Prozesswärme

EMA verzeichnet gute Auftragslage in der Induktion

Die elektromagnetische Wärmebehandlung von Metallbauteilen, kurz Induktion, galt lange Zeit als magisches Geheimwissen. Selbst Technikern musste oft erst die Scheu davor genommen werden, sich mit Induktionsprozessen zu befassen. Doch seitdem das Verfahren über die beliebten Induktionskochfelder den modernen Haushalt erobert hat, boomen auch industrielle Anwendungen. EMA Indutec, ein Unternehmen der Aichelin-Gruppe, kann sich über die gute Auftragslage freuen.

Massive Investitionen in die Technologie, eigene Patente und neue Linienproduktionsverfahren haben dazu geführt, dass die früheren Einzelprozesse „Fixturhärten, Kalibrieren und Anlassen“ mittlerweile in einem einzigen Schritt und einer einzigen Anlage bewerkstelligt werden können. 25 Greifersternmaschinen vom Typ Vela wurden in den vergangenen Jahren ausgeliefert, 10 davon 2016. Weitere 5 Anlagen wurden dieses Jahr verkauft, vor allem die chinesische Industrie zeigt sich interessiert.

Der Grund für den industriellen Induktionsboom ist rasch erklärt: Kombinierte induktive Wärmebehandlungsprozesse sind deutlich einfacher, intelligenter, umweltfreundlicher, im Endkonturmaß genauer und damit kostengünstiger als die konventionelle Wärmebehandlung. Früher wurden unterschiedliche Metallbauteile (z. B. Schiebemuffen, Tellerräder) zusammen in einem Ofen aufgekohlt, dann im Ölbad oder in einer Härtepresse abgeschreckt, gewaschen und angelassen. Dafür brauchte es Härteöfen, Pressen, Waschmaschinen, Anlassöfen u.v.m. Diese Einzelschritte fallen im „Single Piece Flow“ weg. „All in one“ ist heute die Devise. Der komplette Wärmebehandlungsprozess wird mit einer Maschine abgebildet und abgedeckt - durch die sogenannte „Einzelfertigung in der Linie“. Die neuen Anlagen sind selbst für flache Metallbauteile geeignet, z. B. auch für Tellerräder von bis zu 500 mm Durchmesser. Um gerade solche Tellerräder genau fertigen zu können, hat EMA das konventionelle Fixturhärteverfahren mit dem Induktionsverfahren kombiniert.

Wilfried Goy, Leiter der Technologie-Entwicklung, arbeitet seit seinem Einstieg bei EMA Indutec vor 12 Jahren an der Verbesserung der Kalibrier- und Fixturhärteprozesse. Er will die natürliche Verformung („Verzüge“) der Werkstücke im Härtungsprozess besser verstehen und dadurch minimieren, denn diese sind bei Temperaturen zwischen 20 und 950 °C physikalisch bedingt und „gottgegeben“, sagt Goy. „Wir arbeiten an Verfahren, um diese Verzüge im Zaum zu halten. Das erreichen wir dadurch, dass wir die Werkstücke einspannen und/oder auf einem Kalibrierdorn beim Abkühlprozess aufschrumpfen.“ Die mechanische Nacharbeit, das Schleifen der Metall-Oberflächen wird so auf ein Minimum reduziert. Goy schätzt, dass der Aufwand dafür heute nur noch ein Viertel des Volumens von vor 20 Jahren ausmacht.

Die langwierigen und teuren Schleifprozesse sind es auch, um die es letztlich in der Kostenfrage geht. Je präziser („endkonturnah“) die Werkstücke in punkto Rundheit, Planheit, Rechtwinkeligkeit, geometrischen Abmessungen aus der Fixturhärtung heraus kommen, desto geringer der Aufwand in der Nachbehandlung. Goy: „Wir konnten die Verzüge gerade bei Bauteilen wie Schiebemuffen bis auf wenige 100stel mm reduzieren. Genauer gesagt auf 3–5/100 oder 30–50 µm.“

Das ganze Verfahren selbst ist eine Wissenschaft für sich: Die (induktive) Fixturhärtung erfolgt bei Temperaturen von 900–950 °C. Beim anschließenden Kalibrieren wird das Werkstück auf einem Kalibrierdorn von 950 °C auf Raumtemperatur herunter gekühlt: im Fachjargon auf den Dorn „aufgeschrumpft“. Nach dem Härten und Kalibrieren wird das Teil wieder erwärmt bei 200–250 °C. Das nennt man Anlassen bzw. Entspannen. Dieser Prozess soll Härtespannungen innerhalb des Metallwerkstücks reduzieren. Das Härtegefüge wird ausgeglichen bzw. die Sprödigkeit reduziert. Dieser Entspannungsprozess ist auch ein charakteristischer Verfahrensschritt der EMA Indutec und konnte international patentiert werden. Bei Temperaturen zwischen 200–250 °C bildet sich nämlich ein kleiner Spalt, der das Abstreifen des Werkstücks vom Kalibrierdorn leicht macht – und das ohne Verschleiß am Dorn. Fachleute nennen dieses Entfernen vom Dorn „warm abstreifen“. Insgesamt benötigt die gesamte Behandlungsprozedur nur knapp 1 min pro Bauteil. Durch eine gestaffelte Bearbeitung fertigt die Vela „Hotrunner“-Anlage zwei Bauteile pro 30 s.

