Randschichthärtung

Vorgeschaltetes CO2-Schneestrahlen erhöht beim Festwalzen die Härte

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Ein Härtewert von 550 HV wird in etwa 0,8 mm unterschritten. Die hybride Bearbeitung des Frostwalzens wirkt sich in den Härtetiefenverläufen sowohl durch eine erhöhte Maximalhärte von über 900 HV als auch durch eine größere Wirktiefe von knapp 1,5 mm aus.

CO2-Schneestrahlen beim Festwalzen macht Oberfläche leicht rauer

Die resultierende Oberflächengüte wird vom CO2-Schneestrahlprozess nicht signifikant beeinflusst, jedoch kommt es zu leicht erhöhten Rauheitswerten. Für die in Bild 3 beschriebenen Oberflächen beträgt nach dem Drehen die Rauheit Ra 3,66 µm oder Rz 11,56 µm. Nach dem Festwalzen bei Raumtemperatur liegen die Werte Ra bei 0,26 µm beziehungsweise Rz bei 2,33 µm. Nach dem Festwalzen unter kryogenen Bedingungen wurden für Ra 0,48 µm und für Rz 2,95 µm ermittelt.

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Eine Erhöhung der Rauheit lässt sich durch ein sprödes Werkstoffverhalten bei niedrigen Temperaturen und die damit einher gehende reduzierte Verformbarkeit erklären. Weil beim Frostwalzen die Ms-Temperatur des Werkstoffs nicht unterschritten wird, verbleibt der Bauteilkern im austenitischen und damit duktilen Zustand, was sich im Vergleich zu durchgehärteten Bauteilen vorteilhaft auswirken kann.

Selbst die mechanisch induziert gehärtete Randzone weist nach dem Fest- oder Frostwalzen noch einen Restaustenitgehalt von bis zu 40% auf. Sie besitzt dadurch trotz sehr hoher Härte noch eine ausreichende Duktilität. Weil der gebildete Martensit sich stabilisierend auf den verbleibenden Restaustenit in der Randzone auswirkt, kann später eine weitere Gefügeumwandlung unterdrückt werden.

Sogar leichte Härtesteigerung bei Legierung mit stabilerem Gefüge

Die Gefügestabilität wurde durch Variation der Austenitisiertemperatur TA in verschiedene Klassen unterteilt. Bild 3 zeigt den Vergleich der Härtetiefenverläufe zwischen einer bei Raumtemperatur festgewalzten Probe mit einem instabilen Gefügezustand (TA = 1125 °C) und einer Probe mit einem stabileren Gefüge (TA = 1145 °C) aufgrund des Festwalzens. Für diesen Vergleich wurden die mechanischen Prozessparameter (Festwalzkraft und Kugeldurchmesser) konstant gehalten. Es zeigte sich, dass aufgrund der Kombination aus CO2-Schneestrahlen und Festwalzen sogar trotz der Verwendung einer stabileren Legierung noch leicht höhere Härtewerte erreicht werden können.

Die Verwendbarkeit stabilerer Gefügezustände aufgrund der hybriden Bearbeitung hat Vorteile nicht nur für die Zerspanung, bei der eine Härtung der Legierung vermieden werden kann, sondern auch für die späteren Bauteileigenschaften. Mit höherer Stabilität sinkt das Risiko der unerwünschten Gefügeumwandlung im Betrieb, die mit einer Volumenausdehnung einhergehen würde. Dies wäre nicht nur für Wälzlager, sondern auch für Linearführungen äußerst kritisch zu betrachten. Sowohl für die Resistenz gegen tiefe Temperaturen als auch für mechanische Belastung bietet das Frostwalzen Lösungen für die Herstellung leistungsfähiger Bauteile.

Literatur

  • [1] Garbrecht, M.: Mechanisches Randschichthärten in der Fertigung. Dissertation Universität Bremen 2006.
  • [2] Meyer, D., und andere: Mechanisch induziertes Härten. HTM-Zeitschrift 1/2010, S. 37–45.
  • [3] Meyer, D., F. Hoffmann und E. Brinksmeier: Kryogenes Festwalzen metastabiler Austenite. HTM-Zeitschrift 6/2010, S. 313–320.

* Dipl.-Biol. Daniel Meyer, Prof. Dr.-Ing. Ekkard Brinksmeier und Prof. Dr.-Ing. Franz Hoffmann forschen bei der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen

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