Induktives Härten und Anlassen gradiert poröser pulvermetallurgischer Stähle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Volker Schulze
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458684492

Pulvermetallurgisch hergestellte Stähle haben sich durch Vorteile wie die endkonturnahe Urformung in den letzten Jahren in der industriellen Anwendung etabliert. Durch Vorlegieren können heute Pulver hergestellt werden, die mit den meisten Wärmebehandlungsverfahren für regulinische Stähle wärmebehandelt werden könnten. Ein inzwischen gängiges Verfahren, welches aber bei PM-Stählen bisher kaum Verwendung findet, ist das Induktionshärten, bei dem eine schnelle, verzugsarme Härtung mit Druckeigenspannungen in der Randschicht zu einem positiven Effekt auf die Bauteillebensdauer führt. Bei Sinterstählen zeigt sich jedoch durch die schroffe Abschreckung in Kombination mit der Porosität eine gravierende Neigung zur Rissbildung sowie eine grundlegende Veränderung der Umwandlungskinetik sowohl im Härte- als auch dem Anlassschritt. Dies führt zu drastischen Veränderungen der Prozessparamter, welche nur schwer vorhersagbar sind. Für eine effiziente Prozessentwicklung des Randschichthärtens werden heute Prozesssimulationen und Werkstoffmodelle eingesetzt. Während für regulinische Stähle angepasste Modelle existieren, fehlen diese bei PM-Stählen. Eine direkte Anwendung bekannter Modelle ist aufgrund der unbekannten Wechselwirkung zwischen Porosität und den für den Prozessablauf ausschlaggebenden thermo-physikalischen Eigenschaften nicht möglich. Auch für das nach dem Härten übliche Anlassen randschichtgehärteter Bauteile existieren kaum experimentelle Untersuchungen, die die Prozesse wie Ausscheidungsbildung im Hinblick auf die Besonderheiten von PM-Stählen betrachten. Dementsprechend existieren auch hierfür keine dezidierten Simulationsmodelle.Ziel dieses Vorhabens ist es daher diese eklatante Wissenslücke hinsichtlich der kinetischen und thermo-physikalischen Effekte zu schließen und durch die umfassende Untersuchung der porositätsabhängigen Material- und Mikrostruktureigenschaften die Entwicklung eines effizienten Modells für den gesamten Wärmebehandlungsprozess zu realisieren.Im Projekt werden hierfür umfangreiche Messungen mit unterschiedlichen thermo-physikalischen und metallographischen Methoden zum Zustand nach dem induktiven Randschichthärten sowie dem anschließenden Anlassen durchgeführt werden. Als Werkstoff soll hierfür ein Astaloy CrA mit hinzugeliertem Kohlenstoff verwendet werden. Untersuchungsziel ist die porositätsabhängige Charakterisierung von thermo-physikalischen Größen, Phasenumwandlungen und der Entwicklung mechanischer Eigenschaften beim Randschichthärten und beim Anlassen. Die experimentellen Ergebnisse werden dann in Kinetik- und Materialmodelle überführt, aus denen ein Finite-Elemente Prozessmodell des induktiven Härtens und anschließenden Anlassens aufgebaut wird.Abschließend wird mit Hilfe dieses Modells eine Parameterstudie durchgeführt, die es erlaubt den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf den resultierenden Bauteilzustand zu untersuchen und die dadurch erreichte Vorhersagbarkeit des Prozessergebnisses zu validieren

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Stefan Dietrich