Randschichthärten in der Antriebstechnik

Redakteur: Anne Richter

>> Die Oberflächen von Antriebskomponenten wie etwa Zahnrädern, Zahnstangen, Nocken oder Kurvenscheiben sind meist hohen mechanischen Beanspruchungen und einer hohen Verschleissbeanspruchung ausgesetzt. Das Randschichthärten bietet hier eine Lösung, denn es steigert die Belastbarkeit dieser Bauteile und schützt sie gegen Verschleiss. Die stark beanspruchten Oberflächen erhalten eine hohe Härte, während gleichzeitig das Innere des Bauteils seine Zähigkeit beibehält.

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Um optimal zur Einwirkung zu kommen, sind beim Induktionshärten die Induktionsspulen dem Werkstück geometrisch angepasst. Das Zweifrequenzhärten mit Hoch- und Mittelfrequenz ermöglicht besonders konturgetreues Härten. (Bild: Härterei Gerster)
Um optimal zur Einwirkung zu kommen, sind beim Induktionshärten die Induktionsspulen dem Werkstück geometrisch angepasst. Das Zweifrequenzhärten mit Hoch- und Mittelfrequenz ermöglicht besonders konturgetreues Härten. (Bild: Härterei Gerster)

Das Randschichthärten bewährt sich vor allem dann, wenn zugleich harte und verschleissfeste Oberflächen und hohe innere Werkstoffzähigkeit gefordert sind. Höchst aktuelle Beispiele sind Antriebselemente wie Führungen, Zahnräder und Zahnstangen, Wellen, Achsen, Kurbelwellen, Kurvenscheiben oder Kolbenstangen für Schiffsmotoren. Aber auch bei Seiltrommeln oder Führungssäulen von Pressen ist es zu empfehlen. Harte Randschichten verbessern die Dauerfestigkeit, indem sie Druckspannungen in der Oberfläche erzeugen und so Rissbildungen vorbeugen. Ausserdem verteilen sie äussere Druckspannungen auf einen grösseren Bereich im Inneren des Bauteils. Zudem erhöht es die Steifigkeit sowie die Knick- und Schwingfestigkeit.

Prinzipiell verläuft der Randschichthärtprozess ebenso ab wie andere Härteprozesse: Der Stahl wird auf die Härtetemperatur erwärmt und dann rasch abgeschreckt. Beim Abschrecken wandeln sich die Austenitkristalle, die sich beim Erreichen der Härtetemperatur gebildet haben, in harte Martensitkristalle um. Da nur begrenzte Bereiche erwärmt werden und deshalb weniger Energie eingetragen wird als bei anderen Verfahren, ist der thermische Verzug kleiner. Deshalb und weil der Vergütungswert im Kerngefüge unverändert bleibt, erfordert ein eventuelles nachträgliches Richten bedeutend weniger Aufwand. Das Verfahren spart Energie, ausserdem ist kein Nitrier- oder sonstiger Spezialstahl erforderlich, denn es lassen sich Stähle mit Kohlenstoffgehalten über 0,35 Prozent härten. Die Härterei Gerster AG, ein renommierter Spezialist für Wärmebehandlungen, setzt vor allem das Laser-, Induktions- und Flammhärten ein.

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Laserhärten: hocheffizient bei geringstem Wärmeeintrag

Beim Laserhärten fährt der Strahl des Hochleistungs-Diodenlasers mit hoher Präzision und grosser Vorlaufgeschwindigkeit über die zu härtende Zone und erwärmt sie dabei innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde auf bis zu 1300 Grad Celsius. Im direkten Bereich des Laserstrahls kommt es zu einer Austenitisierung des Gefüges. Da jedoch die Wärmeeinflusszone sehr gering ist, beginnt unmittelbar nach dem Durchlaufen des Laserstrahls die Selbstabschreckung und damit die Bildung von feinstkörnigem Martensit. Nachträgliches Anlassen der Härtezone ist überflüssig. Die Eindringtiefe zwischen 0,1 und 1,5 Millimetern wird je nach Anforderungen programmiert. Sowohl die erreichbare Härte als auch der Verlauf der gehärteten Bereiche sind sehr genau reproduzierbar. Es benötigt gegenüber dem Induktionshärten und besonders gegenüber dem Flammhärten um Faktoren weniger Energie.

