AWT-Info / HTM 06-2025

Wir begrüßen unsere neuen Mitglieder in der AWT

Personen:

Bernd Buchfink

Lampros Chatzis

Daniel Schmidt

Materialwissenschaft im Dienste des Denkmalschutzes

Für Museen und ehrenamtliche Vereine, die Schiffe als maritime Kulturgüter erhalten und zugänglich machen wollen, stellen kostenintensive Korrosionsmessungen und -bekämpfung regelmäßig eine enorme finanzielle Herausforderung dar. Anhand des ehemaligen Walfängers "RAU IX" aus dem Jahr 1939 soll jetzt eine nachhaltige und kostensparende Methode entwickelt werden, wie Schiffe wie dieses zukünftig gewartet werden können.

Dr.-Ing. Andree Irretier aus dem Leibniz-IWT unterstützt hier bei der Entwicklung eines Messverfahrens zur großflächigen Bestimmung der Rumpfwandstärke durch Infrarotthermografie. So könnten zukünftig, insbesondere an schwer zugänglichen Bereichen, mögliche Schwachstellen frühzeitig, zuverlässig und zerstörungsfrei geprüft werden.

Neue Meilensteine für Museumsschiffe: Im Rahmen eines regionalen Forschungsprojekts des Deutschen Schifffahrtsmuseums und des Leibniz-Institut für Maritime Geschichte werden bedeutende Fortschritte bei der Erforschung und Erhaltung von Museumsschiffen erzielt. Das Leibniz-IWT bringt in diesem Zusammenhang seine wissenschaftliche Expertise ein.

Der Walfänger RAU IX im Neuen Hafen in Bremerhaven

31st IFHTSE-World Congress, ECHT, HeatTreatmentCongress (HK)

• Heat treatment – processes, systems, media, safety

• Sustainability concepts for heat treatment plants and process chains

• Artificial intelligence, simulation and digitalization

• Production and processing of components in the process chain

• Properties of components in processing

• New material developments

• Material characterization and quality control

Steel Innovation

• Materials Engineering steel

• Digital steel technology

• High strength and wear-resistant steels

• Sustainable steel - recycling, re-use and re-manufacturing

• Corrosion-resistant steels

• Hydrogen embrittlement /steel development for the hydrogen economy

• Materials testing for steel

• Increasing the damage tolerance of steels

• New steel concepts for additive manufacturing

Chair

Dr. Lesley Frame (University of Connecticut, Vice President of IFHTSE, USA)

Dr. Thomas Waldenmaier (Robert Bosch GmbH, Chairman of AWT, Germany)

International Committee

Dr. Mischa Bachmann (Volkswagen AG, Germany)

Prof. Rafael Colas (Universidad Autónoma de Nueva Leon, Executive Committee Member of IFHTSE, Mexico)

Prof. Rainer Fechte-Heinen (Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien, Germany)

Dr. Imre Felde (Óbuda University, Treasurer of IFHTSE, Hungary)

Prof. Jianfeng Gu (Shanghai Jiao Tong University, Executive Committee Member of IFHTSE, China)

Bernard Kuntzmann (Listemann AG, Executive Committee Member of IFHTSE, Switzerland)

Dr. Stefan Hock (Secretary General IFHTSE, Germany)

Dr. Scott Mackenzie (Quaker Houghton Inc, Executive Committee Member of IFHTSE, USA)

Enrico Morgano (Presidente del Comitato Tecnico AIM, Italy)

Prof. Masahiro Okumiya (Toyota Technological Institute, Japan)

Prof. Massimo Pellizzari (University of Trento, Italy)

Prof. Reinhold Schneider (University of Applied Sciences Upper

Austria, Executive Committee Member of IFHTSE, Austria)

Christophe Stocky (R&D Centre of ABS Acciaierie Bertoli Safau, Executive Committee Member of IFHTSE, France)

Dr. Eva Troell (RISE IVF Research Institutes of Sweden, Executive Committee Member of IFHTSE, Sweden)

Bernhard Vandewiele (General manager at BVDW consultancy, Belgium)

Filip Vráblík (ECOSOND s.r.o., President of ATZK, Czech Republic/Slovakia)

Prof. Mufu Yan (Harbin Institute of Technology, Executive Committee Member of IFHTSE, China)

Scientific/Program Committee

Prof. Thomas L. Christiansen (Worcester Polytechnic Institute, Department of Mechanical & Materials Engineering, USA)

Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Fechte-Heinen (Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien, Germany)

Dr. Volker Heuer (ALD Vacuum Technologie GmbH, Germany)

Prof. Olaf Keßler (Lehrstuhl für Werkstofftechnik,

Universität Rostock, Germany)

Prof. Ulrich Krupp (Director of IEHK - Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen University, Germany)

Prof. Marcel Somers (Technical University of Denmark, Executive Committee Member of IFHTSE, Denmark)

Dr. Matthias Steinbacher (Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien, Germany)

Dr. Isabell Toldo (Hilti AG, Liechtenstein)

Prof. Veronique Vitry (Université de Mons – Faculté

Polytechnique, France)

Local Organizing Committee

Sonja Müller (Managing Director of AWT)

Dr. Thomas Waldenmaier (Robert Bosch GmbH, Chairman of AWT)

Dr. Rainer Tinscher (F&E Technologiebroker Bremen GmbH)

Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Fechte-Heinen (Leibniz-Institut für

Werkstofforientierte Technologien, Germany)

Dr. Stefan Hock (Secretary General of IFHTSE)

Cross-industry Global Highlight!

