Einfluss des Werkstoffzustandes auf das Wärmebehandlungsergebnis beim induktiven Randschichthärten

Das induktive Randschichthärten ist ein äußerst wirtschaftliches und effizientes Verfahren zur Herstellung von hoch beanspruchten Bauteilen, wie z. B. Kurbelwellen, Pumpenwellen und Zahnrädern. Der Werkstoffzustand kann im Allgemeinen vor der Wärmebehandlung nur durch Zerstörung des Bauteils bestimmt werden. Von Vorteil wäre aber eine zerstörungsfreie Bestimmung des Werkstoffzustands während des Prozesses anhand eines Prozessparameters, der bereits quantitativ bei der Qualitätssicherung (z. B. Energiemenge) herangezogen wird, um das gewünschte Härteergebnis durch angepasste Prozessparameter zu erreichen. Es werden grundlegende Untersuchungen an einer Laborinduktionsanlage vorgestellt, die zeigen, dass eine Erkennung des Werkstoffzustands durch qualitative Auswertung des Leistungssignals in Form der Leistungskurve möglich ist. Dabei werden durch umfangreiche Untersuchungen an unterschiedlichen Vergütungsstählen die Charakteristik im Verlauf der Leistungskurve für gezielt hergestellte Werkstoffzustände erarbeitet und umfangreiche Auswertungen dieser Leistungskurve, der damit verbundenen Temperaturverläufe und die erreichten Härteergebnisse vorgestellt. Des Weiteren wird ein Simulationsmodell für die Temperaturverteilung und die Kohlenstoffdiffusion im Probeninneren entwickelt, das Aufschluss über die erreichbaren Härtetiefen liefert. Herausgearbeitet werden konnte ein Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Leistungskurve und den untersuchten Werkstoffzuständen, der sich bei allen untersuchten Werkstoffen in gleicher Weise abzeichnet und als Regelkriterium herangezogen werden kann. Die daraus entwickelte Regelung wird vorgestellt und in einer Sensitivitätsanalyse verifiziert.

Induction surface hardening is a very economical and efficient method for the production of highly stressed components such as crankshafts, pumpshafts and gears. The condition of the material can generally not be determined prior to heat treatment without destruction of the component. Beneficial would be a non-destructive determination of the material condition during the process using a process parameter that is already quantitatively used for quality assurance (like energy) to achieve the desired hardening depth by adapting process parameters. Basic investigations were presented on the laboratory induction hardening machine, which show, that the identification of the material condition by qualitative analysis of the power signal in the form of the power-curve is possible. By wide ranged investigations on different tempering steels the characteristics in the course of the power-curve for special pre-heated material conditions were drafted and extensive analysis of the power-curve, the associated temperature-cure and the achieved hardening depth were presented. Furthermore a simulation model for the temperature distribution and the carbon diffusion inside the sample is developed, what provides the information about the reachable hardening depths. A correlation between the shape of the power-curve and the material microsturcture could be worked out, which is shown for all analyzed materials in the same way and so can be used as a control criterion. The developed control is presented and verified in a sensitivity analysis.