Volume 56, Issue 1

In den zurückliegenden zwei bis drei Jahrzehnten ist ein bemerkenswerter Fortschritt bei der Entwicklung von PVD-Verschleißschutzschichten erreicht worden. Die Beschichtungen wurden in die Großserienfertigung (wie der Automobilindustrie) jedoch nur langsam übernommen. Dafür gibt es mehrere Ursachen. Eine Ursache ist, dass der Schwerpunkt vieler Forscher offensichtlich bei der Entwicklung harter Schichten lag. Diese „superharten“ oder „ultraharten“ Schichten (und die zugehörigen Verfahren) sind häufig für die billigen (und vergleichsweise weichen) Substrate nicht geeignet, die in der Großserie oft verwendet werden. Die Entwicklungen im Verständnis tribologischer Kontaktvorgänge führten zu der Erkenntnis, dass die Härte (H) möglicherweise nicht die einzige Eigenschaft ist, die den Verschleißwiderstand bestimmt. Wir besprechen hier die Bedeutung des Elastizitätsmoduls (E) und des Verhältnisses H/E für die Bestimmung der Widerstandsfähigkeit einer Oberflächenbeschichtung, insbesondere für deren Fähigkeit, Verformungen des Substrats unter Last auszugleichen. Damit ist die Diskussion neuer mehrschichtiger und Nano-Verbund-Beschichtungen verbunden, mit denen ein vergleichsweise niedriger Elastizitätsmodul bei ausreichender Härte eingestelltwerden kann. Weiterhin werden die Vorteile von Vorbehandlungen und Zwischenschichten beschrieben, mit denen die Tragfähigkeit des Substrats für die Beschichtung verbessert werden kann. Insgesamt stellt die Veröffentlichung einen Überblick über die Möglichkeiten dar, wie heute PVD-Verschleißschutzschichten entwickelt werden können, welche die Anforderungen von Reibungs- und Verschleißbeanspruchungen in der praktischen Anwendung vollständig erfüllen.

Das Einsatzhärten ist seit vielen Jahren der dominierende Wärmebehandlungsprozess für hoch beanspruchte Bauteile in Motoren, Maschinen, Getrieben, Fahrzeugaufhängungen, Düsentriebwerken usw. Diese herausragende Stellung ist entstanden trotz einiger Nachteile, die mit der klassischen Gasaufkohlung verbunden sind, wie verhältnismäßig langsamer Kohlenstoffübergang und lange Prozesszeiten, Oberflächenanomalitäten, indirekte Prozesskontrolle, hoher Gasverbrauch, Verwendung von Abschreckölen, Emissionen und nicht ganz einfache Arbeitsbedingungen. Neuere Entwicklungen in der Verfahrenstechnik versprechen jetzt, diese Nachteile zu beheben, und bestimmen somit die Entwicklung des Einsatzhärtungsprozesses von Öfen in separaten Härtereien zu Wärmebehandlungsmaschinen, die in Fertigungslinien integriert sind. Diese Entwicklung wurde durch die Verwendung zweier gasförmiger Medien in Gang gesetzt. Es handelt sich hierbei einmal um Kohlenwasserstoffgase für die Aufkohlung und zum anderen um inerte Gase für das Abschrecken. In der vorliegenden Arbeit werden die Einflüsse und Wirkungen dieser beiden gasförmigen Medien auf den Kohlenstoffübergang, das Randgefüge, die Prozesssteuerung und das Abschreckverhalten sowie die Anlagentechnik untersucht.

