Beschreibung
P 1318 – Steigerung der Werkstoff- und Ressourceneffizienz beim Einsatzhärten durch beanspruchungskontrollierte Kohlenstoff- und Härteprofile
Durch das thermochemische Verfahren Einsatzhärten kann die erforderliche lokale Werkstofffestigkeit gegen Bauteilversagen von Stahlbauteilen erhöht werden. Grundlage hierfür ist die Steigerung der Werkstoffhärten infolge höherfester Gefügebestandteile sowie die damit verbundene Induzierung von Druckeigenspannungen im versagensrelevanten Bauteilrandbereich.
Neben ihrer Wirkung als Formkerben auf die Bauteilbeanspruchbarkeit besitzen Konstruktionsdetails auch eine Wirkung auf wesentliche Bauteileigenschaften nach dem Einsatzhärten wie Randkohlenstoffgehalt und Randhärte sowie Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefe.
Derzeit werden Bauteilkerben weder innerhalb der bauteilbezogenen Vorgabe von Zielgrößen des Einsatzhärtens noch innerhalb der Festlegung von Prozessparametern durch die Steuerungs- und Regelungssoftware von Anlagen zum Einsatzhärten berücksichtigt.
Im Forschungsvorhaben wurde ein Konzept zur numerisch basierten Ermittlung Beanspruchungskontrollierter Ziel- und Prozessgrößen des Einsatzhärtens entwickelt. In diesem Konzept bildet der Zustand des Stahlbauteils infolge einer äußeren Beanspruchung die entscheidende Grundlage. Maßgebend ist der tatsächliche Beanspruchungszustand im versagenskritischen Bereich des Stahlbauteils. Für genau diesen Bereich werden die notwendigen Zielgrößen des Einsatzhärtens definiert. Die Generierung notwendiger Prozessparameter zur Einhaltung der Zielgrößen erfolgt unter Berücksichtigung der Geometrie des versagensrelevanten Bauteilbereiches. Damit ist es möglich, erforderliche Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefen und damit die Gesamtprozesszeiten für das jeweilige Einsatzhärten von Stahlbauteilen signifikant zu reduzieren. Gegenüber der bisherigen empirischen Vorgehensweise kann damit die Energie- und Ressourceneffizienz des Einsatzhärtens gesteigert werden.
Die Validierung der analytischen Ergebnisse des Forschungsvorhabens erfolgte anhand von Wellenproben aus dem Einsatzstahl 16MnCrS5 mit unterschiedlichen, als Formkerben wirkenden Konstruktionsdetails. Gegenüber einer praxisüblichen Standard-Einsatzhärtung konnte im Fall der beanspruchungskontrollierten Einsatzhärtung der Welle mit Querbohrung die Gesamtprozesszeit um 53 % und im Fall der beanspruchungskontrollierten Einsatzhärtung der Welle mit Umfangskerb um 61 % reduziert werden. Durchgeführte Schwingversuche im Dauerfestigkeitsbereich wiesen nach, dass durch die beanspruchungskontrollierte Einsatzhärtung keine negativen Auswirkungen auf die Beanspruchbarkeit der Wellenproben auftreten.
Veröffentlichung:
Juni 2022
Autoren:
Dr.-Ing. A. Diemar, Dr.-Ing. U. Gerth, Prof. Dr.-Ing. habil. C. Könke
