Beim Einsatzhärten werden Zielgrößen empirisch festgelegt und daraus die Prozessparameter abgeleitet. Mit der MFPA-Eigenentwicklung BeKoEH-Postprozessor ist es möglich, das Einsatzhärten zielgerichtet auf den lokalen Bauteilbeanspruchungszustand und versagensrelevante Kerbdetails abzustimmen. Beanspruchungskontrollierte Zielgrößen und Prozessparameter ermöglichen verkürzte Prozesszeiten und verringern den Einsatz von Energie und Hilfsstoffen. Dies steigert die Effizienz des Einsatzhärtens.

Einführung

Ein geringer betrieblicher Aufwand (Prozesszeiten, Energie, Werk- und Hilfsstoffe) sowie eine lange Produktlebensdauer werden beispielsweise bei der Produktentwicklung von Windkraftanlagen, im Fahrzeugbau oder in der Antriebstechnik angestrebt [1]. Zur Bauteilfunktionssicherung werden werkstoffliche oder konstruktive Maßnahmen ergriffen. Dies ist der Einsatz höherfester Stahlwerkstoffe oder die konstruktive Minimierung der Kerbwirkung festigkeitsrelevanter Konstruktionsdetails. Die lokale Werkstofffestigkeit und damit die Höhe der Bauteilbeanspruchbarkeit kann weiterhin durch mechanische, thermische sowie thermochemische Verfahren beeinflusst werden [2]. Ein Beispiel dafür ist das thermochemische Wärmebehandlungsverfahren Einsatzhärten. Durch die Kombination der Teilprozesse Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen entsteht ein Gradientenwerkstoff. Charakteristisch sind der hohe Randkohlenstoffgehalt, höherfeste und duktile Gefügebestandteile wie Martensit sowie Druckeigenspannungen. Das Ergebnis sind hohe Werkstofffestigkeiten im Randbereich des Bauteils sowie eine verbesserte Verschleiß- und Schwingfestigkeit. [3, 4].

Schwingend beanspruchte Bauteile werden häufig dauerfest ausgelegt [5]. Um die geforderte Bauteildauerfestigkeit durch eine Einsatzhärtung zu erreichen, werden die Zielgrößen wie Randhärte HVR, Aufkohlungstiefe At oder die Einsatzhärtungstiefe CHD anhand von Erfahrungswerten oder Expertenwissen festgelegt und die Prozessparameter wie Kohlenstoffpegel CP und Aufkohlungszeiten tA bei gegebener Aufkohlungstemperatur TA ermittelt. Für spezielle Bauteile wie beispielsweise Zahnräder [6] existieren dazu Normen. Ist beanspruchungsbedingt die festgelegte Einsatzhärtungstiefe zu gering, wird die notwendige Einsatzhärtungstiefe mittels Bruchflächenanalyse abgeschätzt oder pauschal vergrößert.

Zur Effizienzsteigerung des Einsatzhärtens müssen die Prozesszeiten reduziert und der Aufwand für Energie und Hilfsstoffe minimiert werden. Die geforderte Bauteildauerfestigkeit muss trotzdem sicher erreicht werden. Durch die übliche Praxis der empirischen Definition von Zielgrößen werden erforderliche Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefen häufig überschätzt. Dies führt zu unnötig verlängerten Prozesszeiten und zu einem erhöhten Aufwand an Energie und Hilfsstoffen. Hat das Bauteil zusätzlich konstruktiv bedingte versagensrelevante Kerbdetails werden deren spezifische Anforderungen bei der Einsatzhärtung kaum berücksichtigt. Resultat ist eine lokale Überkohlung am Kerbdetail. In der Folge sinkt die lokale Werkstofffestigkeit und die Bauteillebensdauer wird verkürzt [7].

Auf der Grundlage eines numerischen Konzeptes wird mit dem BeKoEH-Postprozessor ein Programmwerkzeug vorgestellt, mit welchem beanspruchungskontrollierte Zielgrößen und Prozessparameter für das Einsatzhärten von Stahlbauteilen mittels Gasaufkohlung und Ölabschreckung generiert werden können. Diese ermöglichen verkürzte Prozesszeiten und verringern den Einsatz von Energie und Hilfsstoffen. Die Effizienz des Einsatzhärtens kann dadurch gesteigert werden.

Bild 1: Numerisches Konzept zur Ermittlung beanspruchungskontrollierter Zielgrößen und Prozessparameter

Beanspruchungskontrollierte Zielgrößen und Prozessparameter

Zur Ermittlung beanspruchungskontrollierter Zielgrößen und Prozessparameter des Einsatzhärtens wurde das in Bild 1 dargestellte numerische Konzept entwickelt.

