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gefördert durch die Arbeitsgemeinschaft industieller Forschung (AiF) seit 2001
Ansprechpartner: Dipl.-Min. Derek Hough

Die thermochemische Randschichthärtung ist ein klassisches Verfahren zur Steigerung der Gestaltfestigkeit hochbeanspruchter Bauteile. Eine Einbindung der notwendigen Wärmebehandlung in eine Fertigungslinie ist allerdings schwierig. In diesem Projekt wird die Machbarkeit eines neuen Konzeptes zur Randschichthärtung angestrebt, das gegenüber dem konventionellen Verfahren folgende Vorteile bietet:

Die direkte Einbindung in eine Fertigungsstraße, im Gegensatz zur Wärmebehandlung, welche eine Unterbrechung des Fertigungsprozesses erfordert.

Oberflächenverschmutzungen in Form von Kühl- und Schmiermittelresten aus den vorhergehenden Fertigungsschritten beeinflussen nicht die Qualität des gehärteten Werkstoffes.

Geringer Verzug der Bauteile.

Abb.1: Temperatureinfluß der freien Enthalpie von Austenit und Martensit

Der erste Schritt zum spannungsinduzierten Härten ist die Herstellung (Rest-)Austenitischer Gefüge. Bei genügend rascher Abkühlung kann die thermische Umwandlung (Platzwechselmechanismen) von Austenit in einen thermodynamisch stabilen Zustand (Ferrit, Perlit, ...) vermieden werden. In diesem Fall steigt die freie Enthalpie G der Austenitphase (G_A) mit abnehmender Temperatur an und ereicht bei T₀ den Wert der freien Enthalpie G von Martensit G_M (siehe Abb.1). Um martensitisch umzuwandeln wird eine Aktivierungsenergie benötigt, die durch weiteres Abkühlen gewonnen wird. Bei der Martensitstarttemperatur M_S bildet sich der erste Martensit. Dieser Prozeß beinhaltet eine Volumenausdehnung, der die nachfolgende Martensitbildung behindert. Damit die martensitische Umwandlung fortgesetzt wird muß die Differenz der freien Enthalpie durch steigende Unterkühlung weiter erhöht werden. Abhängig vom Anteil des gelösten Kohlenstoffs und weiterer Legierungselemente verbleibt bei Raumtemperatur ein Anteil Austenit. Durch eine geeignete Wärmebehandlung besteht die Möglichkeit die Martensit - Restaustenit Anteile zu beeinflussen.

Aus dem restaustenitischen Halbzeug wird das Bauteil durch spanende Bearbeitung hergestellt. Nach der Weichbearbeitung wird an der Oberfläche des Bauteils eine hohe Hertzsche Pressung erzeugt, durch die in der Randschicht der Austenit martensitisch umwandelt. Dies kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden: Rollieren, Glatt- bzw. Festwalzen oder Kugelstrahlen. Es ist aber auch denkbar im letzten Zerspanungsschritt bspw. durch eine Drehbearbeitung mit negativem Spanwinkel und geringen Schnittgeschwindigkeiten hohe Schnitt- und insbesondere Passivkräfte einzubringen, die eine Gefügeumwandlung bewirken.
Dieses Projekt soll die prinzipielle Machbarkeit des Verfahrens untersuchen.