AWT-Info / HTM 01-2024

Wir begrüßen unsere neuen Mitglieder in der AWT

Personen:

Harald Berger

Firmen:

Rössel Messtechnik GmbH

Warum sollte man Einsatzhärten?

Steinbacher: Das Einsatzhärten zählt zu den thermochemischen Wärmebehandlungsverfahren und umfasst in diesem Zusammenhang die Verfahren des Aufkohlens und des Carbonitrierens. Dabei wird die Randschicht von Bauteilen mit Kohlenstoff (Aufkohlen) oder Kohlenstoff und Stickstoff (Carbonitrieren) angereichert. Das Carbonitrieren wird hier nicht weiter behandelt und kann in einem separaten Beitrag speziell zu diesem Thema in der AWTInfo Nr. 05/2022 nachgelesen werden. Die thermochemische Behandlung verfolgt dabei durch Anhebung des Kohlenstoffpotentials in der Atmosphäre neben dem Aufbau eines oberflächennah erhöhten Kohlenstoffgehaltes im Stahl die zeitabhängige Ausbildung eines Tiefenprofils mit kontinuierlichem Kohlenstoffgradienten von der angereicherten Randzone zum niedrigkohlenstoffhaltigen Kern. Im Festkörper gelten die üblichen Regeln für die Tiefenverteilung des Kohlenstoffs nach den Diffusionsgesetzen.

Der Grund für die Anwendung des Einsatzhärtens zur Wärmebehandlung von Bauteilen mit anspruchsvollen Beanspruchungsprofilen liegt in der Kombination unterschiedlicher Eigenschaftsprofile in Rand und Kern der so behandelten Bauteile. In der kohlenstoffangereicherten, oberflächennahen Zone der aufgekohlten Bauteile liegt nach dem Härten ein Gefüge aus Martensit und je nach erreichtem Randschichtkohlenstoffgehalt auch Restaustenit und Karbiden vor. Im Bauteilkern ist in der Regel keine Änderung der chemischen Zusammensetzung durch die Aufkohlung festzustellen, so dass sich in Abhängigkeit von der erreichten Abschreckgeschwindigkeit und Härtbarkeit des Stahls sowie den Bauteilabmessungen ein kohlenstoffarmes Gefüge aus Martensit oder Bainit bis hin zu Ferrit und Perlit ausbilden kann. Mit zunehmendem Randabstand ergibt sich aufgrund der Kohlenstoffdiffusion zum Kern des meist niedriglegierten und kohlenstoffarmen Grundwerkstoffs ein kontinuierlich abnehmender Kohlenstoffgehalt. Parallel zum Kohlenstoffprofil verläuft meist auch ein Gefügeund Härtegradient, der den lokalen Kohlenstoffgehalt widerspiegelt.

Dadurch ergeben sich im einsatzgehärteten Zustand sehr unterschiedliche Eigenschaftsprofile mit einer harten und verschleißfesten Randschicht, die jedoch aufgrund der hohen Härte eine gewisse Versprödung aufweist, und einem weichen und duktilen Kern. Dieses spezielle Eigenschaftsprofil erlaubt es, z. B. bei Zahnrädern eine deutlich geringere Überlastempfindlichkeit zu erreichen, als dies bei einem durchhärtenden hochkohlenstoffhaltigen homogenen Stahl der Fall wäre. Darüber hinaus ergibt sich bei richtiger Prozessführung in der Regel immer ein Eigenspannungsprofil mit Druckeigenspannungen von einigen hundert MPa an der Oberfläche, was sich positiv auf die Schwingfestigkeit der Bauteile auswirkt.

Welche Verfahren des Einsatzhärtens werden heutzutage am häufigsten angewandt?