In addition to the extensive scientific and technical program, attendees will have the unique opportunity to experience a major international exhibition and trade fair. Leading companies from around the world will present their latest developments in equipment, services, operating materials and other relevant technologies that are essential for the heat treatment and surface engineering industries. The exhibition will provide invaluable networking opportunities and a chance to discover new solutions while fostering collaborations between academia and industry. Special offers for complete stands and for newcomers can also be found on the website.

Congress tickets include exhibition admission. Tickets only for the exhibition admission can be purchased separately. The ticket shop will be available from the beginning of June 2026 on the website www.hk-awt.de.

Questions about the event will be answered by the AWT-office.

Phone +49 421 5229339, info@awt-online.org.

Questions about the exhibition booking will be answered by the exhibition office of F&E Technologiebroker Bremen GmbH, Phone +49 421 3972850, contact@congressmanagement.info

Randschichthärten, Elektronenstrahlhärten, Laserhärten

Ein Gespräch mit Mitgliedern des AWT-Fachausschusses 9 „Thermische Randschichttechnologien“

M. Sc. Maximilian Schaudig

Dr.-Ing. Holger Surm

Dr.-Ing. Philipp Hengst

Dr. Steffen Bonß

Dr. Thomas Waldenmaier

Welche Verfahren des Randschichthärtens gibt es und für welche Bauteile sind sie geeignet?

Surm: Die Verfahren zum Randschichthärten lassen sich entsprechend ihrer Verfahren zum Austenitisieren einteilen: Das Anheben der Temperatur in einem örtlich begrenzten Bereich kann über Induktion und Konduktion erfolgen. Daneben kommen Laser- oder Elektronenstrahlen zum Einsatz. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Austenitisieren der Randschicht in der Flamme eines Gasbrenners zu realisieren.

Zum Abschrecken werden in der Regel flüssige Medien (Wasser, Polymer) unter dem Einsatz von Brausen eingesetzt. Auch die Anwendung von gasförmigen Medien ist grundsätzlich möglich. Ist die zu härtende Randschicht klein gegenüber dem restlichen Bauteilvolumen, kann auch die Selbstabschreckung ausreichen, um ein martensitisches Gefüge zu erzeugen.

Die Palette der Anwendungen ist breit gefächert, wird aber von den technologischen Randbedingungen der Verfahren entsprechend eingeschränkt.

Welche Ziele werden hauptsächlich bei der Anwendung dieser Verfahren verfolgt?

Surm: Alle Verfahren haben das Ziel, eine martensitisch gehärtete Randschicht zu erzeugen, die eine hohe Festigkeit und einen hohen Verschleißwiderstand aufweist. Bei korrekter Anwendung liegen in der Randschicht hohe Druckeigenspannungen vor. Im Bereich der SHD kennzeichnet ein sprunghafter Wechsel in Richtung Zugeigenspannungen das Randschichthärten. Aufgrund dieses Eigenschaftsprofils können positive Effekte bei Bauteilen unter der Belastung Torsion oder Biegung erwartet werden. Bei Bauteilen, bei denen hohe Hertzsche Pressungen erwartet werden, z. B. Wälzlager oder Zahnräder, kann durch das Randschichthärten von einer Verlängerung der Einsatzdauer ausgegangen werden.

Dr.-Ing. Holger Surm ist Mitarbeiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik des Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT in Bremen. Der Schwerpunkt seiner Forschungstätigkeit liegt in den Bereichen Einsatzhärten und Randschichttechnologien

Welche Vor- und Nachteile gibt es beim Induktionshärten?

Schaudig und Waldenmaier:

Die Vorteile sind wie folgt:

• Ein hoher Wirkungsgrad

• Das Verfahren kann in die Fertigungslinie integriert werden

• Es kann zielgenau gehärtet werden

• Waldenmaier: Im Gegensatz zu einem Batchprozess von mehreren Werkstücken in einem Ofenprozess werden beim Randschichthärten Werkstücke einzeln behandelt, wodurch die Prozessdaten auch bei einer Rückverfolgung dem individuellen Werkstück zugeordnet werden können. Dies eröffnet auch bei Digitalisierungsansätzen, z. B. zum Erstellen eines digitalen Zwillings des Werkstücks, die konkrete Zuordnung von Daten

• Waldenmaier: Die Einzelteilbehandlung ist auch vorteilhaft beim Vorhalten von Form- und Maßänderungen in der Weichbearbeitung eines Werkstücks, da auf gleiche Eingangsbedingungen gleichbleibender Verzug folgt

• Die Werkzeuge (Induktor und Brause) sind aktuell schon im 3D- Druck erhältlich

• In der gleichen Anlage kann auch induktiv angelassen werden

• Durch das Abschreckmedium kann der Prozess positiv beeinflusst werden (Gefüge und Risse)

• Die Einhärtungstiefe ist durch die Frequenz des Magnetfeldes einstellbar und bietet eine große Varianz der erreichbaren Einhärtungstiefe (0,3 mm bis zu 12 mm). Dies ist allerdings sehr materialabhängig

Waldenmaier: Mithilfe einer Zustellung in Kombination mit einem angepassten Vorschub des Induktors und/oder der Abschreckbrause können auch komplexe Geometrien abgefahren und entsprechend den Zeichnungsvorgaben der einzustellenden Härtebereiche konturnah gehärtet werden.

