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.

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.

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.

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.

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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