Steinbacher: Das Einsatzhärten hat eine umfangreiche Historie mit verschiedenen Verfahren zum Einbringen des Kohlenstoffs in die Randschicht. Dazu gehören heute in der industriellen Praxis eher randständige Verfahren wie das Aufkohlen im Pulverbett sowie das Salzbadaufkohlen, das aufgrund des permanenten parallelen Eintrags von Stickstoff in die Randschicht eigentlich ein Carbonitrieren ist. Wesentlich verbreiteter in der industriellen Praxis sind heute Verfahren in Gasatmosphären, wie das Gasaufkohlen unter Normaldruck und das Niederdruckaufkohlen mit Kohlenwasserstoffen. Die Gasaufkohlungsverfahren bei Normaldruck sind hinsichtlich der Atmosphäre sehr vielfältig. Nach dem heutigen Stand der Technik sind die Verfahren, die eine Atmosphäre auf der Basis von Kohlenmonoxid verwenden, am weitesten verbreitet. Die Gasaufkohlung erfreut sich dabei aufgrund der guten Regelbarkeit und der technologisch relativ einfach zu realisierenden Ofentechnik mit guter Skalierbarkeit großer Beliebtheit. Die Niederdruckaufkohlung hat sich in den letzten 30 Jahren stark verbreitet und gehört heute wie die Gasaufkohlung bei Normaldruck zu den Standardverfahren für die Aufkohlung von Massenbauteilen. Die Plasmaaufkohlung findet heute nur noch relativ selten Anwendung und wurde von der technisch einfacher zu realisierenden Niederdruckaufkohlung verdrängt.

Dr.-Ing. Matthias Steinbacher (r. im Bild im Gespräch mit Seminarteilnehmern) leitet die Abteilung Wärmebehandlung im Leibniz-IWT in Bremen.

Für welche Bauteile werden die Verfahren hauptsächlich eingesetzt und welche Bedeutung hat dieser Prozess des Härtens im Hinblick auf die gesamte Prozesskette?

Steinbacher: Das Einsatzhärten hat grundsätzlich eine recht breite Anwendung, wird aber überwiegend bei hochbeanspruchten Bauteilen mit Biegeoder Überrollbeanspruchung eingesetzt. Darüber hinaus werden viele Bauteile einsatzgehärtet, die herstellungsbedingt einen weichen Grundwerkstoff erfordern, im Anwendungsfall aber eine sehr hohe Oberflächenhärte aufweisen müssen, um beispielsweise einen ausreichenden Verschleißwiderstand zu bieten. So konzentriert sich ein Großteil der behandelten Bauteile in der Antriebstechnik auf verzahnte Getriebeteile, Wellen und Wälzlager. Darüber hinaus werden viele Verbindungselemente wie Bolzen oder Schrauben einsatzgehärtet. Das Aufkohlen bzw. Einsatzhärten ist aufgrund der heute üblichen Temperaturen zwischen 850°C und ca. 1000°C und der langen Prozessdauer wegen der langsamen Kohlenstoffdiffusion ein energieund kostenintensiver Prozess.

Was sind die wichtigsten Zielsetzungen beim Einsatzhärten?

Steinbacher: Das Einsatzhärten erzeugt ein einzigartiges Eigenschaftsprofil aus einer harten, verschleißfesten Randschicht und einem duktilen Kern. In Oberflächennähe werden Druckeigenspannungen aus der Umwandlungsfolge und der spezifischen Dehnung aus der Volumenänderung bei der Martensitbildung erzeugt, die zwar mäßig ausgeprägt sind, aber prozessinhärent stabil erzeugt werden können. Die erzeugten Eigenspannungen sind im Betrieb in der Regel sehr beständig, wenn keine übermäßigen thermischen Belastungen auftreten.

Durch die Aufkohlung kann die Dicke der einsatzgehärteten Schicht im Wärmebehandlungsprozess gezielt variiert werden. Darüber hinaus kann das Randschichtgefüge gezielt beeinflusst werden, indem der Randschichtkohlenstoffgehalt an den Werkstoff und das Zielgefüge angepasst wird.