Der lokale Bauteilbeanspruchungszustand durch eine schwingende Bauteilbelastung bildet die Grundlage des Konzeptes. Mittels einer praxisüblichen konstruktionsbegleiten Finite-Elemente-Analyse wird der mehrachsige Bauteilbeanspruchungszustand analysiert. Die Zustandsbewertung erfolgt auf der Grundlage eines Vergleichsspannungskriteriums [8]. Aus der resultierenden Vergleichsspannung werden notwendige lokale Werkstoffmindestfestigkeiten abgeleitet [9]. Diese werden mittels Regressionsmodellen unter Berücksichtigung der chemischen Zusammensetzung des Einsatzstahles in lokale Werkstoffhärten und Kohlenstoffgehalte überführt [10]. Ausgehend vom lokalen Beanspruchungsmaximum und -gradienten wird der am höchsten beanspruchte Bauteilbereich identifiziert. Dieser liegt häufig im Bereich konstruktiv bedingter Kerbdetails. Für diesen versagenskritischen Bauteilbereich werden dann Härte- und Aufkohlungsprofile ermittelt und aus diesen die beanspruchungskontrollierten Zielgrößen abgeleitet (Bild 2).

Beim Teilprozess Aufkohlen beeinflusst die Form konstruktiv bedingter Kerbdetails die Kohlenstoffaufnahme und -diffusion signifikant [11, 12]. Zur Beschreibung von Diffusionsvorgänge werden deshalb komplexe Finite-Elemente-Analysen durchgeführt. Im Rahmen des numerischen Konzeptes sind derartige Finite-Elemente-Analysen nicht notwendig, da das Aufkohlen der konstruktiv bedingten Kerbdetails mittels bereits implementierter Ersatzmodelle [13, 14] beschrieben wird. Diese Modelle stellen den mathematischen Zusammenhang zwischen Prozessparametern, wie Aufkohlungstemperatur, Kohlenstoffpegel und Aufkohlungszeiten, des Einsatzhärtens (Eingabegröße) sowie den Geometrieparametern des Kerbdetails (Form) und dem Randkohlenstoffgehalt sowie der Aufkohlungstiefe (skalare Ergebnisgrößen) her. Dadurch ist es möglich, aus den beanspruchungskontrollierten Zielgrößen technologisch notwendige Prozessparameter, wie Aufkohlungstemperatur, Kohlenstoffpegel und Aufkohlungszeiten, abzuleiten.

Bild 2: Ermittlung beanspruchungskontrollierter Zielgrößen aus dem lokalen Festigkeitsverlauf

Programmwerkzeug BeKoEH-Postprozessor

Das vorgestellte Konzept zur numerischen Ermittlung von beanspruchungskontrollierten Zielgrößen und Prozessparametern des Einsatzhärtens unter Berücksichtigung des Bauteilbeanspruchungszustandes wurde als eigenständiger FE-Postprozessor mit grafischer Benutzeroberfläche modular umgesetzt. Dazu wurde die Skript-Sprache Python [15] verwendet.

Das Bild 3 zeigt eine Modulübersicht zum BeKoEH-Postprozessor (BeKoEH = Beanspruchungskontrolliertes Einsatzhärten).

Im Modul 1 wird das Projekt mit Namen und Arbeitsverzeichnis angelegt. Das Einlesen notwendiger FE-Geometrie- und FE-Ergebnisdaten im ASCII-Format erfolgt im Modul 2. Durch die ASCII-Formatierung wird jeder derzeit verfügbare FE-Code unterstützt. Mit dem Open-Source-Programm ParaView [16] können Ein- und Ausgabedaten dreidimensional grafisch dargestellt werden. Im Modul 2 wird der am höchsten beanspruchte Bauteilbereich, welcher häufig im Bereich konstruktiv bedingter Kerbdetails liegt, automatisch identifiziert. Entlang des Pfades des größten Vergleichsspannungsgradienten können die ermittelten Vergleichsspannungen grafisch dargestellt sowie exportiert werden.

Mit dem Pfad des größten Vergleichsspannungsgradienten sowie dem ausgewählten Einsatzstahl werden im Modul 3 beanspruchungskontrollierte Zielgrößen für das Einsatzhärten abgeleitet. Mittels des softwareseitig hinterlegten Ersatzmodells für das Aufkohlen des konstruktiv bedingten Kerbdetails sowie der Bauteilbeanspruchungsart ist es mit dem Modul 4 möglich, geeignete Prozessparameter zum Erreichen der beanspruchungskontrollierten Zielgrößen zu generieren. Die Ersatzmodelle für das Aufkohlen des Kerbdetails sind als Functional-Mock-up-Unit [17] hinterlegt.

