Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ökonomische Entgasungs-Wärmebehandlung für galvanisch beschichtete Bauteile

Wärmebehandlungsverfahren zum Austreiben von festigkeitsminderndem Wasserstoff und damit zur Vermeidung der Wasserstoffversprödung aus Bauteilen mit galvanischer Beschichtung erfolgen derzeit nach empirisch ermittelten und teilweise ungenauen Richtlinien. Die Unternehmen orientieren sich meist an maximal angegebenen Zeiten, um eine größtmögliche Sicherheit hinsichtlich des Wasserstoffversprödungspotentials zu erzielen, ohne dabei das Schicht-Substrat-System und die Bauteilgeometrie zu beachten. Die Folge sind konservative, zeit- und kostenintensive Wärmebehandlungen. Die überwiegend mittelständischen Lohnbeschichter verfügen meist nicht über das Fachwissen und die wirtschaftlichen Ressourcen, um effiziente Prozessstrategien für ihre Anwendung zu entwickeln. Das Fraunhofer IWM und das Fraunhofer IPA entwickeln im beantragten Forschungsvorhaben „OptiHeat“ eine Toolbox, mit der es gezielt den KMU möglich ist, eine kostengünstige Konfiguration einer optimierten Entgasungswärmebehandlung für galvanisch beschichtete Bauteile vorzunehmen. Mit der im Projekt experimentell erarbeiteten Datenbasis für die Schichten Zink oder Zink-Nickel und Hartchrom wird ein flexibles Computersimulationswerkzeug für eine schnelle und fundierte Auslegung der Entgasungsbehandlung entwickelt. Zur Generierung der Daten für die Simulation sind umfangreiche Beschichtungen auf definierten Probekörpern notwendig. Diese werden mithilfe spezieller analytischer Verfahren auf den Wasserstoffgehalt sowie das Diffusions- und Effusionsverhalten untersucht. Die Ergebnisse fließen in ein Multiparametermodell ein. Anhand der Ergebnisse wird eine industrietaugliche Toolbox erarbeitet, so dass der Lohnbeschichter seine Wärmebehandlung einfach festlegen kann und mit zunehmender Datendichte keine Vorversuche notwendig sind. Die berechneten Wärmebehandlungsparameter liefern dem Beschichter und Anwender ein enges Arbeitsfenster, entlasten jedoch nicht vor notwendigen Prüf. bei sicherheitsrelevanten Bauteilen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsprojekt Optiheat wurden eine Vielzahl an Werkstoffuntersuchungen für die Ermittlung der Wechselwirkung von beim Beschichten eingetragenem Wasserstoff, unterschiedlicher Beschichtungen, sowie Wärmebehandlungsdauern und -temperaturen weiterentwickelt und durchgeführt. Verschiedene Analysemethoden für unbeschichtete Stähle wurden entsprechend für Analysen mit Beschichtung qualifiziert. Durch die Auswahl von mehreren Schichtsystemen ist es somit möglich, die erarbeiteten messtechnischen Möglichkeiten für eine Aufnahme der Wasserstoffaufnahme und der Wasserstoffeffusion bei einer Wärmebehandlung zu nutzen.

Ein erarbeitetes Multiparametermodell erlaubt dem Anwender die Vorgänge im Inneren des Werkstoffs bei der Entgasungs-Wärmebehandlung besser zu verstehen. Gleichzeitig kann die erarbeitete Simulationsmethode direkt für komplexe Geometrien angewandt werden.

Ein vereinfachtes Modell erlaubt es die Entgasungs-Simulationen mittels kostenfreier Software schnell zu berechnen. Die zusätzliche Implementierung der Methode in ein grafisches Benutzer-Interface versetzt auch unerfahrene Anwender in die Lage die Vorgänge im Inneren der Bauteile bei der Entgasungs-Wärmebehandlung besser zu verstehen und diese gezielter auszulegen.

Aus den Ergebnissen der mechanischen Untersuchungen mit beschichteten und wärmebehandelten Proben für unterschiedliche Materialfestigkeiten konnten grundsätzliche Ergebnisse erhalten werden, die für eine Auslegung von Wärmebehandlungen hilfreich sind.

Es wurde ein Testkit entwickelt, mit welchem KMUs betriebsintern in einer definierten Umgebung reproduzierbare Proben beschichten können. Die mit dieser Methodik für mehrere Schichtsysteme erarbeitete Datenbasis fließt in eine hinterlegte Datenbank ein. Damit entfällt mit zunehmender Informationsdichte die auf Experimenten basierte Ermittlung von Parametern und eine Entgasungsanweisung kann für verschiedene Schichtsysteme direkt aus der Datenbank entnommen werden.