Werden diese Verfahren auch in Zukunft relevant sein?

Steinbacher: Das Einsatzhärten kann aufgrund seines thermochemischen Charakters auf eine Vielzahl auch sehr komplexer Geometrien angewendet werden. Aufgrund der resultierenden Eigenschaften der so behandelten Bauteile wird das Einsatzhärten auch in Zukunft eine wichtige Rolle bei der Wärmebehandlung von Bauteilen spielen.

Welche Vor- und Nachteile haben diese Verfahren?

Steinbacher: Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist die gute Steuerund Regelbarkeit der Zielgrößen. Dadurch sind sehr unterschiedliche, spezifische Anpassungen des Gefüges an die oberflächennah vorherrschenden Beanspruchungen möglich. Nachteilig wirkt sich der hohe Energieaufwand durch die hohen Prozesstemperaturen und der Verbrauch an Betriebsmitteln bei der Atmosphärentechnik aus. Hier geht der Trend in Richtung Niederdruckverfahren, da diese insbesondere hinsichtlich des Gaseinsatzes und der Abgasnachbehandlung anlagentechnisch weniger anspruchsvoll sind als die Normaldruckverfahren.

Wie wichtig ist eine genaue Prozesssteuerung bei diesen Verfahren? Welche Messgeräte und Sonden werden eingesetzt?

Steinbacher: Die Regelung des Aufkohlungsprozesses erfolgt in der Regel durch die Kontrolle verschiedener Atmosphärenbestandteile in der Gleichgewichtsatmosphäre mittels IRoder UVAnalysatoren. Etabliert ist auch die Verwendung einer sogenannten Sauerstoffoder Lambdasonde, um das Kohlenstoffpotential der Atmosphäre messtechnisch zugänglich zu machen. Beide Verfahren nutzen unterschiedliche Reaktionspfade in der Gasaufkohlungsatmosphäre: Mit einem Gas(phasen)analysator wird das BoudouardGleichgewicht aus aufkohlendem Kohlenmonoxid (CO) und entkohlendem Kohlendioxid (CO₂) gemessen. Die Sauerstoffsonde misst das Redoxpotential der Atmosphäre weniger selektiv als ein Analysator. Durch die Verwendung eines Festkörperelektrolyten wird der Sauerstoffdurchgang durch Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid genutzt, um die Potentiale im Referenzluftraum gegenüber der Sondenoberfläche im Atmosphärenraum zu bewerten. Die Sauerstoffsonde liefert somit eher eine auf der Wassergasreaktion basierende Regelgröße (GGW H₂O/H₂).

Dipl.-Ing. KarlMicheal Winter (Nitrex Inc., ist Mitglied des FA 22 "Sensorik, Digitalisierung und Datenanalyse" sowie Mitglied des AWTVorstands)

Welche Entwicklungen zur Prozessautomatisierung und Predictive Maintenance gibt es aktuell beim Anlagenbau?

Winter: Mit der immer stärker auftretenden Anwendung von künstlicher Intelligenz bzw. maschinellem Lernen werden wir hier in naher Zukunft eine extreme Veränderung sehen, die in kleinen Teilen bereits heute sichtbar ist. Mit dem Aufkommen der prädiktiven Instandhaltung (predictive maintenance) wurden hier erste Schritte unternommen. Prädiktiv bedeutet, dass Teile nicht erst nach Ausfall oder aber präventiv nach Erreichen eines Schwellwertes ihrer erfahrungsgemäßen Lebensdauer gewechselt werden, sondern aufgrund einer zu erwartenden Restlebensdauer, die z. B. über Sensoren im Betrieb laufend neu berechnet wird. Damit fällt ein Austausch bzw. eine Instandsetzung immer genau dann an, wenn das (Rechner)System diese anordnet. Ziel sowohl der vorbeugenden (präventiven) als auch der vorhersagenden (prädiktiven) Instandhaltung ist es, Ausfälle, und damit Stillstandszeiten während der Produktionszeit der Anlagen zu vermeiden. Die vorhersagende Instand ­haltung soll einem dabei eine höhere Sicherheit geben sowie „unnötige“ Wartungen sparen.

