gesponsertMultiphysik-Simulation Induktivhärten per Simulation beherrschen

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Beim Induktivhärten muss dem Bauteil schnell Wärme zugeführt werden. Die anschließende Abkühlung entscheidet darüber, welche metallurgischen Phasen entstehen. Dabei können Phasenumwandlungen Spannungen und Verformungen hervorrufen. Mit Multiphysik-Simulation ermöglicht, diese Vorgänge in einem Modell zu betrachten und ihre Auswirkungen zu untersuchen.

Beim Induktivhärten wird das Werkstück durch eine Spule mit hochfrequentem Wechselstrom erwärmt. Das von der Spule erzeugte zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert Wirbelströme im elektrisch leitfähigen Werkstück. Die dadurch entstehende Erwärmung konzentriert sich insbesondere auf die Randschicht. Wie tief und wie schnell das Werkstück erwärmt wird, hängt von den elektromagnetischen Eigenschaften des Materials und den gewählten Prozessparametern sowie von der Frequenz und der Stromstärke ab. Bei bewegten Prozessen kommt zusätzlich die Geschwindigkeit hinzu, mit der das Werkstück relativ zur Spule geführt wird.

Diese Abhängigkeiten machen die induktive Erwärmung zu einem interessanten Anwendungsfall für Simulation. Sie ermöglicht die Analyse der resultierenden Wärmeverteilung im gesamten Bauteil und die Durchführung virtueller Tests. Anhand eines Induktionserwärmungsmodells wird beispielsweise deutlich, dass eine Veränderung der Wechselstromfrequenz nicht nur die maximale Temperatur beeinflusst, sondern auch die räumliche Verteilung der induzierten Wärme verändert. Als weitere Einflussgrößen können Parameter wie das Stromniveau oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks untersucht werden. Für das eigentliche Induktivhärten kommt jedoch noch eine weitere Ebene hinzu: Die Temperatur bestimmt nicht nur den thermischen Zustand des Bauteils, sondern beeinflusst auch dessen metallurgische Entwicklung.

Modelle für das Induktivhärten

Damit sich beim anschließenden Abschrecken eine harte Randschicht ausbilden kann, muss das Stahlgefüge während des Erwärmens zunächst austenitisiert werden. Wie weit diese Umwandlung fortschreitet, hängt von Temperatur und Zeit ab. Für die Simulation gibt es verschiedene Modelle zur Austenitisierung:

• Das lineare Modell beschreibt die Bildung von Austenit in Abhängigkeit von der Temperatur und ihrer zeitlichen Änderung.

• Ein weiteres Modell nach Oddy, McDill und Karlsson ist für die Erwärmung hypoeutectoider Stähle ausgelegt. Mit solchen Modellen lässt sich untersuchen, welche Bereiche des Bauteils tatsächlich so weit erwärmt werden, dass dort Austenit entsteht. Beim Induktivhärten soll die Erwärmung dabei nicht notwendigerweise den gesamten Querschnitt erfassen, sondern die für die spätere Härtung erforderlichen Bedingungen gezielt in der Randschicht erzeugen.

Ein Simulationsmodell für das Induktivhärten von Stahlbauteilen muss alle relevanten physikalischen Effekte berücksichtigen: Magnetfelder, Wärmeübertragung, Austenitzerlegung und Festkörpermechanik müssen berechnet und in Form von elektromagnetischer Erwärmung, latenter Wärme sowie Dehnungen infolge von Phasenumwandlungen gekoppelt werden.

Induktivhärten am Beispiel eines Stahlbolzen

Das Prinzip lässt sich am Beispiel eines kleinen zylindrischen Stahlbolzens zeigen. Der ferritisch-perlitische Bolzen wird von einer mehrwindigen Kupferspule umgeben, durch hochfrequenten Wechselstrom erwärmt und anschließend mit einem Wasserstrahl abgeschreckt. Dabei wird die Oberfläche komplett austenitisiert, während der innere Bereich nicht vollständig austenitisiert wird. Nach dem Abschrecken entsteht an der Oberfläche eine harte martensitische Schicht, während der Kern seine weichere ferritisch-perlitische Zusammensetzung behält.

Durch die unterschiedlichen Eigenschaften über den Bauteilquerschnitt bildet das Modell damit genau den metallurgischen Mechanismus ab, der das Induktivhärten für viele Anwendungen interessant macht.