Es gibt aber auch Nachteile:

• Das Material muss bereits durch die chemische Zusammensetzung alle Elemente in ausreichender Menge mitbringen

  (Fokus auf Kohlenstoff, da relevant für die Härte) und ist abhängig vom Zustand des Ausgangsgefüges.

  Waldenmaier: beispielsweise in einem vorvergüteten Zustand ist vor allem der Kohlenstoff bereits möglichst gleichmäßig in der Matrix verteilt, bei einem stark Ferrit-zeiligen Gefüge müsste der Kohlenstoff beim Austenitisieren erst aus Ausgangsphasen wie Perlit und Carbid nach Lösen des Kohlenstoffs für die Härtung in die Bereiche mit geringem Kohlenstoffgehalt diffundieren. Eigenspannungen im Ausgangszustand führen dazu, dass sich generell beim Randschicht­härten die Eigenspannungen durch das Erwärmen beim Randschichthärten abbauen und eine plastische Verformung des Werkstücks bewirken. Dadurch erhöht sich der resultierende Gesamtverzug von Werkstücken, ggf. auch die Streuung des Verzugs. Im schlimmsten Fall kann es während der induktiven Randschichthärtung zu einem Kontakt zwischen Werkstück und Induktor kommen, was zur Zerstörung des Induktors und / oder des Werkstücks führen kann

• Die Anlageninvestition ist teuer

• Randoxidation ist kaum zu vermeiden

• Die Qualitätskontrolle kann nur zerstörend durchgeführt werden

• Große Rüstaufwände, vor allem bei kleinen Losgrößen

• Die Wärmeeinflusszonen durch das Magnetfeld müssen bei der Konstruktion mitberücksichtigt werden

• Es wird ein Abschreckmedium benötigt. Das hat starken Einfluss auf den Prozess und führt zu Verschmutzungen, welche mit einer geeigneten Reinigung der Werkstücke im Anschluss wieder entfernt werden müssen. Je nach Abschreckmedium, z. B. Menge des Polymeranteils, bedeutet dies auch auf der Anlagenseite ggf. einen erhöhten Wartungsaufwand

• Waldenmaier: Besonders bei komplexen oder auch bei unbekannten Geometrien wird eine größere Anzahl von Einstellteilen benötigt, da die Prozessparameter zum Einstellen der gewünschten Randschichthärtetiefen und die Lagen der gehärteten Zonen iterativ ermittelt werden. Selbst bei etablierten Serienprozessen an bekannten Werkstücken ist es notwendig die Umrüstung der Anlage, z. B. zum Randschichthärten eines anderen Werkstücktyps, mittels Einstellteilen zu kontrollieren.

  Bauteile sollten, wenn möglich, rotationssymmetrisch sein, da für eine möglichst gleichmäßige Randschichthärtung das Bauteil rotieren sollte. Dadurch können lokale Unterschiede bei der Einkopplung des Magnetfeldes zwischen Induktor und Werkstück ausgeglichen werden. Eine mögliche Rotation des Werkstücks beim Abschrecken des Werkstücks kann ebenfalls die Abschreckwirkung vergleichmäßigen

• Es entsteht ein Rüstaufwand bei Durchmesserunterschieden, schöpfenden Geometrien und Funktionsflächen im Einspannbereich

Auch das Elektronenstrahlhärten wird zur Steigerung der Belastbarkeit der Randschicht eines Bauteils eingesetzt. Was ist das Spezifische an diesem Verfahren? Welche Stähle und Bauteile sind hierfür geeignet?

Hengst: Beim Elektronenstrahlhärten gibt es keine Einschränkungen bezüglich der Stahlsorten im Vergleich zu anderen Randschichthärteverfahren. Ähnlichen wie bei den anderen Verfahren muss der Vorwärmebehandlungszustand berücksichtigt werden. Für ein gleichmäßiges Härteergebnis sollte eine möglichst homogene Kohlenstoffverteilung (z.B. vergütet) vor dem Härten vorliegen, da ein Ausgleich einer heterogenen Kohlenstoffverteilung infolge der kurzen Behandlungszeiten kaum möglich ist.

Seit 2023 leitet Dr. Philipp Hengst die Arbeitsgruppe Elektronenstrahltechnologien am Institut für Werkstofftechnik in Freiberg. Neben der Verantwortung für das Härtelabor ist er für die Vorlesungen zur Wärmebehandlung & Randschichttechnik und Strahltechnologien zuständig. Die Forschungsschwerpunkte sind Entwicklungen der Elektronenstrahltechnologien in den Bereichen Fest- und Flüssigphasen-Randschichtbehandlung, drahtbasierte additive Fertigung, Auftragschweißen sowie dem Fügen durch Schweißen und Löten

Generell können alle Bauteile mit dem Elektronenstrahl gehärtet werden, bei denen die Zugänglichkeit des Strahls zur Behandlungsfläche möglich ist und genügend Volumen zur Selbstabschreckung für die geforderte SHD zur Verfügung steht. Das Elektronenstrahlhärten kommt typischerweise bei Fahrzeugkomponenten (Nockenstücke, Pumpennocken, Lager- oder Ventilsitze) zum Einsatz. Weiterhin kann das Verfahren auch für komplexe, nicht rotationssymmetrische Bauteile zum Einsatz kommen, bei denen eine gezielte Energieverteilung, z.B. aufgrund unterschiedlicher Wärmeableitungsbedingungen, erforderlich ist.