Der nächste konsequente Schritt ist nun, diese Herangehensweise auch auf den Prozess sowie die zu fertigenden Güter anzuwenden. Mit Hilfe von maschinellem Lernen kann das System ermitteln, wie eine Anlage sich bei einem Prozess typischerweise verhält und was Abweichungen sowohl für die Anlage als auch für die Charge bedeuten. Geht man jetzt noch einen Schritt weiter, ist das System in der Lage während des Prozesses selbsttätig die notwendigen Korrekturen vorzunehmen bzw. den Bediener entsprechend darauf hinzuweisen. Jetzt spricht man von präskriptiv, also verordnend.

Das ultimative Ziel ist dann eine autonome Fertigung, bei der die Anlagen optimal genutzt, keine Ressourcen verschwendet werden und kein manueller Eingriff mehr erfolgen muss. Bei jedem Fertigungsschritt werden die voranliegenden Fertigungsschritte und deren Einfluss auf die Bauteileigenschaften berücksichtigt. Davon sind wir aber noch ein gutes Stück entfernt.

Wie sind die Verfahren aus wirtschaftlicher Sicht zu bewerten und zu optimieren? Was wird bereits unternommen?

Steinbacher: Aus rein wirtschaftlicher Sicht wird das Verfahren umso effizienter, je besser der Ofenraum ausgenutzt wird. Je mehr Bauteile in einer Charge behandelt werden können und je mehr Tonnage pro Ofenstunde behandelt werden kann, desto wirtschaftlicher wird die Wärmebehandlung. Dabei spielen verfahrensspezifische Grenzen wie die Gleichmäßigkeit der Atmosphäre und die Gleichmäßigkeit des Abschreckens eine wesentliche Rolle. Aufgrund der besonderen Anforderungen an einsatzgehärtete Bauteile kann ein Teil des heute üblichen Portfolios, das durch Einsatzhärten hinsichtlich der Beanspruchbarkeit verbessert wird, auch durch induktives Erwärmen und Härten zu vergleichbaren Eigenschaften gebracht werden. Letzteres ist jedoch verfahrensbedingt deutlich effizienter als das Einsatzhärten, hat aber auch noch verfahrenstechnische Grenzen, die einen generellen Ersatz des Einsatzhärtens verhindern.

Wie kann bei diesen Verfahren Energie eingespart werden? Welche weiteren Maßnahmen sollten aus ökologischer Sicht zur Prozessoptimierung getroffen werden? Was wird in der Praxis bereits umgesetzt?

Steinbacher: Der ZeitTemperaturVerlauf des Prozesses erfordert in der Regel relativ hohe Temperaturen oberhalb der Ac3Temperatur des Stahls. Daraus resultiert eine hohe Ofenraumtemperatur, die einen hohen Energieeintrag zur Erwärmung der Bauteile erfordert. Der Wirkungsgrad wird im Wesentlichen durch die Isolierung des Ofens und die Prozessdauer bestimmt, da hierdurch die ungewollte Energieabgabe (Wandverluste) über den Prozess maßgeblich beeinflusst wird. So sind Prozesse mit hohen Ofenraumtemperaturen, aber kurzen Verweilzeiten oft effizienter als Prozesse mit langen Verweilzeiten bei niedrigen Temperaturen. Hinsichtlich der Effizienz des Atmosphäreneinsatzes bestehen noch Verbesserungsmöglichkeiten, da bauteilund prozessangepasst unterschiedliche Begasungsmengen möglich sind, in der Regel jedoch ein stabiles konstantes Niveau verwendet wird. Auch die Nutzung des Abgases als Einsatzstoff und kostengünstiger Rohstoff für weitere Prozesse ist noch nicht flächendeckend umgesetzt. Hier besteht noch ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung.

