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Die Eigenschaften metallischer Werkstoffe können durch eine gezielte Wärmebehandlung verändert und an die steigenden Anforderungen der Beanspruchung angepasst werden. Mit dieser Zielrichtung werden in der Abteilung Wärmebehandlung anwendungsorientierte, technisch-wissenschaftliche und wissenschaftliche Forschungsvorhaben mit Fragestellungen, die in Verbindung mit thermischen und thermochemischen Wärmebehandlungen auftreten, bearbeitet. Beispiele hierfür sind Prozessweiterentwicklungen zur Energie- und Betriebsmitteleinsparung oder zur Verbesserung von Bauteil- und Werkstoffeigenschaften.

Die Kompetenzen der Abteilung Wärmebehandlung umfassen sowohl die Randschicht- als auch die durchgreifenden Verfahren und decken die rein thermische Wärmebehandlung ebenso ab wie die thermochemische Wärmebehandlung. In der abteilungseigenen Härterei stehen für die Forschung und Entwicklung vielfältige Ofenanlagen im technischen Maßstab zur Verfügung. Viele der wissenschaftlichen Fragestellungen werden transferorientiert bearbeitet, um einen schnellen Übergang neuer Erkenntnisse aus der Forschung in die Industrielle Praxis zu gewährleisten.

Themenspektrum der Abteilung im Bereich der beanspruchungsorientierten Wärmebehandlungsverfahren

Weitere Forschungsschwerpunkte neben der Verfahrensentwicklung sind die Entwicklung und Erprobung prozessbegleitender Überwachungs- und Regelungssysteme, Abschrecktechnologie, sowie Maß- und Formänderungen bei der Wärmebehandlung. Die experimentellen Arbeiten werden unterstützt durch Wärmebehandlungssimulation und Berechnungen.

Neben der projektbezogenen Forschung bietet die Abteilung Unterstützung für die Industrie bei der Entwicklung angepasster Wärmebehandlungsverfahren für spezifische Eigenschaftsprofile der Bauteile sowie Unterstützung bei Problemen mit Maß- und Formänderungen und Schadensanalysen an.

Wärmebehandlungsaktivitäten werden in vier Arbeitsgruppen organisiert

Die Aktivitäten in den Hauptfeldern werden in den vier Arbeitsgruppen „Einsatzhärten“, „Induktionshärten“, „Sensorik und Nitrieren“ sowie „Simulation und Aschrecktechnologie“ organisiert. Im Folgenden werden die Themenschwerpunkte der Arbeitsgruppen vorgestellt.

Arbeitsgruppe Einsatzhärten

Einsatzhärten ist das Verfahren der Wahl bei der Behandlung höchstbeanspruchter Bauteile, wie beispielsweise von Zahnrädern. Voraussetzung für eine sichere Prozessbeherrschung ist die Kenntnis der Verfahren und deren Abläufe, d. h. der thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten der Reaktionen in der Gasatmosphäre und in der Werkstückrandschicht. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz geeigneter Mess- und Regelverfahren von hoher Bedeutung.

Zu den Arbeitsinhalten der Arbeitsgruppe gehört neben der Verfahrensentwicklung/-weiterentwicklung beim Einsatzhärten (Aufkohlen und Carbonitrieren), die Untersuchung des Verfahrenseinflusses auf das Randschichtgefüge sowie die sich daraus ergebenden Bauteileigenschaften. Im Fokus der Entwicklungen steht dabei auch die gezielte Anpassung der Randschichtgefüge an die jeweiligen spezifischen Belastungen durch eine gezielte Modifikation der Phasengemische.

In der industriellen Praxis werden beim Einsatzhärten üblicherweise martensitische Randschichten mit geringen Anteilen von Restaustenit eingestellt. Die Erarbeitung neuer Randschichtgefüge aufgekohlter und carbonitrierter Bauteile durch bainitische Umwandlung oder variierende Anteile an Martensit, Bainit sowie Restaustenit mit Carbiden und Carbonitriden wird als zentraler Entwicklungstrend für verbesserte Bauteileigenschaften verfolgt.