Die Vorteile des Elektronenstrahl-Härtens sind:

• Sehr hohe Aufheiz- und Abkühlraten (103 bis 104 K/s)

• Ein hoher Wirkungsgrad mit geringer Abhängigkeit vom Oberflächenzustand und vom Einstrahlungswinkel

• Saubere Oberfläche und keine Randoxidation durch das Vakuum

• Es ist kein Abschreckmedium notwendig

• Härten mit Vorschub aber auch ohne Vorschub des Bauteils, d.h. nur der Elektronenstrahl bewegt sich

• Der Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Quotientenpyrometern zur Regelung der Strahlleistung zur Einstellung einer definierten Oberflächentemperatur

• Schnelle programmierbare Strahlbewegung und eine flexible Anpassung der Energieverteilung an komplexe Bauteilgeometrien und spezifische Anforderungen

• Es sind keine bauteilspezifischen Werkzeuge (mit Ausnahme der Einspannung) notwendig

• Sehr präzises, konturgetreues Härten mit einer geringen thermischen Beeinflussung der umliegenden Bauteilbereiche

• Üblicherweise wird kein zusätzliches Anlassen notwendig

• Die Strahlenquelle eignet sich auch für andere Prozesse wie Umschmelzlegieren, Schweißen oder Auftragsschweißen, folglich ist eine Zusammenfassung mehrerer Prozessschritte möglich

Nachteile dieses Verfahrens:

• Es ist ein genügendes Bauteilvolumen zur Selbstabschreckung für die geforderte SHD notwendig

• Die Behandlungsoberfläche muss für den Elektronenstrahl zugänglich sein

• Sehr hohe Anlagenkosten

• Die Beschränkung der behandelbaren Bauteilgröße durch die Abmessungen der Vakuumkammer, folglich ist eine individuelle Abstimmung der Kammergröße auf die Bauteilgröße notwendig

• Eine Entmagnetisierung der Bauteile vor der Behandlung ist zwingend notwendig

• Es ist ein hohes Know-how für die Implementierung in den Serienprozess erforderlich, das erfordert auch den Einsatz von spezialisiertem Fachpersonal für die Entwicklung und Optimierung von Prozessen

• Aktuell gibt es einen hohen Bedarf an Einstellteilen, abhängig von der Komplexität der zu härtenden Geometrie

Ein weiteres Verfahren ist das Laserstrahlhärten. An welchen Bauteilen und zu welchem Zweck wird dieses Verfahren eingesetzt?

Bonß: Das Laserstrahlhärten wird dann sinnvoll eingesetzt, wenn nur bestimmte Bereiche eines Bauteils gehärtet werden sollen. Wie beim Elektronenstrahlhärten muss der zu härtende Bereich optisch zugänglich sein. Ist der direkte Zugang aus der Laseroptik nicht möglich, können Spiegel vorteilhaft dafür eingesetzt setzen. Härten in Schutzgasatmosphären wird in einigen Anwendungen praktiziert, weil dadurch Nacharbeit eingespart werden kann. Abgeschreckt wird in der Regel durch Selbstabschreckung durch Wärmeabfluss ins kalte Bauteil. Bei Bauteilen mit geringem Volumen wird die Selbstabschreckung durch Gas oder Wasserkühlung unterstützt. Der Verzug ist, ähnlich wie beim Elektronenstrahlhärten, vergleichsweise gering, weil, im Vergleich zu anderen Härteverfahren, deutlich weniger Wärme eingebracht wird. Wegen der Selbstabschreckung ist die Härtetiefe bei Vergütungsstählen bei etwa 1.5 mm begrenzt. Stähle mit geringerer minimaler Abschreckgeschwindigkeit können tiefer gehärtet werden. Typische Beispiele sind Schneidkanten und Ziehradien von Karosseriewerkzeugen. Die alten Anwendungen Dampfturbinenschaufeln und Zylinderlaufbuchsen für Großdieselmotoren laufen weiterhin. Heute gehen die Anwendungen von Platinen und Nadeln aus der Textilindustrie bis zu Motor- und Fahrzeugbauteilen. Selbst Verzahnungen sind heute in einigen Fällen sinnvoll mit dem Laser zu härten, wenn der Verzug reduziert werden soll und nur die Zahnflanken gehärtet werden müssen.

Dr. Steffen Bonß betreibt mit der Bonss Laserprozessberatung seit 2022 ein Beratungs- und Serviceunternehmen im Bereich von Laserbearbeitungsverfahren wie z. B. Laserschweißen.

Dr. Bonß hält 8 Patente auf dem Gebiet der Laserbearbeitung und schrieb über 90 Veröffentlichungen

Vorteile des Laserstrahlhärtens sind:

• Extrem hohe Abschreckraten und dadurch ist eine Härtesteigerung bei Werkstoffen mit wenig Kohlenstoff möglich

• Verzugsarmes Härten

• Beliebige 3-D-Geometrien sind möglich, solange eine relative Bahnbewegung von Laserspot und Bauteil möglich ist

• Es ist ein Härten ohne Oberflächenoxidation möglich

• In der Regel sind keine zusätzlichen Abschreckmedien nötig

• Eine partielle Härtung unter Aussparung rissgefährdeter Bereiche ist möglich

• In vielen Fällen kann auf das Anlassen verzichtet werden

• Es ist Einzelteilfertigung und damit Rückverfolgbarkeit der Prozesse zum Einzelteil möglich