Welche Rolle spielt der Anlagenbau beim Erreichen der ökologischen Ziele?

Steinbacher: Die Energieverluste, die während des Einsatzhärtens eine Rolle für den ökologischen Fußabdruck spielen, sind vor allem bei langen Prozessen relevant. Hier können die Ofenbauer durch bessere Isolierkonzepte eine Effizienzsteigerung erreichen: Ein noch größeres Potenzial zur Ressourceneinsparung bietet jedoch die Atmosphärentechnik. Der sparsame Einsatz von Gasen durch Abgasrückführung bietet hier aus heutiger Sicht ein großes Potenzial, den Energieeinsatz beim Einsatzhärten deutlich zu reduzieren. Ferner kann die Abgasnachbehandlung durch den Verzicht auf eine aktive Abfackelung unter Einsatz von Kohlenwasserstoffen signifikant effizienter gestaltet werden.

Welche Rolle spielt das Einsatzhärten in der Automobil- und Zuliefererindustrie?

Kleff: Das Einsatzhärten von Getriebebauteilen für Anwendungen im PKW, Nutzfahrzeug oder auch im OffRoad Bereich, wie z. B. Marine, Bahn oder Windkraft, ist nach wie vor das typische Wärmebehandlungsverfahren für Zahnräder, Wellen und weiterer Bauteile mit hoher dynamischer oder statischer Beanspruchung. Das gilt sowohl für klassische Antriebe in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor als auch für Neuentwicklungen der EMobilität. Während im Automobilbereich bei kleinen bis mittleren Abmessungen heute sicher das NiederdruckAufkohlen in Kombination mit HochdruckGasabschrecken dominiert, werden größere Abmessungen eher mittels klassischer Atmosphärentechnik aufgekohlt und im Öl oder Polymer abgeschreckt.

Bachmann: Das Einsatzhärten wird auch zukünftig eine wichtige Rolle in der Fertigungsprozesskette von Antriebsteilen, mit Stahl als wichtigstem Konstruktionswerkstoff, einnehmen. Neben den selbstverständlich wirtschaftlichen Aspekten, bilden steigende Qualitäts, Energieund Umweltanforderungen aktuell den Rahmen für die Anlagenund Technologieentwicklung.

Die zunehmend virtuelle Produktentwicklung, die sich verändernden Anforderungen im elektrischen Antriebsstrang, Digitalisierung und Automatisierung bieten vielfältige Möglichkeiten für Innovationen. Konzepte für integrierte Werkstoffund Prozessentwicklungen bieten hier beispielsweise Potentiale. Ebenfalls ist die Kooperation von Automobilund Zulieferindustrie im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung ein wichtiger Faktor für die Migration von Wissen aus Forschung in die Unternehmen.

Dr. rer. nat. Mischa Bachmann (Fachreferent, Volkswagen AG, Group Technology, ist Mitglied des FA 4 „Einsatzhärten“)

Welche speziellen Auswirkungen hat die Entwicklung der E-Mobilität auf den Prozess des Härtens?

Steinbacher: Die eMobilität reduziert den Bedarf an Bauteilen im Bereich kleiner und mittlerer Verzahnungen deutlich, da durch den im Vergleich zum Verbrennungsmotor deutlich breiteren Drehzahlbereich weniger Gänge benötigt werden. Dies betrifft jedoch nur einen bestimmten Größenbereich, was bereits zu einem spürbaren Nachfragerückgang z. B. nach Verzahnungsteilen führt. Darüber hinaus steigen die Anforderungen an die verbleibenden Triebstrangkonzepte mit zwar deutlich weniger Bauteilen, aber erhöhten Belastungen durch das spezifische Drehmoment von Elektromotoren. Hinzu kommt, dass durch Rekuperation kinetische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt wird und damit eine wechselnde statt einer schwellenden Belastung auf die verzahnten Getriebekomponenten einwirkt. Dies erhöht die Beanspruchung und die Anforderungen an Zahnräder und Komponenten im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen. Damit steigen die Anforderungen an eine angepasste Einsatzhärtung für nochmals erhöhte Leistungsdichten gegenüber vorherigen Antriebskonzepten.

