Randschichthärtung

Vorgeschaltetes CO2-Schneestrahlen erhöht beim Festwalzen die Härte

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Die Umsetzung erfolgt mit einem hydrostatischen Festwalzwerkzeug der Ecoroll AG, Celle, und einem CO2-Schneestrahlsystem, das ursprünglich beim thermischen Spritzen zur Kühlung des Werkstücks konzipiert wurde.

Verflüssigtes CO2 lässt Randschicht bei hohen Minusgraden gefrieren

Zur Kühlung des Werkstücks wird unter Druck verflüssigtes Kohlenstoffdioxid verwendet. Mithilfe einer Venturidüse können aufgrund des Joule-Thomson-Effekts Temperaturen bis hinab zu –45 °C am stehenden Bauteil erreicht werden. Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt beispielhaft den Temperaturverlauf in verschiedenen Tiefen unterhalb der Oberfläche an einem stehenden Werkstück unter Verwendung des genannten Kühlsystems.

Bildergalerie

Die Kühlung wurde nach 5 s gestartet. Bereits nach 35 s Kühldauer hat die Temperatur an der Werkstückoberfläche ein Niveau von –43 °C erreicht. Der im Vergleich zu weiteren Thermoelementen (Durchmesser 1 mm) etwas unstetige Verlauf kann dabei durch das Bilden und Abplatzen von Eisstücken an der Werkstückoberfläche erklärt werden. Die hohe Kühlwirkung führt darüber hinaus selbst in einer Tiefe von 2,11 mm zu Temperaturen, die nach 85 s Kühldauer einen Wert von –40 °C unterschreiten.

Aufgrund des relativ niedrigen Vorschubs beim Festwalzen kann davon ausgegangen werden, dass eine Vorkühlzeit des Werkstücks von 40 s ausreicht, um in den vom Festwalzprozess beeinflussten Tiefen Temperaturen von –35 °C sicherzustellen. Diese thermische Wirkung reicht aus, um eine zusätzliche Gefügeumwandlung oder einen gleichen Grad an Umwandlung bei stabileren Gefügezuständen zu gewährleisten.

Bild 2 zeigt die Härteverläufe, die sich nach dem Drehen, dem Festwalzen bei Raumtemperatur sowie dem Frostwalzen bei der Legierung X210Cr12 mit einer Martensitstarttemperatur Ms von –69 °C ergeben. Zur Erreichung der dargestellten Ergebnisse wurde ein Festwalzwerkzeug (Typ HG13) mit einem Kugeldurchmesser dK von 13 mm verwendet. Der Festwalzdruck pW betrug 400 bar und die resultierende Festwalzkraft FW 5309 N.

Erhöhte Maximalhärte und Wirktiefe infolge der hybriden Bearbeitung

Bereits nach dem Drehen ist eine leichte Härtesteigerung direkt an der Oberfläche festzustellen, die mit den mechanischen Lasten in der Zerspanung begründet werden kann. Für die Weichbearbeitung der Legierung ist sie jedoch unkritisch, weil die verfestigte Zone aufgrund der hohen Vorschübe und Schnitttiefen ohnehin unterschnitten wird.

Das Festwalzen bei Raumtemperatur führt zu einer wesentlich höheren Härte. Das Maximum der Verläufe liegt dabei erwartungsgemäß unterhalb der Oberfläche, was auf den Prinzipien der hertzschen Pressung beruht. Eine Maximalhärte von knapp 800 HV sowie ein flacher Rückgang der Härte auf ein Grundniveau von etwa 400 HV in 1,0 mm Tiefe stellen einen charakteristischen Verlauf für das mechanisch induzierte Härten dar.

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