Schon seit 2016 wird an einer nächsten, größeren Generation des Hotrunners gearbeitet, um eine optimierte Kalibrierung auch bei räumlich ausgedehnten Werkstücken zu ermöglichen. Press-Stempel in der Maschine stellen sicher, dass aufgeschrumpfte Bauteile von oben wie unten beim Abhärten gepresst werden, um die vordefinierte Maßhaltigkeit zu erreichen. Je größer das Werkstück (z. B. Tellerräder), desto wichtiger die Formgabe. Die 5 % Investitionskosten in Forschung, Entwicklung & Weiterbildung pro Jahr sind maßgeblich verantwortlich für die Erfolgsgeschichte: 25 % des EMA-Umsatzes werden heute bereits durch das neue kombinierte Induktionsverfahren gemacht, und dieser Anteil soll weiter steigen, zeigt sich Goy überzeugt. Dazu beitragen werden die Versuchsabteilung und Applikationsmaschinen, der geschulte Vertrieb, aber auch Seminare und Vorträge für Kunden.

Laut Goy werden die Anforderungen an die Wärmebehandlung weiter steigen, vor allem weil die aufwändige Nacharbeit minimiert und im Idealfall eliminiert werden soll. „Schleifprozesse sind teuer, daher ist der Druck zu Kostensenkungen groß.“ Das bedingt auch immer mehr eine Zunahme der Produktion in der Linie ebenso wie die Umstellung konventioneller Wärmebehandlungsverfahren auf Linienproduktion. „Das Induktionsverfahren gewinnt innerhalb der Wärmebehandlung jedenfalls stark an Bedeutung“, ist sich Goy sicher.

Die Induktion ist weit eleganter als die herkömmliche Wärmebehandlung, verursacht geringere Verformungen (Verzüge) bei den Werkstücken, geht schneller und ist ein sauberes und umweltfreundlicheres Verfahren, da etwa die Ölabschreckung wegfällt. Auch die Nachfrage nach der Wärmebehandlung insgesamt steigt, meint Goy, weil die Bauteile immer dünner und kleiner werden und dadurch eine immer höhere Festigkeit dieser Teile notwendig wird. Denn die Materialbelastungen bleiben die gleichen oder werden sogar proportional größer; kleinere Teile müssen dann auch mehr aushalten. Der Wärmebehandlungsindustrie stehen also neue Innovationen ins Haus. Sie wird sich weiter verfeinern und spezialisieren, so der Entwicklungschef von EMA Indutec. „Neue Bereiche sehen wir in pulvermetallurgischen Verfahren und bei Sinterwerkstoffen. Solche Herstellungsmethoden gewinnen an Bedeutung und damit auch die Wärmebehandlung.“

Vela ist eine Hochleistungsmaschine für die Wärmebehandlung von Getriebebauteilen (z. B. Schiebemuffen). Sie verarbeitet mehrere Prozesse in einem Durchgang: Neben dem induktiven Härten von aufgekohlten Schiebemuffen mit Abschrecken auf einem Kalibrierdorn das induktive Anlassen in Verbindung mit einem verschleißfreien Abziehen des hochgenau kalibrierten Werkstücks vom Kalibrierdorn. Durch die enge Toleranz der wärmebehandelten Werkstücke im Bereich von ca. 0,05 mm kann eine Nacharbeit reduziert werden. Teure Hartbearbeitungsschritte wie das Nachschleifen gehärteter Oberflächen werden damit minimiert. Auch die Vorhaltetoleranzen der Aufkohlungstiefe können nahezu halbiert werden. Da der gesamte Maschinenraum gekapselt ist, kann der Wärmebehandlungsprozess unter Schutzgas durchgeführt werden. Abhängig vom einstellbaren Überdruck des Maschineninnenraums werden so zunderarme Werkstückoberflächen erzeugt. Die Taktzeit der Maschine beträgt circa 25–35 s für zwei (gleichzeitig zu bearbeitende) Bauteile, je nach Werkstückgröße.

(Quelle: EMA Indutec GmbH)

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