Zerstörungsfreie Bestimmung von Härtekennwerten zur Qualitätssicherung von Hochleistungsbauteilen in der Fertigungskette

Kurzfassung

Im internationalen Wettbewerb der Unternehmen sowie im Trend zur Einsparung von Ressourcen und extremem Leichtbau werden neben einer Fehlerfreiheit zunehmend hohe Anforderungen an die Materialeigenschaften und Qualität hoch beanspruchter Bauteile gestellt. Diese sind neben einer hohen Dauerfestigkeit des Bauteils eine beanspruchungsorientierte Wärmebehandlung der Randschichten von Funktionsflächen, um den hohen statischen und dynamischen Belastungen durch die Krafteinleitung und Bauteilbeanspruchung zu entsprechen. Übliche Fertigungsverfahren zur Einstellung gradierter Werkstoffeigenschaften bei Stahlwerkstoffen mit vergüteten Randschichten sind das Einsatzhärten, Nitrieren, Randschichthärten etc. In diesem Zusammenhang gewinnt die prozessintegrierte Prüfung zur zerstörungsfreien Bestimmung von Randschichteigenschaften, wie der Randhärte und Einsatzhärtungstiefe, in engen Toleranzbändern im Rahmen der Qualitätssicherung zunehmend an Bedeutung.

Ein geeignetes Verfahren zur zerstörungsfreien Materialcharakterisierung und Bestimmung von Werkstoffeigenschaften bei ferromagnetischen Bauteilen ist die Harmonischen-Analyse von Wirbelstromsignalen. Der Messeffekt basiert auf den physikalischen Materialeigenschaften, wie der elektrischen Leitfähigkeit und den magnetischen Eigenschaften, die in direktem Zusammenhang mit den mechanisch-technologischen Werkstoffeigenschaften, wie der Rand- und Kernhärte, stehen. Unter Anwendung der Harmonischen-Analyse von Wirbelstromsignalen lassen sich die Messeffekte trennen und unter Variation der Prüffrequenz Informationen aus unterschiedlichen Randschichttiefen gewinnen.

Eine geeignete Methode zur Anpassung und problemorientierten Optimierung einer Prüftechnik an die Prüfaufgabe ist die FEM-Simulation elektromagnetischer Felder, der Wirbelstromverteilung und des magnetischen Potenzials im Prüfkörper und Sensorbereich in Abhängigkeit der Prüfparameter und Werkstoffeigenschaften. Durchgeführt wurden Untersuchungen zur FEM-Simulation der Prüfbedingungen in der Randschicht und im Kernbereich von profilierten sowie dünn- und dickwandigen Bauteilen zur Weiterentwicklung und Optimierung der Prüftechnik. Basierend auf diesen grundlegenden Untersuchungen zur zerstörungsfreien Bestimmung der Randhärte und Einsatzhärtungstiefe wurden bei nitrier-, einsatz- und randschichtgehärteten Bauteilen, wie dünnwandigen Näpfen, Scheiben, Wellen und Naben sowie Zahnrädern und großen Tellerrädern, Härtekennwerte in der Randschicht bestimmt.