Da bei diesem Prozess besonders wenig Wärme in das Werkstück gelangt, entsteht kaum Wärmeverzug und damit werden in den meisten Fällen Nachbearbeitungen überflüssig. Da die Werkstückoberfläche durch keinerlei Abschreckmedien verunreinigt wird, entfällt auch die nachträgliche Reinigung des Werkstücks. Wird der Prozess unter Schutzgas durchgeführt, tritt ausserdem keine Verfärbung der Oberfläche auf, sie bleibt blank. Der Laserstrahl lässt sich auch über dreidimensional geformte Konturen führen, um diese zu härten. Ein Rundtisch zum Aufspannen entsprechender Werkstücke erweitert das potenzielle Einsatzspektrum der Anlage.

Die Diodenlaseranlage ermöglicht es, Randschichten von bis zu sechs Meter langen und bis zu zehn Tonnen schweren Maschinenbetten zu härten. Auf diese Weise erhielten zum Beispiel die Führungsbahnen eines vier Meter langen Maschinenbettes durch mehrere 20 Millimeter breite Laserspuren die nötige Härte. Auf die gesamte Länge des Maschinenbettes trat lediglich ein Verzug von 0,3 Millimetern auf. Andere Beispiele, bei denen sich das Laser-Randschichthärten bewährt, sind Steuerkurven, Blech-Umformwerkzeuge, Biegestempel, Turbinenkomponenten, Förderschnecken, Verschlussflächen und -kanten und andere anspruchsvolle Maschinenbauteile.

Selbsterwärmung durch elektromagnetisches Wechselfeld

Beim Induktionshärten erwärmt sich der zu härtende Oberflächenbereich durch ein von Induktionsspulen erzeugtes elektromagnetisches Wechselfeld in sich selbst. Die induzierten elektrischen Ströme konzentrieren sich durch den Skineffekt im zu härtenden Oberflächenbereich des Werkstücks und erwärmen diesen wegen der grossen Leistungsdichte sehr rasch. Gleich nach dem Erreichen der Austenitisierungstemperatur wird die Härtezone durch eine Brause mit Wasser, Polymerlösung, Öl oder einen entsprechend starken Druckluftstrom abgeschreckt. Um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen, sind die Induktionsspulen dem Werkstück geometrisch so angepasst, dass sie optimal zur Einwirkung kommen. Der sehr schnelle Wärmeeintrag vermeidet Grobkornbildung, Randentkohlung und Zunderbildung. Das Induktionshärten erreicht in einer genau definierbaren Zone Einhärtungstiefen zwischen 0,1 und 15 Millimetern. Werden Eindringtiefen zwischen 0,1 und 2 Millimetern gewünscht, kommt das Hochfrequenzhärten zur Anwendung, bei 2 bis 15 Millimetern Eindringtiefe das Mittelfrequenzhärten. Das Zweifrequenzhärten mit Hoch- und Mittelfrequenz ermöglicht einen besonders konturgetreuen Härteprozess, der besonders bei Zahnrädern und Kettenrädern wichtig sein kann.

