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Die Abteilung Wärmebehandlung beschäftigt sich mit Themen im Spannungsfeld hochfester Werkstoffzustände, deren Eigenschaften durch verschiedene Wärmebehandlungsprozesse gezielt eingestellt werden. In diesem Zusammenhang werden anwendungsorientierte, technisch-wissenschaftliche und wissenschaftliche Forschungsvorhaben durchgeführt. Hierfür steht ein umfangreiches Technikum mit vielfältigen Wärmebehandlungsanlagen zur Verfügung. In den Anlagen im technischen Maßstab findet ein überwiegender Anteil der Wärmebehandlungsentwicklung statt, vielen wissenschaftlichen Fragestellungen werden transferorientiert bearbeitet, um eine schnellen Übergang neuer Erkenntnisse aus der Forschung in die Industrielle Praxis zu gewährleisten.

Darüber hinaus 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 sowie der Schadensanalysen an.

Wärmebehandlung beschäftigt sich mit anwendungsorientierte technisch-wissenschaftliche Fragestellungen

Im Fokus der Abteilung Wärmebehandlung liegen anwendungsorientierte technisch-wissenschaftliche Fragestellungen, die in Verbindung mit thermischen und thermochemischen Wärmebehandlungen auftreten. Prozessweiterentwicklungen werden mit dem Ziel durchgeführt, Energie und Rohstoffe einzusparen, Werkstoffeigenschaften zu verbessern oder spezifische Randschichteigenschaften zu erzeugen, Modellversuche theoretisch und experimentell durchzuführen, wie auch ein gezieltes Maßschneidern von Werkstoffqualitäten zu erreichen.

Die Hauptarbeitsfelder der Abteilung Wärmebehandlung sind:

  • Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Wärmebehandlung von Metallen
  • Prüfung und Untersuchung wärmebehandelter Teile
  • Beratung, Information und Gutachten für Wirtschaft, Industrie, Behörden und Privatpersonen
  • Schadensanalytik

Der Schwerpunkt der Untersuchungen und Forschungsprojekte liegt dabei bei Wärmebehandlungsthemen und insbesondere bei anwendungsorientierten, technisch-wissenschaftlichen Fragestellungen. Beispiele hierfür sind Prozessweiterentwicklungen zur Energie- und Betriebsmitteleinsparung oder zur Verbesserung von Bauteil- und Werkstoffeigenschaften.

Die Aktivitäten in den Hauptfeldern werden in  vier Arbeitsgruppen organisiert. Im Folgenden werden verschiedene Themenschwerpunkte der Arbeiten im Bereich der Abteilung und 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 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.

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

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 elektrische Leistung 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.

Arbeitsgruppe Sensorik und Nitrieren

Sensoren ermöglichen in weiten Bereichen der Fertigung eine Automatisierung mit einer damit einhergehenden verbesserten Qualitätssicherung. Auf dem Gebiet der Wärmebehandlung werden in einzelnen 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.

Weitere Aussagen über den aktuellen Werkstoffzustand als Zielgröße bei Wärmebehandlungsprozessen stehen im Vordergrund des Interesses. Erfolgreiche Entwicklungen wie der Nitriersensor für Nitrier- und Nitrocarburierprozesse, die Entwicklung eines Anlasssensors zur Steuerung des Anlassvorgangs sowie eines Sensors für das kontrollierte Bainitisieren konnten in der Vergangenheit realisiert werden. Aber auch das Gebiet der Prozessüberwachung und -steuerung liegt weiterhin im Fokus der Forschungsarbeiten. Im Bereich der Nitrier- und Nitrocarburierverfahren stehen Verfahrensentwicklungen für beanspruchungsoptimierte Bauteilanwendungen wie das Tiefnitrieren bei Zahnrädern, 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 Kombinationsspektrum von Plasma, Niederdruck, active screen bis kennzahlgeregelten Normaldruckprozessen zurückgegriffen werden. Auch die Weiterentwicklung des Nachoxidierens zählt dazu.

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.

Arbeitsgruppe Simulation und Abschrecktechnik

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.

Maßänderungen und Verzug stellen ein zentrales Problem bei der Fertigung von Bauteilen dar. Aufgrund der außerordentlichen Komplexität der zugrunde liegenden Vorgänge müssen auf der Basis einer langfristigen Strategie Einzelaspekte untersucht und zu einem Gesamtbild zusammengefasst werden. Die Arbeitsgruppe war hier von 2000-2011 in den Soderforschungsbereich 570 „Distortion Engineering“ der DFG eingebunden, in dessen Rahmen Problemstellungen der Maß- und Formänderungsentstehung unter grundlegenden Gesichtspunkten angegangen wurden.

Basierend auf diesen Grundlagen und dem sonstigen vorhandenen Wissen werden auch praxisbezogene Fragestellungen bearbeitet. Aktuelle Themen der Wärmebehandlungssimulation sind hier:

  • Einfluss der Bauteilgeometrie auf die Maß- und Formänderungen speziell im Rahmen der Leichtbauentwicklungen
  • Berücksichtigung von Effekten aus vorhergehenden Prozessen (bspw. der Umformung) bzgl. der Maß- und Formänderungen

Aktuelle Themen zur Modellierung von Wärmebehandlungsprozessen sind:

  • Bainitische Umwandlung unter Spannung
  • Anlassen
  • Phasenumwandlung bei der Additiven Fertigung von härtbaren Stählen

Sensorik in der Wärmebehandlung

Sensoren ermöglichen in weiten Bereichen der Fertigung eine Automatisierung mit einer damit einhergehenden verbesserten Qualitätssicherung. Auf dem Gebiet der Wärmebehandlung werden erst in einzelnen Bereichen erfolgreich Sensoren eingesetzt. Insbesondere ist der Einsatz von Sauerstoffsonden auf dem Gebiet des Einsatzhärtens zu nennen. Mit derartigen Sonden können die chemischen Eigenschaften reaktiver Behandlungsatmosphären erfolgreich erfasst und die gewonnenen Daten für die Prozessregelung verwendet werden. Die eingesetzten Gassensoren liefern jedoch keine Aussagen über den aktuellen Werkstoffzustand, der als Zielgröße bei Wärmebehandlungsprozessen im Vordergrund des Interesses steht. Die Arbeiten konzentrieren sich daher auf die Sensorentwicklung zur Erfassung des aktuellen Wärmebehandlungszustandes.

Mit der Entwicklung des Nitriersensors gelang dies Ende der 1980er Jahre erstmals die Nitrier- und Nitrocarburierprozesse. Anhand des Sensors können in situ, d. h. kontinuierlich während des Prozesses der Randschichtzustand, die Verbindungsschichtdicke und -zusammensetzung sowie die Nitrierhärtetiefe erfasst werden In Kooperation mit der TU Hannover erfolgte die Entwicklung eines sogenannten Bainitsensors, mit dem der Stand der bainitischen Umwandlung während des Umwandlungsprozesses im Warmbad verfolgt werden kann. Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung eines Anlasssensors, mit dem der Werkstoffzustand während des Anlassens erfasst werden kann, um den Anlassvorgang zu steuern.

Maßänderung und Verzug in Verbindung mit Wärmebehandlungsvorgängen

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.

 

Abschrecktechnologie

Im Fokus 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.

 

Simulation von Wärmebehandlungsvorgängen

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.

 

Maßänderung und Verzug in Verbindung mit Wärmebehandlungsvorgängen

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.