Das mittels der Prozessparameter abgeleitete Aufkohlungsprofil des Kerbdetails kann wieder grafisch dargestellt und exportiert werden. Weiterhin ist es mit den Prozessparametern möglich, dass Aufkohlungsprofil für eine Scheibenprobe zu ermitteln. Scheibenproben werden standardmäßig zur Beurteilung der Güte des Einsatzhärtens verwendet. Der modulare Aufbau des Programmwerkzeugs BeKoEH-Postprozessor ermöglicht auch die Anwendung einzelner Module. Liegen die konstruktionsbedingten Zielgrößen einer Einsatzhärtung bereits vor, können mit der ausschließlichen Nutzung des Moduls 4 optimale Prozessparameter durch den Härtereibetrieb generiert werden.

Bild 3: Modulübersicht MFPA-Eigenentwicklung BeKoEH-Postprozessor

Bild 4: Biegebeanspruchte Welle mit Umfangskerb, Werkstoff 16MnCrS5

Bild 5: Eingabe- und Ausgabefenster Belastungsanalyse (Modul 2)

Bild 6: Vergleichsspannung in MPa im Kerbgrund (versagensmaßgebender Bereich)

Bild 7: Eingabe- und Ausgabefenster notwendige Einsatzhärtung (Modul 3)

Bild 8: Eingabe- und Ausgabefenster Parameter Einsatzhärtung (Modul 4)

Für beide Teilmengen der einsatzgehärteten Wellenbauteile mit Umfangskerb nach Bild 5 erfolgte die experimentelle Ermittlung der Dauerfestigkeit (Belastungsart Biegung). Die Tabelle 5 zeigt in einer Übersicht die experimentellen Dauerfestigkeiten sowie ausgewählte Parameter der Einsatzhärtungsvarianten (SEH, BeKoEH).

Die Zahlenwerte der Tabelle 5 zeigen, dass durch die Anwendung beanspruchungskontrollierter Zielgrößen und Prozessparameter die Dauer des Teilprozesses Aufkohlen um 96 % vermindert werden kann. Die Gesamtprozesszeit reduziert sich damit um 61 % gegenüber der Standard-Einsatzhärtung (SEH). Das Ziel, trotz geänderter Zielgrößen und Prozessparameter der Einsatzhärtung die Dauerfestigkeit der Wellenbauteile sicherzustellen, wurde experimentell nachgewiesen. Die um 12 % höhere Dauerfestigkeit der beanspruchungskontrolliert einsatzgehärteten Wellenbauteile ist auf eine weniger ausgeprägte Randoxidation (festigkeitsmindernde Nebenwirkung des Gasaufkohlens) bei diesen Wellenbauteilen zurückzuführen. Ursache sind die verkürzten Prozesszeiten. Die dargestellten Ergebnisse dokumentieren, dass das numerische Konzept und das darauf basierende neuartige Programmwerkzeug BeKoEH-Postprozessor geeignet sind, alle Anforderungen an eine qualitätsgerechte Einsatzhärtung bei minimiertem betrieblichen Aufwand zu erfüllen.

Zusammenfassung und Ausblick

Durch das thermochemische Verfahren Einsatzhärten ist es möglich, die Schwingfestigkeit von Stahlbauteilen zu erhöhen. Derzeitiger Stand der Technik ist, die Zielgrößen des Einsatzhärtens nur empirisch auf Grundlage der globalen Geometrie des Stahlbauteils festzulegen. Auf Basis dieser empirischen Zielgrößen werden dann die notwendigen Prozessparameter des Einsatzhärtens ermittelt.

Auf der Grundlage eines erstellten numerischen Konzepts wurde das neuartige Programmwerkzeug BeKoEH-Postprozessor entwickelt welches es ermöglicht, beanspruchungskontrollierte Zielgrößen und Prozessparameter für Stahlbauteile zu generieren. Maßgebend ist dabei immer der reale Beanspruchungszustand im versagenskritischen Bereich des Bauteils. Für genau diesen Bereich werden dann die notwendigen Zielgrößen des Einsatzhärtens definiert und die erforderlichen Prozessparameter abgeleitet.

Durch die Anwendung des Programmwerkzeugs BeKoEH-Postprozessor (MFPA-Eigenentwicklung) ist es möglich, den Einsatzhärtungsprozess gezielt auf die Bauteilgeometrie und -belastung abzustimmen. Durch die damit verbundene Reduzierung von Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefen (Tabelle 3), der Dauer der Aufkohlung (Tabelle 4) und der Verkürzung der Gesamtprozesszeit (Tabelle 5) sinkt der betriebliche Aufwand für Energie (Erdgas, Elektroenergie) und Hilfsstoffe (Prozessgas). Dies steigert die Effizienz des Einsatzhärtens.

Das numerische Konzept und das neuartige Programmwerkzeug BeKoEH-Postprozessor berücksichtigen derzeit das Einsatzhärten mittels Gasaufkohlen und Ölabschreckung. Ziel zukünftigen Untersuchungen ist die Implementation weiterer Verfahren wie das Niederdruckaufkohlen oder das Carbonitrieren.

Literatur

[1] Henning, F. and E. Moeller, Handbuch Leichtbau: Methoden, Werkstoffe, Fertigung. 2011, Hanser: München u.a.

[2] Kloos, K.H. and P.K. Braisch, Über die Wirkung einer Randschichtverfestigung auf die Schwingfestigkeit von Proben und Bauteilen. HTM 1982. 37: p. 83-91.

[3] Grosch, J., H. Bomas, D. Liedtke, and H. Streng, Einsatzhärten: Grundlagen - Verfahren - Anwendungen - Eigenschaften einsatzgehärteter Gefüge und Bauteile. 1 ed. Kontakt und Studium ed. W.J. Barrtz and E. Wippler. Vol. 356. 1994, Renningen-Malmsheim: Expert Verlag.

[4] Liedtke, D., Merkblatt 452 „Einsatzhärten“. 2 ed. . 1995, Düsseldorf: Stahl-Informations-Zentrum.

[5] Rennert, R., E. Kullig, M. Vormwald, A. Esderts, and M. Luke, FKM-Richtlinie: Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile Vol. 7. 2020, Frankfurt: VDMA Verlag GmbH.

[6] ISO 6336-1:2006-09. Tragfähigkeitsberechnung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern - Teil 1: Grundnorm, Einführung und allgemeine Einflussfaktoren September 2006, Beuth Verlag GmbH: Berlin.

[7] Diemar, A., K. Linne, J.W. Bergmann, and M. Vormwald, Einsatzhärten und Autofrettage; Vorhaben Nr. 784; Dauerfestigkeitssteigerung einsatzgehärteter Hochdruckbauteile durch Autofrettage; Abschlußbericht; Heft 783. . 2004, Frankfurt: Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e. V.

[8] Dang Van, K., B. Griveau, and O. Message, On a new Multiaxial Fatigue Limit Criterion: Theory and Application, in Biaxial and Multiaxial Fatigue, M.W. Brown and K.J. Miller, Editors. 1989, Mechanical Engineering Publications: London. p. 479-496.

[9] Murakami, Y., Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions. 1. ed. 2002, Oxford: Elsevier Science Ltd.

[10] Maynier, P., B. Jungmann, and J. Dollet. Creusot-Loire system for the prediction of the mechanical properties of low alloy steel products. in Hardenability concepts with applications to steel: Proceedings of a Symposium, October 24-26 1977, Chicago. 1978. Warendale: The Metallurgical Society of AIME.

[11] Wünning, J., G. Leyens, and G. Woelk, Gesteuerte Aufkohlung in CO-freien Atmosphären. HTM Haerterei-Techn. Mitt., 1976. 31: p. 132-136.

[12] Diemar, A., J. Hildebrand, U. Gerth, and C. Könke, Numerical Optimization of the Carburizing Process for Function-Related Construction Details of Steel Components. Journal of Heat Treatment and Materials 2015.

[13] Methods for Multi-Disciplinary Optimization and Robustness Analysis, I. ANSYS, Editor. 2021: Southpointe.

[14] optiSLang User’s Guide Release 2021 R2. 2021, Southpointe: ANSYS, Inc.

[15] Rossum, G.V. and F.L. Drake, Python 3 Reference Manual. 2009: CreateSpace.

[16] Ayachit, U., The ParaView Guide: A Parallel Visualization Application. 2015: Kitware, Inc.

[17] http://fmi-standard.org/. [cited 2017 14.09.].

[18] DIN EN ISO 683-3:2022-06. Für eine Wärmebehandlung bestimmte Stähle, legierte Stähle und Automatenstähle - Teil 3: Einsatzstähle (ISO 683-3:2022). Juni 2022, Beuth Verlag GmbH: Berlin.

Autoren

Erschienen in: Prozesswärme 6 (2022), S. 51–56