Das Werk verfügt über mehrere leistungsfähige CNC-Induktionshärteanlagen für die Zahnlückenhärtung sowie Durchlaufhärteanlagen für Zahnkopf und Zahnflanken von Zahnstangen bis zu Modul 4. Die vorhandenen Anlagen ermöglichen sowohl Zahnflankenhärtung als auch Zahnlückenhärtung an bis zu sechs Meter langen Zahnstangen und an Zahnrädern mit bis zu drei Metern Durchmesser und bis zu fünf Tonnen Gewicht. Die Zahnflankenhärtung wird üblicherweise ab Modul 5 durchgeführt und umfasst den Zahnkopf und die Zahnflanken, die damit eine hohe Verschleissbeständigkeit erhalten. Bei der Durchlaufhärtung wiederum werden die Zähne von Zahnrädern ab Modul 5 bis unter den Zahngrund gehärtet. Da die Kosten für die Herstellung passender Induktionsspulen überschaubar sind, eignet sich dieses Härteverfahren auch für Einzelstücke.

Nach dem induktiven Randschichthärten können Zahnstangen einen Verzug von mehreren Millimetern aufweisen, der auf einer vollautomatischen, selbst lernenden Richtanlage für bis zu 2500 Millimeter lange Stangen mit runden und eckigen Querschnitten bis 50 x 50 Millimetern beseitigt wird. Generell tritt ein kleinerer Verzug auf, wenn das Werkstück vor dem Härten einen ausgeglichenen Eigenspannungszustand hat. Es empfiehlt sich daher besonders bei Werkstücken mit sehr unregelmässigen Geometrien, diese vor dem Randschichthärten spannungsfrei zu glühen und anschliessend auf Schleifzugabe zu bearbeiten.

Flammhärten: für grosse Dimensionen

Beim Flammhärten erwärmen spezielle Hochleistungsbrenner die Randschicht mit einem Energieeinsatz von bis zu 5000 Kilowatt sehr rasch auf Härtetemperatur. Gleich danach erfolgt das Abschrecken mit Wasser, Polymerlösung, Öl oder einem starken Druckluftstrom. Je nach Werkstoff sind Einhärtetiefen zwischen 1,5 und 40 Millimetern erreichbar.

Das Flammhärten kommt vor allem bei Kundenteilen grösserer Dimensionen zum Einsatz. Das derzeit übliche Werkstückspektrum reicht bei Wellen bis zu 840 Millimetern Durchmesser und elf Metern Länge oder bei quaderförmigen Dimensionen bis 1200 x 2000 x 10 000 Millimetern. Die Walzen und Wellen, Zylinder und Kolben, Kolbenstangen, Schienen, Führungsbahnen und Maschinenbetten können bis zu 20 Tonnen schwer sein.

Von der Beratung bis zum fertigen Bauteil

Neben allen härtbaren Stählen können auch laminare und globulare Gussmaterialien durch Randschichthärten veredelt werden, am besten eignen sich Gussmaterialien mit perlitischer Grundmasse und geringem Ferritanteil. Entscheidenden Einfluss auf die optimale Wärmebehandlung hat auch die konstruktive Gestaltung des Werkstücks. So etwa lässt sich mit der Vermeidung schroffer Übergänge, entsprechend dimensionierten Radien, ausgewogener Massenverteilung und Formsymmetrien der thermische Verzug der Werkstücke vorteilhaft beeinflussen.

Die Härterei Gerster AG verfügt über umfangreiches Know-how und jahrzehntelange Praxiserfahrung bei technischen Wärmebehandlungen. Das Unternehmen ist nach den aktuellen ISO/TS-Normen zertifiziert. Sein Leistungsspektrum umfasst ein vielfältiges Verfahrensangebot und beginnt schon bei der kompetenten Beratung, bei welcher in enger Zusammenarbeit mit dem Kunden die optimale Wärmebehandlung gewählt wird. Die Werkstoffspezialisten des Unternehmens bieten Unterstützung mit Gefügeuntersuchungen, zerstörungsfreien Härteuntersuchungen, Bauteiloptimierungen etc. Ein umfangreicher Maschinenpark mit rund 50 modernsten CNC-gesteuerten Randschicht-Härteanlagen ermöglicht den für jedes Werkstück am besten geeigneten Prozess sowohl für Einzelstücke als auch für Grossserien mit mehreren Millionen Stück.<<

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