Randschichthärtung Vorgeschaltetes CO2-Schneestrahlen erhöht beim Festwalzen die Härte

Redakteur: Josef-Martin Kraus

Wird das CO2-Schneestrahlen prozessintegriert dem Festwalzen vorgeschaltet, kommt es bei austenitischen Stählen zu größeren Härtungstiefen und -werten in der Randschicht. Dieses als Frostwalzen bezeichnete Kombinationsverfahren bewirkt, dass beim Festwalzen eine martensitische Gefügeumwandlung stattfindet.

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Die Kombination CO2-Schneestrahlen und Festwalzen führt zur martensitischen Härtung der Randschicht aufgrund der Überlagerung thermischer und mechanischer Beanspruchung. (Bild: IWT Bremen)
Die Kombination CO2-Schneestrahlen und Festwalzen führt zur martensitischen Härtung der Randschicht aufgrund der Überlagerung thermischer und mechanischer Beanspruchung. (Bild: IWT Bremen)

Festwalzen ist ein etabliertes Verfahren, um die Randzone von Bauteilen mechanisch zu verfestigen. Dabei tragen in der Regel die eingebrachten Druckeigenspannungen sowie eine auf Kaltverfestigung basierende Erhöhung der Randschichthärte zum Beispiel zu einer deutlich höheren Schwingfestigkeit bei.

Gefügeumwandlung beim Festwalzen steigert Härtewerte

Ein Verfahren, das in den vergangenen Jahren am Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen entwickelt wurde, zielt anstelle einer Kaltverfestigung auf eine Gefügeumwandlung infolge der mechanischen Werkstoffbeanspruchung im Festwalzprozess ab [1]. Dadurch lassen sich höhere Härtewerte realisieren.

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Ein positiver Nebeneffekt des Festwalzens ist die Verbesserung der Oberflächengüte. Das ermöglicht bei bestimmten Anwendungen, die Hartfeinbearbeitung zu ersetzen [2].

Zu einer martensitischen Härtung der Randschicht bis in 1,5 mm Tiefe kommt es dabei jedoch nur, wenn der verwendete Werkstoff metastabile Eigenschaften hat und sich unter Last martensitisch umwandelt. Für die metastabil austenitische Legierung X210Cr12 wurde das Potenzial zur Verkürzung der Prozesskette bei der Herstellung randschichtgehärteter Bauteile nachgewiesen.

Festwalzen kann Wärmebehandlung ersetzen

Das als mechanisch induziertes Härten bezeichnete Verfahren kann eine abschließende Wärmebehandlung ersetzen. Man erreicht die Substitution durch einen prozessintegrierten Festwalzschritt, ohne dabei auf eine martensitische Härtung der Randschicht zu verzichten.

Eine wesentliche Begrenzung der Verfahrensanwendung hat bisher das enge metallurgische Stabilitätsspektrum der einsetzbaren Stähle dargestellt: Die verwendete Legierung muss einerseits metallurgisch stabil genug sein, damit es während der Weichbearbeitung nicht zu einer Gefügeumwandlung kommt. Andererseits ist jedoch eine Instabilität erforderlich, um während des Festwalzprozesses eine martensitische Transformation zu erreichen. Diese Einschränkung hemmt bisher die industrielle Umsetzung des Verfahrens.

Festwalzen mit kryogener Behandlung ergibt stabilere Gefügezustände

Kombiniert man jedoch einen konventionellen Festwalzprozess, der direkt nach der Weichbearbeitung auf der Drehmaschine durchgeführt werden kann, mit einer prozessintegrierten kryogenen Behandlung, lassen sich Legierungen mit wesentlich stabileren Gefügezuständen bearbeiten [3]. Bei diesem als Frostwalzen bezeichneten Kombinationsverfahren kommt es zur Überlagerung von thermischen und mechanischen Lasten. Dadurch werden Gefügezustände martensitisch gehärtet, die sich bei rein thermischen oder mechanischen Belastungen nicht umwandeln ließen.

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