Induktionshärten von Sinterstahl

 

Motivation

Bei einer induktiven Randschichthärtung wird der oberflächennahe Bereich eines Bauteils durch ein Wirbelströme aus einem elektromagnetischen Feld und die resultierende Joule‘sche Wärme gehärtet. Das Randschichtgefüge kann durch die Auswahl geeigneter Prozessparameter gezielt eingestellt werden. Zu den Vorteilen dieses Prozesses zählen auch die kurzen Prozesszeiten, die effiziente Energieübertragung und damit geringen Energiekosten, der geringe Verzug wegen begrenzter aufgeheizter Bereiche und die gute Reproduzierbarkeit der Gefügeeinstellung, zumindest bei konventionellen Stählen.
Bei Sinterstählen bringt das Induktionshärten allerdings spezifische Herausforderungen mit sich. Die Rissgefahr ist bei gesinterten Bauteilen wesentlich höher als bei ähnlichen schmelzmetallurgischen Varianten. Aufgrund von Poren sinkt die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs. Dadurch werden hohe thermische Gradienten erzeugt, da der wesentliche Teil der Wärmeleistung (je nach Arbeitsfrequenz) in einem geringen oberflächennahen Bereich erfolgt. Diese thermischen Gradienten erzeugen hohe Eigenspannungen im Bauteil, die sich außerdem durch die erhöhte Anzahl an Defekten (Poren) und die reduzierte Festigkeit von Sinterbauteilen besonders kritisch auf die Duktilität auswirken. Aufgrund vom fehlenden Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Härte, Eigenspannungen, Gefüge und Rissbildung bei Sinterbauteilen ist die Ausschussquote noch hoch und die Prozessfähigkeit nicht ausreichend trotz des hohen Potenzials.

Zielstellung

• Ermittlung der wesentlichen Zusammenhänge zwischen Werkstoffeigenschaften, Prozesseinstellungen und die metallografischen und mechanischen Ergebnisse der induktiven Randschichthärtung von Komponenten aus Sinterstahl
• Identifikation eines optimalen Variationsraums für die Werkstoff- und Prozessbedingungen bezüglich Rissgefährdung, Härte- und Eigenspannungsprofile

Projektinhalte

• Werkstoffcharakterisierung: Untersuchung der wichtigsten Werkstoffeigenschaften, die die induktive Randschichthärtung von gesinterten Stahlkomponenten beeinflussen, und deren Abhängigkeiten. Dies schließt z.B. die Charakterisierung des Phasenumwandlungsverhaltens, der Fließeigenschaften und der elektrisch-magnetischen Eigenschaften ein.
• Bauteiluntersuchung: Systematische Variation der werkstoffkundlichen (Porosität, Kohlenstoffkonzentration, Legierungszusammensetzung) und prozesstechnischen (Einstellungen der Aufheizphase, des Abschreckens und der Anlassbehandlung) Einflussfaktoren der induktiven Randschichthärtung; Ermittlung der Zusammenhänge dieser Einflussgrößen mit den Ergebnissen der Wärmebehandlung: Neigung zur Rissbildung, Eigenspannungen, Einhärtetiefe, Randhärte usw.
• Finite-Elemente Modellierung: Aufbau eines numerischen Modells zur Vorhersage der metallografischen (Gefügeentwicklung) und mechanischen (Eigenspannungs- und Härteprofile) induktiver Ranschichthärtung von Sinterstahlbauteilen in Abhängigkeit der werkstoffkundlichen und prozesstechnischen Parametern.

  Urheberrecht: © AVIF

Förderung: AVIF Forschungsvereinigung Projekt A325

  Urheberrecht: © IWM

Induktive Randschichthärtung von Sinterzahnrädern

Links: Induktor und Zahnrad (schematisch)

Mitte und Rechts: gehärtetes Gefüge im Überblick und im Zahnfußbereich