• Es gibt eine sehr hohe Prozessstabilität durch Erfassung der Oberflächentemperatur während des Prozesses mit Pyrometern oder Thermokameras und Regelung der Laserleistung zur Konstanthaltung der Oberflächentemperatur

• Eine einfache Integration in Fertigungslinien

• Die Integration in Bearbeitungsmaschinen ist möglich und bei kurzen Laserprozesszeiten sinnvoll

• Die Verfügbarkeit einer Vielzahl verschiedener fest eingestellter oder automatisch verstellbarer Optiken bis hin zu Scanneroptiken zur optimalen Wärmeeinbringung

• Das Härten ist mit minimalem Energieaufwand möglich, wenn lokale Härtung die Bauteilfunktion erfüllt

• Es ist eine indirekte 100%-Qualitätskontrolle der Einzelteile über Überwachung von Temperatur-Zeit- und Laserleistungs-Zeit-Verläufen und Vergleich mit Referenzteilen möglich

Die Nachteile sind:

• Die Härtetiefe ist begrenzt auf ca. 1,5 mm bei Vergütungsstählen

• Es ist eine reduzierbar gleiche Oberflächenqualität nötig für eng tolerierte Prozessergebnisse

• Aufwändige Prozesseinrichtung durch iterative Optimierung von Strahlform und Prozessgeschwindigkeit unter Verwendung mehrerer Bauteile und zerstörender Prüfung

• Je nach Anforderungen an die Lage der Härtezone ist eine präzise Bahnbewegung mit einer entsprechenden Bewegungsmaschine nötig

• Der Arbeitsraum muss für direkte und reflektierte Laserstrahlung beschusssicher und lichtdicht sein

• Geschlossene Konturen sind nur mit Schlupfzone oder mit aufwändiger Zweistrahltechnik ohne Schlupfzone härtbar

Wann und in welchem Zusammenhang wurden diese Verfahren entwickelt?

Schaudig: Entdeckt wurde das Induktionshärten 1831 von Michael Faraday. Industrielle Bedeutung erlangte die Induktion im frühen 20. Jahrhundert für das Schmelzen von Metallen. Das serienmäßige Induktionshärten gab es ab circa 1950. Entwickelt wurde es für Bauteile aus dem Automotive-Sektor mit großen Stückzahlen. Durch die steigende Automatisierung der Produktion und der Einzelteilnachverfolgung aus Qualitätsgründen gewinnt diese Technologie immer mehr an Bedeutung.

Hengst: Der Elektronenstrahl wurde Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt und fand zunächst Anwendung beim Schmelzen von Metallen. Die Nutzung des Elektronenstrahls zur Materialbearbeitung erfolgte ab Mitte des 20. Jahrhunderts. Erste industrielle Anwendungen umfassten Maschinen für das Bohren sowie das Schweißen mit Tiefschweißeffekt. Seit den 1980er Jahren gewann die Oberflächenbehandlung mit dem Elektronenstrahl dank fortschrittlicher Entwicklungen in der Ablenktechnologie zunehmend an industrieller Bedeutung.

Dr. Thomas Waldenmaier leitet die Abteilung Wärmebehandlung bei der Robert Bosch GmbH in Renningen. Er ist Vorsitzender der AWT und im Vorstand der AWT zusätzlich für die Betreuung der Normenarbeit zuständig

Bonß: Der Laser wurde 1960 erstmals von Theodore Maiman als nicht zur Materialbearbeitung geeigneter Rubinlaser realisiert. Hochleistungslaser waren zuerst eher zur Wärmebehandlung als zum Schneiden und Schweißen geeignet, weil deren Strahlqualität, also die Fähigkeit gut fokussiert werden zu können, zunächst nicht besonders gut war. Dennoch waren die Märkte im Schneiden und Schweißen immer größer, weshalb die Wärmebehandlung seit den 1970er Jahren lange Zeit im Schatten dieser Laserwendungen stand. Erste industrielle Härteanwendungen waren verzugsempfindliche Teile und Werkzeuge, für die eigentlich für das Härten auf Grund ihrer Wellenlänge ungeeignete CO₂-Laser dennoch eingesetzt wurden. Zylinderlaufbuchsen von Großdieselmotoren und Dampfturbinenschaufeln von Kraftwerken sind erste Anwendungen aus den 1980er Jahren, die heute noch im Einsatz sind. Erst durch die Hochleistungsdiodenlaser mit Wellenlängen um 1 μm, die ab ca.ab dem Jahr 2000 auf den Markt kamen, erlebte das Laserstrahlhärten einen Aufschwung, bei seitdem stetig sinkenden Kosten der Laserquellen. Der elektro-optische Wirkungsgrad der Lasergeräte ist inzwischen auf 50% gesunken, wodurch das Laserstrahlhärten heute auch als ein energieeffizientes Härteverfahren eingesetzt werden kann, insbesondere dann, wenn nur wirklich notwenige Bereiche eines Bauteils gehärtet werden.

Welchen Stellenwert nimmt das Randschichthärten in Bezug auf die gesamte Prozesskette ein?

