Tailored Carburization: Gradierung mechanischer Eigenschaften in der Blechebene und über die Blechdicke

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Marion Merklein
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283715217

Das Projektziel besteht in der Erarbeitung und Charakterisierung der grundlegenden Möglichkeiten zur Einstellung lokaler mechanischer Eigenschaften durch eine örtlich begrenzte Aufkohlung des Blechhalbzeugs. Dabei soll eine Prozessführung basierend auf der in der Massivumformung bei Getrieben verwendete Methodik des Einsatzhärtens entwickelt werden. Das Einsatzhärten wird in der Massivumformung beispielsweise zur Randschichthärtung des Werkstoffs verwendet, wodurch die Ermüdungsfestigkeit in Zahnfuss und -flanke gesteigert werden kann. Dabei handelt es sich in der Massivumformung um einen etablierten, in der Blechumformung neuartigen, innovativen Ansatz, bei dem aktuell keine grundlegenden Kenntnisse zur Herstellung von Bauteilen aus flachen Halbzeugen mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt vorliegen. Die Kenntnis des Einflusses und der Ausbildung dieser unterschiedlichen Kohlenstoffgehalte stellen allerdings einen entscheidenden Faktor in Anbetracht der fortwährenden Steigerung der Komplexität der Bauteile und Prozesse durch steigende, teils kontroverse Anforderungen sowie der Forderung nach Funktionsintegration in einzelnen Bauteilen dar. Dafür ist es zunächst notwendig, die prozessspezifischen Randbedingungen hinsichtlich der Diffusion des Kohlenstoffs in den Werkstoff zu erarbeiten und den Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter bezüglich des Diffusionsverhaltens zu analysieren, um ein geeignetes Prozessfenster zu identifizieren. Da die Diffusion einen zeitvarianten Prozess darstellt, müssen weiterhin die notwendigen zeitlichen Rahmenbedingungen für eine komplette Aufkohlung mit anschließender Durchhärtung ermittelt werden. Die Verwendung einer kürzeren Zeit resultiert dabei in sich ändernden mechanischen Eigenschaften in Blechdickenrichtung, was zu einem veränderten Versagensbild des Werkstoffs führt und ebenfalls stichprobenartig untersucht wird. Zudem soll untersucht werden, wie sich Übergangsbereiche zwischen lokal mittels Graphit aufgekohlten und nicht aufgekohlten Zonen über die Verweildauer im Ofen beeinflussen lassen und wie sich unterschiedliche Muster auf die resultierenden mechanischen Eigenschaften durch eine musterabhängige, lokale Konzentration des Kohlenstoffs auswirken. Da die Härtung anschließend im Werkzeug stattfinden soll, wird weiterhin der Parametereinfluss von z.B. Kontaktdruck und Kontaktzuständen eingehend thermoanalytisch und mechanisch charakterisiert. Es ist eine unterstützende Wirkung des Graphits auf den Wärmeübergang zu erwarten, da die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Stahl höher ist und die vorhandenen Rauheitstäler bereits bei geringeren Kontaktflächenpressungen geschlossen werden, wodurch die wärmeübertragende Kontaktfläche vergrößert wird. Die Validierung der festgestellten Einflüsse erfolgt abschließend durch eine Übertragung des neuartigen, innovativen Ansatzes der lokal begrenzten Aufkohlung auf eine Modellgeometrie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen