwärmung

Zu den wichtigen Verarbeitungsschritten nach dem Härten eines Stahlteils gehören das Anlassen, das Spannungsabbauen und das subkritische Glühen. Die Umwandlung in Martensit durch Abschrecken führt zu einer sehr harten Struktur mit geringer Duktilität. Unangelassener Martensit weist hohe Eigenspannungen auf und ist in der Regel für viele kommerzielle Anwendungen zu spröde, mit Ausnahme von Bauteilen, bei denen vor allem Verschleißfestigkeit gefragt ist. Das erneute Erhitzen von abgeschreckten Stählen und Gusseisen zum Anlassen führt zu einer angelassenen Martensit-Mikrostruktur. Die Anlasstemperaturen liegen unterhalb der unteren Umwandlungstemperatur A1 (in der Regel im Bereich von 120 bis 650 °C bzw. 250 bis 1200 °F) und umfassen vier sich überlappende Anlasstufen.
Das lokale Anlassen von Gewinden durch Induktionserwärmung ermöglicht es, die Wärmeenergie auf die Bereiche zu konzentrieren, in denen eine höhere Duktilität gewünscht ist. Die Entwicklung eines solchen Verfahrens birgt mehrere Herausforderungen:
• Der Gewindebereich der Welle muss knapp unterhalb der kritischen Temperatur A1 erwärmt werden, um ihn angemessen zu erweichen, wobei sichergestellt werden muss, dass die Temperatur benachbarter Bereiche (einschließlich Schultern und Durchmesseränderungen) nicht zu einer erneuten Austenitisierung führt.
• Die thermischen Bedingungen und das Verfahrensrezept sollten so gewählt werden, dass das Auftreten unerwünschter metallurgischer Phänomene wie der Versprödung durch angelegten Martensit und der Anlasversprödung vermieden oder reduziert wird.
• Eine bestimmte Länge der Übergangszone zwischen „angelegt“ und „unangelegt“ darf nicht überschritten werden.
• Der Prozess muss zuverlässig und wiederholbar sein.
Numerische Computermodellierung hilft nicht nur bei der Ermittlung eines optimalen Spulenentwurfs und einer optimalen Prozessrezeptur, sondern auch bei der Bewertung der Robustheit eines bestimmten Anlassprozesses, indem die Auswirkungen realer Prozessabweichungen – wie Maßtoleranzen, die Integrität der Halterung und die Positionierung des Werkstücks zum Induktor – abgeschätzt werden.
Zur Veranschaulichung zeigen die folgenden Abbildungen die Dynamik der elektromagnetischen Feldverteilung (oben) und der Temperaturänderung während des Induktionsanlassens eines Gewindebereichs unter Verwendung eines optimierten Induktoreinsatzes mit zwei Windungen (Induktor mit elektromagnetisch gekoppelter Sekundärseite). Dieser Induktortyp wurde aufgrund der spezifischen Lastabstimmungsmerkmale des vom Kunden verwendeten Wechselrichters ausgewählt.

Weiterführende Literatur
• V. Rudnev, D. Loveless u. a., Handbook of Induction Heating, Marcel Dekker, NY, 2003.