Schaudig: Durch das Einstellen eines Verschleißschutzes oder eines speziellen Spannungszustands (Druckeigenspannungen im gehärteten Bereich) nimmt es einen entscheidenden Stellenwert in der Prozesskette ein. Durch die gute Integrierbarkeit in die Linie besteht an sich eine gute Verknüpfbarkeit in der Prozesskette. Durch die einheitlichen Prozessbedingungen kann ein reproduzierbarer Verzug erreicht werden, der bei Bedarf auch vorgehalten werden kann. Die Einzelbauteilnachverfolgung ist gerade bei Sicherheitsbauteilen von Vorteil. Besonders bei feinerem Gefüge sind mittels Induktion höhere Härten erreichbar.

M. Sc. Maximilian Schaudig ist Spezialist für induktives Härten und induktives Erwärmen bei der Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG. Er unterstützt Projekte und dient als Ansprechpartner für die Kolleginnen und Kollegen auf diesem Gebiet

Welches Wissen, welche Qualifikation benötigen die Mitarbeiter für die industrielle Durchführung? Gibt es auch hier momentan einen Fachkräftemangel?

Schaudig: Um das Randschichthärten mittels Induktion zu verstehen sind sowohl elektrotechnische als auch werkstofftechnische Kenntnisse gefordert. Auch für den Prozess selbst wird ein tiefes Verständnis gefordert da der Vorgang komplex ist. Beim Vorschubhärten liegt beispielsweise das Material gleichzeitig als Grundgefüge, auf Austenitisierungstemperatur und martensitisch umgewandelt, vor. Auf dem Markt gibt es keine explizite Ausbildung in dieser Richtung. Der Wissensaufbau erfolgt hauptsächlich über Erfahrungen an den Anlagen. Ein reines Studium der Literatur schafft das nicht. Somit besteht hier schon ein Fachkräftemangel.

Hengst: Diese Aussage trifft auch auf das Elektronenstrahlhärten zu.

Bonß: Für das Laserstrahlhärten sind die Anforderungen vergleichbar. Es ist mir allerdings noch keine industrielle Anwendung bekannt, die wegen Mangel an Fachkräften nicht realisiert wurde. Auch wenn es manchmal die Einstellung neuen Personals erforderte.

Wie sind die Verfahren aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht zu bewerten und zu optimieren, bzw. welche Maßnahmen werden momentan umgesetzt?

Schaudig: Induktionshärten ist abhängig von Energiemix und bei grünem Strom CO₂ neutral. Es ist ein Verfahren mit hohem Wirkungsgrad, also sehr effizient, weil damit gezielte Stellen eines Bauteils bearbeitet werden können. Es sind hohe Einhärtungstiefen in kurzer Zeit möglich. Das Verfahren bietet eine hohe Flexibilität auch bei größeren Bauteilen, wie z. B. bei langen Führungsschienen. Eine Neuerung stellt die Entwicklung additiv gefertigter Induktoren, Brausen und Kammern dar.

Waldenmaier: Die gute Reproduzierbarkeit additiv gefertigter Werkzeuge ermöglicht eine verringerte Streuung des Verzugs und kann ggf. in der Weichbearbeitung berücksichtigt werden, wodurch die Hartbearbeitung reduziert werden kann. Je nach Vorgabe zur Maßhaltigkeit kann unter Umständen beim Randschichthärten auch auf eine Hartbearbeitung verzichtet werden.

Hengst: Das Elektronenstrahlhärten ist ein ökologisches und ressourcenschonendes Verfahren, da es einen hohen Wirkungsgrad bietet und keine bauteilspezifischen Werkzeuge benötigt. Aus wirtschaftlicher Sicht sind die Anlagenkosten für das Elektronenstrahlhärten höher als beim Induktions- oder Laserstrahlhärten. In der Einzelfertigung sind die Evakuierungszeiten zu berücksichtigen, während sie in der Serienfertigung durch effiziente Anlagenkonzepte weniger ins Gewicht fallen und geringe Taktzeiten realisierbar sind. Ein weiterer Vorteil ist die Vielseitigkeit der Strahlquelle, die neben dem Härten prinzipiell auch für Verfahren wie Umschmelzlegieren, Schweißen oder Auftragsschweißen genutzt werden kann, was für Unternehmen Flexibilität und Kostenvorteile bietet.

Bonß: Das Laserstrahlhärten benötigt ausschließlich elektrische Energie. Auf Grund der heutigen hohen Wirkungsgrade der Laser kann beim Härten ausschließlich lokale Bereiche sehr energieeffizient gehärtet werden. Beispiele zeigen, dass bei für die Induktion ungünstigen Geometrien im Außenfeld nur ein Zehntel der Energie des Induktionsprozesses bei identischem Prozessergebnis verwendet werden muss. Für zylindrische Bauteile, die sehr effizient im Innenfeld induktiv gehärtet werden können, braucht der Laser etwa die zwei- bis dreifache Energiemenge, jedoch wird für verschiedene Bauteilgrößen kein Werkzeugbau nötig. Wenn auf Grund der Aussparung spannungskritischer Bereiche auf das Anlassen verzichtet werden kann, entfallen die Aufwendungen dafür. Der minimale Verzug reduziert weiterhin den Richt- oder Nachbearbeitungsaufwand.

Welche Forschungsbedarfe gibt es bei den einzelnen Verfahren?

Surm: In den letzten Jahren wurden am Leibniz-IWT Bremen Projekte zur induktiven Randschichtbehandlung von Zahnrädern durchgeführt. Der Fokus lag dabei auf der Optimierung der Härteprofile im Bereich der Verzahnung in Bezug auf die Steigerung der Zahnfuß- und der Grübchentragfähigkeit. Weitere Projekte zielen auf die Integration der induktiven Wärmebehandlung in die Prozesskette von additiv gefertigten Bauteile ab.