Entscheidend ist die Abkühlung

Nach dem Austenitisieren wird das Bauteil schnell abgeschreckt. Dabei zerfällt der Austenit abhängig vom Temperatur-Zeit-Verlauf in unterschiedliche Phasen. Je nach Abkühlungsverlauf können Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit entstehen und die resultierende Phasenzusammensetzung kann im Bauteil räumlich unterschiedlich sein. Für das Induktivhärten ist dabei besonders die Bildung von Martensit relevant. Im zylindrischen Bolzen wird nach dem Abschrecken eine martensitische Randschicht vorhergesagt, während der Kern überwiegend ferritisch-perlitisch bleibt. Das Ergebnis ist also keine über den gesamten Querschnitt identische Materialstruktur, sondern ein Gefügegradient.

Die Unterschiede zwischen den Gefügezuständen wirken sich nicht nur auf die Materialeigenschaften aus. Phasenumwandlungen gehen auch mit Dehnungen beziehungsweise Volumenänderungen einher. Zusammen mit den Temperaturgradienten können dadurch Spannungen und Verformungen entstehen. Hier erweitert die Multiphysiksimulation die klassische Betrachtung der Wärmebehandlung durch Kopplung der metallurgischen Modelle mit der Festkörpermechanik. Dadurch lassen sich Phasenzusammensetzung, Verformungen und Eigenspannungen berechnen. Das ist für die industrielle Prozessauslegung relevant, denn ein Wärmebehandlungsergebnis lässt sich nicht allein danach beurteilen, ob eine gewünschte metallurgische Struktur erreicht wurde. Ebenso wichtig kann sein, ob sich das Bauteil dabei verzieht oder welche Eigenspannungen nach dem Prozess verbleiben.

Im Modell des zylindrischen Bolzens führt die Umwandlung zu Martensit an der Oberfläche aufgrund der unterschiedlichen Dichte zu einer Volumenänderung. Dadurch entstehen charakteristische Spannungen im Bauteil. Die Simulation macht diese Spannungsverteilung nach dem Härten sichtbar.

Vorteil der Multiphysik-Simulation

Die Stärke der Modellierung liegt in der Verbindung mehrerer Prozessschritte:

• Das elektromagnetische Modell bestimmt die induzierte Erwärmung. Der Wärmetransport beschreibt, wie sich die Temperatur im Bauteil verteilt.

• Das Modell der Austenitisierung beschreibt die Gefügeänderung während des Aufheizens. Beim anschließenden Abkühlen wird die Zerlegung des Austenits in verschiedene Phasen berechnet.

• Die Festkörpermechanik berücksichtigt schließlich die mechanischen Folgen von Temperatur- und Phasenumwandlungen.

Die einzelnen Effekte dieser Kette können nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können. Die Temperatur beeinflusst die metallurgischen Zustände und die Materialeigenschaften. Phasenumwandlungen können Dehnungen erzeugen. Diese wirken auf die Spannungsverteilung und damit auf die Verformung des Bauteils zurück.

Ein wesentlicher Vorteil der Simulation besteht darin, unterschiedliche Prozessbedingungen virtuell miteinander vergleichen zu können. Für die induktive Erwärmung sind beispielsweise Wechselstromfrequenz und Stromniveau wichtige Einflussgrößen. Bei einer Relativbewegung von Werkstück und Spule kommt die Bewegungsgeschwindigkeit hinzu. Änderungen dieser Parameter können nicht nur die maximale Temperatur verändern, sondern auch die räumliche Verteilung der Erwärmung. Die Simulation schafft damit die Möglichkeit, zunächst virtuell zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Einstellungen auf den thermischen und metallurgischen Prozess auswirken. Im nächsten Schritt können diese Ergebnisse dazu dienen, geeignete Prozessbereiche für reale Versuche einzugrenzen.

Das ersetzt die praktische Prozessvalidierung nicht. Es kann jedoch helfen, die Zahl der zu untersuchenden Varianten zu reduzieren und die physikalischen Zusammenhänge hinter den Versuchsergebnissen besser zu verstehen.

Vom einzelnen Versuch zum Prozessfenster

Gerade bei Wärmebehandlungsprozessen ist die Möglichkeit interessant, nicht nur einen einzelnen Parametersatz zu betrachten. Vielmehr lässt sich untersuchen, unter welchen Bedingungen eine bestimmte Kombination aus Erwärmung, Austenitisierung und anschließender Phasenumwandlung entsteht. Simulation kann damit bereits während der Prozessentwicklung eingesetzt werden. Ein virtuelles Modell kann beispielsweise sichtbar machen, wie stark die Erwärmung über den Querschnitt variiert, welche Bereiche austenitisiert werden und welche Phasen nach dem Abschrecken entstehen. Gleichzeitig lässt sich untersuchen, welche Spannungen und Verformungen mit diesem Prozess verbunden sind.

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