Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Steigerung der Werkstoff- und Ressourceneffizienz beim Einsatzhärten durch beanspruchungskontrollierte Kohlenstoff- und Härteprofile

Forschungsziel ist, die bisher empirisch basierte Festlegung von Kohlenstoff- und Härteprofilen für das Einsatzhärten durch ein geschlossenes Konzept zur numerisch basierten Ermittlung beanspruchungskontrollierter Kohlenstoff- und Härteprofile zu ersetzen.

Zum Erreichen des Forschungsziels ist zunächst unter Berücksichtigung des Beanspruchungszustandes für das versagensmaßgebende Konstruktionsdetail die lokale Werkstoffmindestfestigkeit (Härte) zu bestimmen. Mittels numerischer Verfahren wird ein optimiertes Aufkohlungsprofil für den Einsatzstahl des Stahlbauteiles ermittelt welches sicherstellt, dass das erforderliche Härteprofil des versagensmaßgebenden Konstruktionsdetails durch die praktische Einsatzhärtung erreicht werden kann. Die beanspruchungskontrollierten Aufkohlungs- und Härteprofile werden mittels einer zu entwickelnden Software in optimale technologische Parameter der Einsatzhärtung überführt.

Durch die Anwendung beanspruchungskontrollierter Aufkohlungs- und Härteprofile wird erwartet, dass signifikante Reduzierungen der Kohlenstoffpegel und Aufkohlungsprozesszeiten vorgenommen werden können. Damit wird ein entscheidender Beitrag zur Ressourceneffizienz geleistet. Die Ableitung lokaler Werkstoffmindestfestigkeiten erleichtert die Auswahl derjenigen Einsatzstahlsorte mit den geringsten Beschaffungskosten. Damit kann ein Beitrag zur Werkstoffeffizienz geleistet werden.

Kleine und mittelständige Unternehmen (KMU) haben häufig nur begrenzte eigene Forschungs- und Entwicklungskapazitäten. Mit den neuartigen Programmwerkzeugen können diese ressourcen- und energieeffiziente Einsatzhärtungsstrategien für komplexe Stahlbauteile erarbeiten. Die Umsetzung der Ergebnisse des Forschungsvorhabens in die betriebliche Praxis der KMU führt damit zu einer Kostenreduktion sowie einer Verbesserung der Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit. Die Konkurrenzfähigkeit der deutschen Industrie gegenüber internationalen Wettbewerbern wird gestärkt.

Ergebniszusammenfassung:

Im IGF-Projekt wurde ein Konzept zur numerischen basierten Ermittlung beanspruchungskontrollierter Ziel- und Prozessgrößen des Einsatzhärtens entwickelt. In diesem Konzept bildet der Zustand des Stahlbauteils infolge einer äußeren Beanspruchung die entscheidende Grundlage. Maßgebend ist der tatsächliche Beanspruchungszustand im versagenskritischen Bereich des Stahlbauteils. Für genau diesen Bereich werden die notwendigen Zielgrößen des Einsatzhärtens definiert. Damit wird es möglich, beispielsweise Aufkohlungs- und Einsatzhärtungstiefen signifikant zu reduzieren. Gegenüber der bisherigen empirischen Vorgehensweise kann damit die Energie- und Ressourceneffizienz des Einsatzhärtens gesteigert werden.

Für die industrielle Anwendung wurde das Konzept in ein nutzerfreundliches Softwaresystem integriert. Die Validierung des Konzepts erfolgte mittels Wellenproben mit unterschiedlichen Formen der versagenskritischen Bereiche (Querbohrung, Umfangskerb). Für die torsionsbeanspruchten Proben Welle mit Querbohrung konnte beispielsweise durch die Anwendung des neuen Konzeptes die notwendige Gesamtprozesszeit um 45 % im Vergleich zur Standard-Einsatzhärtung reduziert werden. Eine Reduzierung um 55 % wurde für die biegebeanspruchten Proben Welle mit Umfangskerb erreicht.

Experimentell konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass durch die Reduzierungen keine negativen Auswirkungen auf die Beanspruchbarkeit der Stahlbauteile zu erwarten sind.

Grundsätzlich ist es möglich, mittels der Ergebnisse der analytischen und experimentellen Arbeiten softwarebasiert energie- und ressourceneffiziente Einsatzhärtungsstrategien zu erarbeiten, welche in den Wirtschaftszweigen entsprechend der Anlage angewendet werden können.