Waldenmaier und Schaudig: Gegenstand weiterer Untersuchungen und Entwicklungen ist das induktive Randschichthärten additiv gefertigter Werkstücke. Poren können zu einem veränderten Einkoppeln des Magnetfeldes und erhöhten Wirbelstromverlusten führen, wodurch sich eine verminderte Temperaturgleichmäßigkeit oder ggf. Anschmelzungen ergeben. In dieser Hinsicht sind auch Sinter- und Gusswerkstücke je nach Porenanteil anspruchsvoller als Werkstücke aus klassisch erschmolzenem Stahl. Zusätzlich ist das Randschichthärten von Gusswerkstücken mit ferritischer Matrix aufgrund der ungleichmäßigen Kohlenstoffverteilung eine Herausforderung.

Hengst: Ein wesentlicher Forschungsbedarf beim Elektronenstrahlhärten liegt in der Kombination des Elektronenstrahlhärtens mit der thermischen Simulation, denn dafür bietet das Verfahren durch die sehr einfach programmierbare Strahlbewegung (variable Energieverteilung bspw. mittels eines einfachen Bildbearbeitungsprogrammes) die optimalen Voraussetzungen.

Das Ziel wird sein, die Energieverteilung für die Behandlungsfläche bereits im Vorfeld zu simulieren und diese Simulation direkt auf den Prozess zu übertragen. Auf diese Weise könnten sowohl die zeitintensive iterative Prozessentwicklung als auch die Anzahl an Einstellteilen erheblich reduziert werden. Dies könnte insbesondere die Stärken des Verfahrens für die Anwendung bei kleinen Losgrößen weiter ausbauen.

Laserstrahlhärteprozess eines Bremshebels aus 42CrMo4, Bauteilrotation erzeugt mit einem runden Laserspot ein ringförmiges Wärmefeld, Kunde: Bergische Achsen KG, Wiehl

Bonß: Der Forschungsbedarf beim Laserstrahlhärten ist im Wesentlichen im Bereich Geräte und Verfahrenstechnik zu sehen. Bei den Laserquellen geht die Entwicklung aktuell in Richtung Optimierung der Herstellung bei stabiler Qualität. Das wird in den nächsten Jahren weiter die Preise der Laserquellen senken. Im Bereich Optiken ist insbesondere für die Verwendung sehr hoher Laserleistung über 20 kW zum Härten großer Oberflächenbereiche noch Entwicklungsbedarf. So gibt es heute zwar Laser mit 100 kW Leistung, aber keine Optiken für Rechteckspots oder mit Zoom oder Scanner dafür. Dynamische Strahlformung wird für das Laserhärten heute mit Galvanometerscannern realisiert, die einen oder mehrere meist druckluftgekühlte Spiegel bewegen. Für die Zukunft werden hier dynamischere Antriebe benötigt, die vergleichsweise große wassergekühlte Spiegel im Kilohertz-Bereich ausreichend weit auslenken können. Damit könnte man Bauteile mit größeren Härtezonen effizient härten. Wie beim Elektronenstrahlhärten können auch beim Laserstrahlhärten einfach zu bedienende und präzise Simulationswerkzeuge die Prozesseinrichtung vereinfachen. Voraussetzung dafür wären aber Methoden der Werkstoffanalyse und der Analyse des Umwandlungsverhaltens der jeweiligen Charge, um ausschließlich mit einem Simulationsergebnis mit dem ersten Versuch das optimale Prozessergebnis zu erreichen.

Welche Verfahren werden auch in der Zukunft relevant sein und warum?

Schaudig: Das Induktionshärten wird auf jeden Fall relevant bleiben. Der Trend geht sehr stark in diese Richtung. Häufig wird bereits bei der Auslegung der Bauteile darauf geachtet (Material und Geometrie), dass diese induktiv härtbar sind. Das Induktivhärten von Laufverzahnungen ist gerade für die E-Mobilität sehr interessant.

Hengst: In Zukunft wird das Elektronenstrahlhärten zusammen mit dem Induktions- und Laserhärten eine bedeutende Rolle spielen. Die Wahl des jeweils geeignetsten und wirtschaftlichsten Verfahrens hängt jedoch vom spezifischen Anwendungsfall ab. Besonders bei anspruchsvollen Anforderungen und komplexen Geometrien kann das Elektronenstrahlhärten eine vielversprechende Lösung darstellen.

Bonß: Das Laserstrahlhärten wird auch zukünftig an Anwendungsvielfalt gewinnen. Nach ca. 40 Jahren industriellen Laserstrahlhärtens beobachten wir, dass es immer noch nicht in der Fertigungsplanung gleichberechtigt zu anderen Härteverfahren in Betracht gezogen wird, weil das Wissen um diese Technologie im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungstechnologien immer noch deutlich weniger verbreitet ist. Insofern erwarten wir, dass allein durch die zunehmende Anwendungsbreite und durch eine bessere Durchdringung in der studentischen Ausbildung das Laserstrahlhärten sich dort verbreitet, wo es heute schon angewendet werden könnte. Hinzu kommt, dass ein Teil der bisherigen Volumenhärte- oder Einsatzhärteprozesse durch konstruktive Änderungen zur Reduzierung der Bauteilmasse oder zur Senkung des notwendigen Energieaufwandes durch Randschichthärteprozesse ersetzt werden und der Laser einen Teil davon abbekommt. Sinkende Preise für Laserquellen werden das unterstützen.