Gasaufkohlen von Schrägverzahnungen

Arbeitsgruppe Induktionshärten

Das induktive Randschichthärten ist eine energieeffiziente, umweltschonende und schnelle Technologie, um die Randschicht von Bauteilen zu härten und dabei die Kernfestigkeit der verwendeten Vergütungsstähle beizubehalten. Durch das taktile Härten und die kurzen Wärmebehandlungsdauern lässt sich die induktive Wärmebehandlung zudem flexibel in die Fertigungskette integrieren. Damit lassen sich optimierte Materialflüsse darstellen sowie Durchlaufzeiträume und Umlaufbestände reduzieren. Die Wärmeerzeugung erfolgt bei diesem Verfahren durch Joulsche Wärme aus Wirbelströmen, die mittels elektromagnetischer Induktion direkt in der Randschicht des ferromagnetischen Materials erzeugt werden, wobei Stromstärke im Induktor und Frequenz die wesentlichen Parameter darstellen.

Neuere Entwicklungen erlauben die gleichzeitige Anwendung unterschiedlicher Frequenzen, um so den Energieeintrag in das Bauteil gezielt anzupassen. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Verfahrensentwicklung im Hinblick auf die Anpassung der Bauteileigenschaften an das jeweilige Anforderungsprofil. Die Arbeitsinhalte liegen dabei in der Betrachtung der Werkstoffabhängigkeit entsprechender Wärmebehandlungen. Ferner wird die Wirkung der Prozessparameter auf das Temperaturfeld im Bauteil analysiert. Von Interesse sind ferner Werkstoff- und Bauteileigenschaften, die aus einer entsprechenden Behandlung resultieren. Weiterhin werden Möglichkeiten der Prozessmodellierung und Simulation der entsprechenden Vorgänge betrachtet. Bei Untersuchungen zum Konturhärten steht das Zahnrad als Bauteil im Vordergrund. Die zur Verfügung stehende Zweifrequenz-Technologie bietet anlagentechnisch die Möglichkeit, Bauteile (z. B. Zahnräder) konturnah, d. h. ähnlich einer Einsatzhärteschicht zu härten.

Härten einer Umlaufbiegeprobe mit scharfem Kerb während des Austenitisierns des Kerbbereichs

Arbeitsgruppe Sensorik und Nitrieren

Sensoren ermöglichen in weiten Bereichen der Fertigung eine Automatisierung mit einer damit einhergehenden verbesserten Qualitätssicherung. Insbesondere die industrielle Transformation in Richtung „Industrie 4.0“ fordert weitergehende Automatisierung auch in den verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren. Auf dem Gebiet der Wärmebehandlung werden bereits in vielen Bereichen, insbesondere zur Temperatur- und Atmosphärenregelung, erfolgreich Sensoren eingesetzt. Ein wichtiges Beispiel ist der Einsatz von Sauerstoff- und Wasserstoffsonden bei den Aufkohl- und Nitrocarburierverfahren. Mit ihnen können reaktive Behandlungsatmosphären erfasst, kontrolliert und geregelt werden. Beim Carbonitrieren wurde in den letzten Jahren erfolgreich ein Sensorsystem mit integrierter Simulation der Diffusions- und Ausscheidungsvorgänge entwickelt und in den Markt gebracht.

Der Einsatz von Gassensoren ist zwar notwendig jedoch nicht ausreichend, da sie keine Aussagen über den aktuellen Werkstoffzustand, der als Zielgröße bei Wärmebehandlungsprozessen im Vordergrund des Interesses steht, liefern. Weitere Arbeiten konzentrieren sich daher auf die Sensorentwicklung zur Erfassung des aktuellen Wärmebehandlungszustandes. Erfolgreiche Entwicklungen wie der Nitriersensor für Nitrier- und Nitrocarburierprozesse, die Entwicklung von Sensoren zur in situ Qualifizierung und Quantifizierung der Werkstoffgefüge wie z. B. Bainit, Martensit und Anlassgefüge während der Wärmebehandlung inclusive angepasster Ablaufsteuerungen konnten in der Vergangenheit realisiert werden.

Im Bereich der Nitrier- und Nitrocarburierverfahren stehen Verfahrensentwicklungen für beanspruchungsoptimierte Bauteilanwendungen wie das Tiefnitrieren von Zahnrädern und Anwendungen für Warm- und Kaltarbeitswerkzeuge ebenso im Fokus wie Anwendungen mit enger Spezifikation im Stahlspektrum von unlegierten bis austenitischen Stählen. Dabei kann auf Anlagen des ganzen Verfahrens- und Kombinationsspektrums des Nitrierens und Nitrocarburierens von Plasma (inkl. Aktivgitter) und Niederdruck bis zu kennzahlgeregelten Normaldruckprozessen zurückgegriffen werden.

