Induktionshärten von Wellen: Randschichthärten von 1045 und 4140

Wie es funktioniert

Eine Induktorspule, die von hochfrequentem Wechselstrom durchflossen wird, umgibt die Welle. Der Strom induziert Wirbelströme in der Stahloberfläche und erwärmt eine dünne Haut innerhalb von Sekunden über die Umwandlungstemperatur; eine sofortige Abschreckung mit Wasser- oder Polymerbrause wandelt diese Haut in harten Martensit um. Der überwiegende Teil der Welle wird nie heiß, sodass er seine ursprünglichen — oft vorgehärteten und angelassenen — Eigenschaften behält.

Die Frequenz bestimmt die Einhärtetiefe

Der induzierte Strom konzentriert sich nahe der Oberfläche, und die erwärmte Tiefe nimmt mit steigender Frequenz ab. Dies ist die zentrale Auslegungsbeziehung des Verfahrens:

• Niedrige Frequenzen (wenige kHz, Mittelfrequenzanlagen): tiefe Randschichten, etwa in der Klasse 2–6 mm, für große Wellen und schwere Zapfen.
• Hohe Frequenzen (mehrere hundert kHz): flache Randschichten, Bruchteile eines Millimeters bis etwa 1.5 mm, für kleine Teile und feine Merkmale.

In der Praxis wird die Einhärtetiefe bis zu einer Härtegrenze festgelegt (wie beim Aufkohlen oft 550 HV), und Anlage, Frequenz und Erwärmungszeit werden so gewählt, dass sie mit einer Übergangszone erreicht wird, die nirgendwo im Härtebild bis in eine weiche, ungehärtete Oberfläche durchbricht.

Die Stähle

Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt werden festgelegt, weil die Härte im abgeschreckten Zustand vom Kohlenstoff stammt:

• 1045 / C45 — der wirtschaftliche Standard; Oberflächenhärte typischerweise im mittleren 50er-HRC-Bereich, Kern im walzrohen oder normalgeglühten Zustand belassen.
• 4140 / 42CrMo4 — vorgehärtet und angelassen eingesetzt, wenn der Kern reale Lasten tragen muss; die induktiv gehärtete Randschicht verleiht Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit auf einem festen Grundwerkstoff, und ihr Legierungsgehalt erweitert das Prozessfenster.

Kohlenstoff unter etwa 0.35% ergibt eine enttäuschende Oberflächenhärte; deutlich über 0.6% erhöht sich das Risiko von Härterissen.

Härtebilder und Weichzonen

Ein Vorschubinduktor härtet ein Band, während er sich entlang der Welle bewegt, und hinterlässt eine Auslaufzone dort, wo der Vorschub beginnt und endet, und die gehärteten Bänder an komplexen Wellen sind durch Weichzonen getrennt — an Schultern, Einstichen und zwischen benachbarten Merkmalen —, weil die Spule eine scharfe Innenecke nicht gleichmäßig erwärmen kann und überlappende Durchläufe das vorherige Band wieder anlassen würden. Eine gute Konstruktion behandelt diese als Gegebenheiten, nicht als Fehler:

• Dicht- und Lagerlaufflächen innerhalb des Härtebildes halten, fern von Auslaufzonen.
• Weichzonen dorthin legen, wo Biegespannung und Verschleiß gering sind.
• Auf rissempfindliche Merkmale achten — Passfedernuten, Querbohrungen und scharfe Hohlkehlen innerhalb der erwärmten Zone benötigen Fasen und Prozessversuche.

Warum dieses Verfahren wählen

Im Vergleich zum Aufkohlen ist das Induktionshärten schnell, lokal begrenzt, leicht in der Linie zu automatisieren und wird nach dem größten Teil der Bearbeitung angewendet. Es tauscht die tiefe, allmählich abgestufte Randschicht des Aufkohlens gegen Geschwindigkeit und Selektivität ein — bei Wellen ist das in der Regel der richtige Kompromiss.

Die gehärtete Randschicht trägt zudem Druckeigenspannungen, weil die expandierte Martensitschicht durch den unveränderten Kern behindert wird. Diese Druckspannung ist ein wesentlicher Grund dafür, dass induktiv gehärtete Zapfen und Hohlkehlen eine deutlich bessere Biege- und Torsionsdauerfestigkeit zeigen als durchgehärtete oder unbehandelte Entsprechungen — vorausgesetzt, das Härtebild deckt die Spannungskonzentration tatsächlich ab, was eine Konstruktionsentscheidung ist, kein Prozesszufall.