Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle und numerische Untersuchung des Carbonitrierens von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und Festigkeitseigenschaften

Das geplante Forschungsvorhaben „PM-Carbonitrieren“ beschäftigt sich mit der Übertragung des, bei schmelzmetallurgischen Materialien beherrschten, Carbonitrierens auf pulvermetallurgisch hergestellte Stähle zur Anpassung der Materialien auf die im Betrieb auftretenden Anforderungen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das für traditionell hergestellte Werkstoffe beherrschte Verfahren auf diese Bauteile zu übertragen und die dabei ablaufenden Vorgänge in Abhängigkeit von Legierungszusammensetzung und Restporosität verstehen und beschreiben zu können.

Darüber hinaus sollen im Rahmen eines umfassenden Versuchsplans besonders geeignete Randschichtgefüge für die verwendeten Werkstoffe erarbeitet werden. Die im Laufe des Projekts anfallenden Analyseergebnisse (Gefüge, Härte- und Elementtiefenverläufe) werden darüber hinaus in einer Simulation zur Vorhersage der sich einstellenden Zustände weiterverwendet.

Abschließend sollen die erfolgsversprechende Varianten auf verschiedene Prüfkörper übertragen, um mögliche Potentiale für PM-Stähle aufzuzeigen. Darüber hinaus werden ausgewählte Varianten in Stichversuchen auf reale Bauteile in der Industrie übertragen.

Nach Abschluss des Vorhabens steht neben dem erheblichen Wissenszuwachs auf dem Gebiet der thermochemischen Wärmebehandlung von PM-Stählen ein umfassendes Simulationstool zur Verfügung, welches es KMUs in einer Vielzahl von Fachgebieten beziehungsweise Wirtschaftszweigen ermöglicht, den Prozess ohne nennenswerte Investitionen umzusetzen und dadurch ihr Produktportfolio entscheidend zu vergrößern. Nach Abschluss des Vorhabens sowie des Wissenstransfers in Form von Tagungen und Veröffentlichungen erscheint eine zeitnahe Umsetzung des Carbonitrierens bei pulvermetallurgischen Materialen als möglich.

Ergebniszusammenfassung:

Die Verwendung von gepressten Formteilen aus pulvermetallurgischen (PM) Ausgangswerkstoffen stellt eine Alternative dar, die eine Steigerung der Effizienz der Prozesskette zulässt. Dabei weisen diese aufgrund der intrinsischen Porosität hohe Potentiale zur Steigerungsfähigkeit auf. In Bezug auf Getriebebauteile wird in der Regel ein Einsatzhärten als finale festigkeitssteigernde Wärmebehandlung angewendet.

Die Anwendung des Carbonitrierens auf pulvermetallurgische Bauteile und die sich dabei einstellenden Randschichtzustände wurden umfangreich untersucht. In verdichteten Randzonen konnten nahezu die gleichen Vorgänge und Zustände im Vergleich zu herkömmlichen Prozessrouten beobachtet werden. Im Übergangsbereich zum porösen Kern ändern sich die Mechanismen allerdings grundsätzlich, so dass insbesondere die Kohlenstoffdiffusion deutlich erhöht wird. Längere Prozessdauern führen zu einer Steigerung des Kohlenstoffgehalts im Kern, was zu einem flachen Härteprofil und einer Erhöhung der Kernhärte führt.

Ein Finite-Differenzen-Modell zur Vorhersage von Elementtiefenverläufen für Kohlenstoff und Stickstoff wurde für das übliche Prozessfenster mittels porositätsabhängiger Diffusionsgrößen erstellt. Das Modell kann auf Basis der Wärmebehandlungsparameter komplexe Prozessführungen abbilden. Mittels Porositätsanalyse und der Korrelation der sich einstellenden Kohlenstoffverläufe konnte eine Formulierung für die Diffusionsmechanismen aufgestellt und validiert werden. Dank des gradierten Porositätsverlaufes konnte eine Trennung der diffusionskontrollierenden Mechanismen erfolgen.

Zur zukünftigen Vorhersage von Bauteilzuständen konnten Materialdaten für die Simulation in Abhängigkeit der Porosität, des Kohlenstoffs und des Stickstoffs bestimmt werden. Die Richtigkeit der Gesamtheit der Simulation konnte anhand ausgewählter Zustände validiert werden. In den Untersuchungen wurde ein Trend zu besseren Gebrauchseigenschaften von carbonitrierten Randschichten aufgezeigt.