Darüber hinaus wird auch an Aspekten der Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Ökologie wie die Energieeffizienz von Nitrieranlagen und Nitrierprozessen gearbeitet. Schließlich werden auch Grundlagenthemen wie die Porenentstehung oder das Nitrieren von Nichteisenwerkstoffen wie Aluminium-, Titan- und  Nickellegierungen in enger Kooperation mit der Industrie verfolgt. Auch die Weiterentwicklung des Nachoxidierens zählt dazu.

Plasmanitrieren eines Zahnrades

Arbeitsgruppe Simulation und Abschrecktechnologie

Die rechnerische Modellierung von Wärmebehandlungsprozessen eröffnet neue Möglichkeiten für eine wärmebehandlungsgerechte Konstruktion. Im Vordergrund steht die Simulation von Härtungsvorgängen und hier insbesondere des Abschreckvorgangs unter Berücksichtigung des Einflusses von Werkstoffinhomogenitäten auf das Umwandlungsverhalten. Derartige Arbeiten können nach dem heutigen Stand der Technik lediglich grundlagenorientiert angelegt sein, da nur ein Bruchteil der Einflussgrößen erfasst und in den Modellen berücksichtigt werden kann. Weiterhin werden bestehende Modelle mit dem Ziel, auch Prozessschritte wie das Anlassen in die Simulation zu integrieren, kontinuierlich erweitert. Aktuelle Themen bei der Modellierung von Wärmebehandlungsprozessen sind die bainitische Umwandlung unter Spannung, das Anlassen sowie Phasenumwandlungen bei der Additiven Fertigung von härtbaren Stählen.

Maßänderungen und Verzug stellen ein zentrales Problem bei der Fertigung von Bauteilen dar. Häufig werden sie allein mit der Wärmebehandlung als einem der letzten Fertigungsschritte in Verbindung gebracht. In vielen Fällen werden durch Wärmebehandlungsschritte jedoch nur Plastifizierungen durch thermisch bedingten Eigenspannungsabbau ausgelöst, die ihre Ursache in vorangegangenen Fertigungsschritten haben. Aufgrund der außerordentlichen Komplexität derartiger Vorgänge müssen auf der Basis einer langfristigen Strategie Einzelaspekte untersucht und zu einem Gesamtbild zusammengefasst werden. Aktuell beschäftigt sich die Wärmebehandlungssimulation mit dem Einfluss der Bauteilgeometrie auf die Maß- und Formänderungen speziell im Rahmen der Leichtbauentwicklungen und der Berücksichtigung von Effekten aus vorhergehenden Prozessen (bspw. der Umformung) bzgl. der Maß- und Formänderungen.

null

Formänderungsberechnung: Zeitl. Entwicklung der Zahnkranz-Kippung und Phasenumwandlung während eines Abschreckprozesses in Öl

Im Fokus der Abschrecktechnologie stehen Arbeiten zur Charakterisierung der Abschreckwirkung von Ölen und wässrigen Polymerlösungen hinsichtlich der Zielgrößen Gefüge und Härte. Daneben werden auch weiterhin Arbeiten auf dem Gebiet des Gasabschreckens durchgeführt. Durch die Weiterentwicklung der Vakuumwärmebehandlungsanlagen auf dem Gebiet des Hochdruckgasabschreckens wurden neue Möglichkeiten eröffnet, flüssige durch gasförmige Abschreckmedien zu ersetzen, wenn die Härtbarkeit der eingesetzten Werkstoffe ausreicht. Die Abschreckwirkung wird in erster Linie über die Parameter Gasart, Abschreckdruck und Anströmgeschwindigkeit bestimmt. Es laufen zu diesem Themenfeld Untersuchungen zur Charakterisierung der Abschreckwirkung in Verbindung mit Vakuumwärmebehandlungen wie auch im Anschluss an Schutzgaswärmebehandlungen. Neben Aspekten der Verzugsminimierung stehen ökologische Aspekte im Vordergrund der Untersuchungen.