Dr.-Ing. Jörg Kleff (Senior Manager Production Engineering im Bereich Commercial Vehicle Systems der ZFFriedrichshafen AG, ist Mitglied des FA 4 „Einsatzhärten“ und Mitglied des AWTVorstands)

Kleff: Anforderungen an einsatzgehärtete Getriebebauteile für die EMobilität sind darüber hinaus eine sehr hohe Maßstabilität in der Fertigung. Zur Einsparung von Gewicht und Bauraum wird das Design dieser Bauteile immer komplexer, heißt stark unsymmetrisch, sehr dünnwandig und viele unterschiedliche Funktionsmerkmale mit engen Fertigungstoleranzen. Das sind große Herausforderungen für die Wärmebehandlung mit nachfolgender Hartfeinbearbeitung. Notwendig sind sehr stabile Prozesse und ein gut bekanntes Verzugsverhalten der Bauteile, so dass Maß- und Formänderungen infolge der Wärmebehandlung möglichst schon in der Weichbearbeitung vorgehalten werden können.

Aus diesem Grund werden heute immer mehr Bauteile für EAntriebe von Nutzfahrzeugen nach dem Aufkohlen fixturgehärtet. Beispiele dafür sind Hohlräder, Hohlradträger, Sonnenräder und wellen, Kupplungskörper oder Muffen. Mittels Dornund Presshärten und speziell für diese Bauteile entwickelte Werkzeuge und Druckstücke können die Anforderungen an ein stabiles Verzugsverhalten beim Härten unter Formzwang erreicht und auf eine nachfolgende Hartfeinbearbeitung weitgehend verzichtet werden. Die Auslegung dieser Werkzeuge an das Bauteil und Gestaltung der Kühlkanäle für die Ölabschreckung erfordert aufwändige Optimierungen, die mit Simulationen unterstützt werden können.

Welche aktuellen Forschungsbedarfe gibt es momentan im Bereich Einsatzhärten?

Steinbacher: Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Leistungsdichte im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen mit Getrieben sind die Anforderungen an die durch Einsatzhärten erreichbaren Bauteilbelastbarkeiten weiter gestiegen. Ein optimales Randschichtgefüge mit verbesserten Werkstoffen ist Gegenstand der aktuellen Forschung. Restaustenit sowie Duplexverfahren mit Aufkohlung und anschließendem Nitrieren für höchste Beanspruchbarkeit stehen im Fokus aktueller und zukünftiger Entwicklungen.

Welcher AWT-Fachausschuss diskutiert die aktuellen Herausforderungen und begleitet die Projekte der Industriellen Gemeinschaftsforschung für dieses Verfahren?

Federführend ist der Fachausschuss 4 „Einsatzhärten“ mit Schnittstellen zum Fachausschuss 20 „Sensorik, Digitalisierung und Datenanalyse“ und dem Fachausschuss 21 „Gefüge und mechanische Eigenschaften“.

Um mehr Grundlagenwissen über das Thema zu erlangen und für den direkten Austausch mit den Experten dieses Interviews, besuchen Sie unser AWT-Seminar „Einsatzhärten in Theorie und Praxis“ am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT, unter der Leitung von Dr. Matthias Steinbacher, am 14./15. Mai 2024 in Bremen.

Berichte von abgeschlossenen Forschungsvorhaben zum Einsatzhärten finden Sie auch unter „Forschung“ in der AWTDatenbank der Projekte der Industriellen Gemeinschaftsforschung. (wwwawt-online.org).