Niederdruck- und Plasmaaufkohlung sind Aufkohlungstechniken, denen zunehmend Interesse entgegengebracht wird. Beide bieten einen vergleichsweise hohen Kohlenstoffmassenstrom in die Werkstückoberfläche, der gerade bei einer Anhebung der Aufkohlungstemperatur unverzichtbar ist. Das hohe Kohlenstoffangebot bei Niederdruckaufkohlungsprozessen (mit oder ohne Plasma) begünstigt auf der anderen Seite Rußbildung im Ofen. Kohlenstoffablagerungen auf den isolierenden keramischen Bauteilen des Ofens können zu Kurzschlüssen führen und müssen möglichst verhindert werden. Die Keramikbauteile müssen daher spätestens ersetzt werden, sobald sie elektrisch leitend werden. Das Ziel der hier vorgestellten Untersuchung ist, festzustellen, ob die Qualität und die Zusammensetzung der eingesetzten Prozessgase einen Einfluss auf die Rußbildung und den Kohlenstoffmassenstrom in die aufzukohlenden Oberflächen hat. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl Qualität als auch Zusammensetzung des Prozessgases einen deutlichen Einfluss haben, dass es aber überraschenderweise nicht erforderlich ist, die beste erhältliche Gasqualität einzusetzen, um optimierte Aufkohlungsergebnisse zu erhalten.

Die Ökobilanz ist sowohl für die Prozessanalyse zur Optimierung als auch für den ökologischen Vergleich von Wärmebehandlungsverfahren ein geeignetes Instrument. Am Beispiel der Gas- und Salzbadnitrocarburierverfahren wird die Vorgehensweise beschrieben und eine Analyse für einen 3,6 und 6 m 3 großen Gasofen sowie eine Salzbadanlage vorgestellt. Dabei werden Hinweise und Möglichkeiten hinsichtlich ökologischer Optimierungen beider Verfahren aufgezeigt und eine vergleichende ökologische Bewertung der Verfahren vorgenommen.

Schichten aus kubischem Bornitrid (cBN) wurden mittels IBAD (ion beam assisted deposition) auf Substraten aus dem Werkzeugstahl S 6-5-2 abgeschieden und hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften charakterisiert. Die dünnen cBN-Filme wurden durch Verdampfen von elementarem Bor mittels eines Elektronenstrahlverdampfers bei gleichzeitiger Bestrahlung mit einem Gemisch aus Stickstoff- und Argonionen abgeschieden. Zur Erhöhung der Haftfestigkeit wurden zum einen Multilayer-Zwischenschichtsysteme untersucht, die auf Titannitrid unterschiedlicher Stöchiometrie basieren. Zum anderen wird die nachträgliche Ionenimplantation von Stickstoffionen zur Haftfestigkeitssteigerung vorgestellt. Die so erhaltenen Schichtverbunde wurden durch XPS, FTIR REM, Ultramikrohärte- und Reibwertmessungen charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch Einbringen einer Titannitrid-basierten Zwischenschicht chemische Bindungen von Zwischenschicht- und Funktionsschicht-Werkstoff ausbilden. Des Weiteren ergibt sich mit zunehmendem Stickstoffgehalt ein geringerer Stress und eine bessere Haftfestigkeit in den Schichten. Die nachträgliche Ionenimplantation erhöht die Haftfestigkeit zusätzlich.

Seit Einführung von servounterstützten Zahnstangenlenkungen für PKW wurde die Zahnstange traditionell induktiv gehärtet. Mit steigenden Anforderungen an die Bauteilfestigkeit der Zahnstange wurden im Laufe der Jahre verschiedene induktive Härtungsverfahren entwickelt. Die Ergebnisse der verschiedenen Verfahren werden beschrieben. Darüber hinaus wird eine moderne und vollautomatisch arbeitende Fertigungszelle zum induktiven Härten und Anlassen von Zahnstangen gezeigt. Hervorstechende Eigenschaft dieser mit 7 NC-Achsen ausgerüsteten Zwillingsmaschine ist eine in Echtzeit arbeitende Induktor-Zentriereinrichtung, die einen gleichförmigen Kopplungsabstand des Induktors trotz vor der Härtung vorliegendem oder während der Härtung entstehendem Rundlauffehler des Werkstücks erlaubt.