Das induktiv erwärmte Bauteil (s. Pfeil) im Prozess des induktiven Randschichthärtens.

Aktuelle Themen im Fachausschuss 9:

• Rechnergestütztes Induktordesign mit KI-Unterstützung

• Benchmarking additiv gefertigter Induktoren

• Erfahrungsaustausch bei der Substitution von Energieintensiven Wärmebehandlungsverfahren wie Gasnitrieren oder Einsatzhärten im Ofen durch energieeffiziente Randschichthärteverfahren.

• Zerstörungsfreie Prüfverfahren, In-line Prüfverfahren

• Partielle Wärmebehandlung von Nichteisen-Metallen

Die nächste Sitzung des AWT- Fachausschusses 9

„Thermische Randschichttechnologien“ findet am 7. Mai 2026 bei der TU Chemnitz statt.

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1. Ich bestelle hiermit die HTM – ‚Journal of Heat Treatment and Materials‘ zum Vorzugspreis für Mitglieder von 99,- Euro im Jahr für das Online-Abo. Diese Bestellung kann innerhalb von 10 Tagen bei der AWT-Geschäftsstelle schriftlich widerrufen werden. (Bitte ankreuzen und unterschreiben, wenn ein Abonnement gewünscht wird).

   I would like to order the HTM – ‘Journal of Heat Treatment and Materials’, the scientific Journal of AWT at a special rate of 99,- Euro / year for the online subscription. The placement of this order can be cancelled within 10 days by written notice to the AWT-branch office.

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Gemeinnützig anerkannter Verein beim Finanzamt Bremen

Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen

Leichtbau ist im Verkehrsmittelbau und im Maschinenbau ein zentrales Thema, um den Energieverbrauch und die Schadstoffemission zu senken sowie die Nutzlast bzw. Reichweite zu steigern. Effektiver Leichtbau kann nur in Zusammenarbeit von Werkstofftechnik, Konstruktion, Dimensionierung und Fertigungstechnik betrieben werden.

Als Leichtbauwerkstoffe werden vielfach Aluminiumlegierungen eingesetzt. Aluminiumlegierungen haben gegenüber anderen Leichtbauwerkstoffen Vorteile hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Kosten und Recyclebarkeit.

Ziele des Seminars sind die Vermittlung der grundlegenden werkstofftechnischen Zusammenhänge zwischen Wärmebehandlung, Werkstoffgefüge und Eigenschaften sowie Angaben zur praktischen Durchführung von Wärmebehandlungen. Gegenstand des Seminars sind die Glühverfahren und das Ausscheidungshärten als wichtigstes Verfahren zur Festigkeitssteigerung von Aluminiumlegierungen sowie die daraus resultierenden Bauteileigenschaften.

Das Seminar richtet sich an Interessierte aus Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Technik, die in den Bereichen Entwicklung, Konstruktion, Fertigung, Werkstofftechnik oder Qualitätssicherung tätig sind.

Wir freuen uns, Sie in Bremen begrüßen zu dürfen.

Ihr Olaf Keßler

Seminarleiter Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler leitet den Lehrstuhl für Werkstofftechnik an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock.

Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf dem Fachgebiet der Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe, insbesondere der Aluminiumlegierungen.

Maß- und Formänderung in der Fertigung

Während der Produktion durchläuft jedes Bauteil seine individuelle Prozesskette: Angefangen bei der Konstruktion bis zur Einstellung der geforderten Eigenschaften in der Wärmebehandlung. Am Ende der Prozesskette kann ein zeit- und kostenintensives Verfahren stehen, wenn die resultierenden Maß, Form- und Lageabweichungen nicht den geforderten Toleranzen entsprechen. In jedem Prozessschritt kann Verzug entstehen oder die Ursachen für eine Verzugsauslösung in einem in der Prozesskette nachstehenden Fertigungsschritt generiert werden. Deshalb muss das Verzugsverhalten eines Bauteils als Systemeigenschaft seiner spezifischen Prozesskette verstanden werden.

Basierend auf der Methode „Distortion Engineering“ werden im Seminar die Grundlagen der Verzugsbeschreibung, die Ermittlung von signifikanten Prozessparametern und Verzugsmechanismen sowie Maßnahmen zur Verzugsbeherrschung in der Fertigung vermittelt. Während des Seminars erhalten Sie also das notwendige Wissen, um in Ihrer betrieblichen Anwendung das Verzugsrisiko entlang der gesamten Prozesskette zu analysieren und entsprechende Maßnahmen zur Minimierung ableiten zu können.

Das Seminar richtet sich an Mitarbeitende aus den Bereichen Wärmebehandlung und Werkstofftechnik sowie Konstruktion, Umformung und Zerspanung.

Wir freuen uns auf Ihre Seminarteilnahme!

Ihr Holger Surm

Der Seminarleiter Dr.-Ing. Holger Surm ist seit 1998 im Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT im Programmbereich Werkstofftechnik tätig.

Sein Forschungsschwerpunkt liegt im Bereich der Wärmebehandlung von Stahl, insbesondere in den Verfahren des Einsatzhärtens und der Randschichttechnologien.

Neben der langjährigen Mitarbeit im SFB570 Distortion Engineering betreute er verschiedene Projekte rund um das Thema Verzug.