Für das Randschichthärten von Bauteilen und Werkzeugen wird neben dem Induktionshärten immer noch das Flammhärten eingesetzt. Das Laserstrahlhärten kommt zwar vereinzelt schon zur Anwendung, der große industrielle Durchbruch ließ jedoch bislang aufgrund hoher Investitionskosten auf sich warten. Durch die Entwicklung von Diodenlasern im Hochleistungsbereich konnten in jüngster Zeit temperaturgeregelte Laserstrahlhärteanlagen aufgebaut werden. Diese stellen beim Randschichthärten eine flexible, prozesssichere und relativ kostengünstige Alternative im Vergleich zu den bisherigen Laseranlagen sowie zu den konventionellen Formen der Wärmebehandlung dar. Im Vergleich zum Laserstrahlhärten mit CO2- oder Nd:WAG-Lasern besitzen Diodenlaser bei der Strahlerzeugung einen um eine Größenordnung höheren elektrischen Wirkungsgrad. Zusätzlich zeichnen sie sich durch ein verbessertes Einkoppelverhalten bei Eisenmetallen aus. Damit erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des Laserhärteprozesses mit dem Diodenlaser deutlich. Die geringe Baugröße des Lasers erlaubt die Adaption an einen Industrieroboter als kostengünstige Lösung einer 3D-Führungsmaschine und ermöglicht so den flexiblen Einsatz sowohl zur Positionierung bei der Serienfertigung kleiner Bauteile als auch bei der Bearbeitung von Einzelstücken des Großwerkzeugbaus. Beispielhaft wird die Bearbeitung mit dem 4 kW-Diodenlasersystem an Großwerkzeugen für den Kunststoffspritzguss und für die Blechbearbeitung gezeigt.

Ziel dieses Arbeitsprojektes ist die Erfassung der verschiedenen Arten von Werkzeugschäden, von der Konstruktion bis zum Einsatz eines Werkzeuges. Dabei ist es Intention dieses Projektes, neben der systematischen Katalogisierung der Werkzeugschäden nach Art und Auftreten gleichzeitig sinnvolle Problemlösungen für die jeweiligen Schadensarten anzubieten. Produktionsfehler, Betriebsfehler und unvorhergesehene Ereignisse beeinflussen die Standzeiten der Werkzeuge. Die Wärmebehandlung nimmt aufgrund ihres erheblichen Einflusses auf die Werkzeugeigenschaften naturgemäß einen großen Raum ein, da sich die meisten Fehler nach einer Wärmebehandlung zeigen. Insbesondere bei neueren Wärmebehandlungsverfahren besteht Handlungsbedarf. Um optimale Standzeiten eines Werkzeuges zu erzielen, müssen alle Fertigungsschritte während der Werkzeugfertigung möglichst fehlerfrei ausgeführt werden und der Einsatz des Werkzeuges muss sachgerecht erfolgen. Ein Schadenskatalog, der alle diese Fehlerquellen abdeckt, kann daher einen sinnvollen Beitrag zur Optimierung der Werkzeugstandzeiten und damit zu einer wirtschaftlicheren Fertigung leisten.

Als Beitrag zur Bestimmung von zwei- und dreiachsigen Eigenspannungszuständen in Oberflächenbereichen wurde eine Ge­meinschaftsuntersuchung initiiert. Die röntgenographischen Gitterdehnungsmessungen von der Oberfläche aus, also ohne Abtragen von Schichten, wurden von 12 Institutionen von Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie vorgenommen. Proben aus dem einsatzgehärteten Stahl 16MnCr5 und aus der Keramik Si 3N4 wurden durch unterschiedliches Schleifen an der Oberfläche verformt. Abweichungen der absoluten Werte der Linienlagen waren die Folge der teilweise sehr breiten Interferenzen und der Wahl der Interferenz-Lage-Bestimmung. Die von einigen Teilnehmern vorgenommene Auswertung der Eigenspannungsprofile führte nicht zu einem einheitlichen Bild. Vorgegebene Profile der Eigenspannungen in Abhängigkeit von der Entfernung von der Oberfläche wurden für zwei Gitterebenenscharen in entsprechende Verteilungen der Gitterebenenabstände transformiert. Diese wurden nach verschiedenen Ansätzen ausgewertet. Hierbei war die Übereinstimmung der berechneten Spannungsprofile gut. Aus den Ergebnissen der Gemeinschaftsuntersuchung folgen die Bedingungen, der notwendige Messaufwand und die Auswertemethoden zur sicheren Ermittlung von steilen Spannungsgradienten.