Harte Schale, zäher Kern
Hoch beanspruchte Kfz-Bauteile brauchen exzellente Werkstoffe. Im Fokus der Materialforscher und Produktionstechniker bei Bosch stehen deshalb Techniken, um „normale“ Stähle zu Hochleistungsmaterialien zu veredeln. Die Methoden der Wahl dafür sind das so genannte Unterdruckaufkohlen in Kombination mit dem Hochdruck-Gasabschrecken.
Stahl ist landläufig ein Sinnbild für Härte und Festigkeit. Doch schon dieses einfache Bild findet unter den Augen eines Materialforschers keine Gnade: Harte Materialien sind auch spröde; spröde aber ist alles andere als fest. Denn in spröden Materialbereichen können sich leicht Risse bilden, und schon droht das Bauteil zu „versagen“, wie sich die Forscher ausdrücken. Nun gibt es kaum eine Industrie, die höhere Anforderungen an die Werkstoffe stellt als die Automobilbranche – bezogen auf die Belastungen des „Materials“ und auf die geforderte Lebensdauer.
Bei modernen Diesel-Einspritzsystemen, beispielsweise nach dem Common-Rail-Prinzip (CR), treten innerhalb der Bauteile Drücke von bis zu 1800 bar auf. Injektor und CR-Hochdruckpumpe sind dabei extremen Belastungen ausgesetzt: Die Laufflächen der beweglichen Teile müssen möglichst verschleißfrei und somit hart sein, das ganze Bauteil aber fest und zäh. Schließlich unterliegt das Gesamtsystem mit jedem Einspritzvorgang einer schwingenden Beanspruchung.
Rund zehn Millionen derartige Lastwechsel sind während der Lebensdauer wegzustecken.
Materialforscher bei Bosch untersuchen nun Möglichkeiten, diese zunächst widersprechenden Eigenschaften „harte Schale/zäher Kern“ bestmöglich in den Bauteilen zu realisieren. Wesentlich sind dabei Gesichtspunkte der Fertigung: Hochlegierter und damit harter Stahl scheidet aus, da er nur schwer zerspant werden kann. Deswegen greifen die Forscher beispielsweise auf niedriglegierten Stahl zurück, der in der Weichzerspanung gut in Form gebracht werden kann. Anschließend werden die gewünschten Gebrauchseigenschaften durch eine Wärmebehandlung eingestellt (siehe Grafik).
Eine harte und verschleißfeste Oberfläche bei Stahlbauteilen erzeugen die Bosch-Ingenieure durch das so genannte Unterdruckaufkohlen. Hierbei diffundieren Kohlenstoffatome in die Randschicht des Stahls. Dies geschieht bei rund 1000 Grad Celsius und einem Unterdruck von einigen Millibar. Bei diesen hohen Temperaturen besitzt Kohlenstoff eine gute Löslichkeit im Stahl. Die Atome dringen bis in eine Tiefe von ein bis mehreren Millimetern ein und besetzen dort Zwischengitterplätze. Durch dieses „Aufkohlen“ der Oberfläche auf rund 0,7 Gewichtsprozent Kohlenstoff erhöht sich deren Härte wesentlich.
Für Aufkohlungstiefe und Randkohlenstoffgehalt suchen die Bosch-Forscher die optimalen Parameter unter den Stellgrößen Gasart, Druck und Einwirkungszeit. Insbesondere stellt sich ihnen die Herausforderung, geometrisch komplexe Bauteile mit tiefen Bohrungen in möglichst kurzen Prozesszeiten zu behandeln.
Zusätzlich zum Veredeln der Randschicht wird das Gesamtbauteil in einem anschließenden Schritt, dem Abschrecken, gehärtet. Dabei „klappt“ das Kristallgitter der bei 1000 Grad Celsius stabilen Austenit-Phase des Stahls in den harten Martensit um. Allerdings nur, wenn das Abschrecken auf Raumtemperatur innerhalb von wenigen Sekunden geschieht. Ansonsten geht der Stahl in seine weichere Ausgangsphase (Ferrit/Perlit) zurück. Beim Hochdruck-Gasabschrecken wird mit einem Stickstoffstrom bei Drücken bis 20 bar gekühlt. Das inerte Gas hat mehrere Vorteile: Es wirkt nicht oxidierend. Die Bauteile brauchen nicht gereinigt zu werden, wie dies beim klassischen Abschrecken mit Salzen oder Ölen notwendig ist. Und das Gas ist weder gesundheits- noch umweltschädlich.
Um diese ökonomischen wie ökologischen Vorteile zu nutzen, arbeitet Bosch daran, das Hochdruck-Gasabschrecken in die Prozesskette zu integrieren. Mit weiteren Prozessschritten wie Tiefkühlen und Anlassen können Härte und Duktilität des Bauteils maßgeschneidert eingestellt werden.
Wichtig ist auch die Untersuchung des Verzugs von Bauteilen beim Abschrecken – physikalisch sind Verformungen durch die Gefügeumwandlung nicht zu vermeiden. Simulationen sollen klären, was den Verzug beeinflusst und wie er möglichst klein ausfällt. Umso geringer sind dann auch Aufwand und Kosten für die abschließende Fertigbearbeitung.
Bei modernen Diesel-Einspritzsystemen, beispielsweise nach dem Common-Rail-Prinzip (CR), treten innerhalb der Bauteile Drücke von bis zu 1800 bar auf. Injektor und CR-Hochdruckpumpe sind dabei extremen Belastungen ausgesetzt: Die Laufflächen der beweglichen Teile müssen möglichst verschleißfrei und somit hart sein, das ganze Bauteil aber fest und zäh. Schließlich unterliegt das Gesamtsystem mit jedem Einspritzvorgang einer schwingenden Beanspruchung.
Rund zehn Millionen derartige Lastwechsel sind während der Lebensdauer wegzustecken.
Materialforscher bei Bosch untersuchen nun Möglichkeiten, diese zunächst widersprechenden Eigenschaften „harte Schale/zäher Kern“ bestmöglich in den Bauteilen zu realisieren. Wesentlich sind dabei Gesichtspunkte der Fertigung: Hochlegierter und damit harter Stahl scheidet aus, da er nur schwer zerspant werden kann. Deswegen greifen die Forscher beispielsweise auf niedriglegierten Stahl zurück, der in der Weichzerspanung gut in Form gebracht werden kann. Anschließend werden die gewünschten Gebrauchseigenschaften durch eine Wärmebehandlung eingestellt (siehe Grafik).
Eine harte und verschleißfeste Oberfläche bei Stahlbauteilen erzeugen die Bosch-Ingenieure durch das so genannte Unterdruckaufkohlen. Hierbei diffundieren Kohlenstoffatome in die Randschicht des Stahls. Dies geschieht bei rund 1000 Grad Celsius und einem Unterdruck von einigen Millibar. Bei diesen hohen Temperaturen besitzt Kohlenstoff eine gute Löslichkeit im Stahl. Die Atome dringen bis in eine Tiefe von ein bis mehreren Millimetern ein und besetzen dort Zwischengitterplätze. Durch dieses „Aufkohlen“ der Oberfläche auf rund 0,7 Gewichtsprozent Kohlenstoff erhöht sich deren Härte wesentlich.
Für Aufkohlungstiefe und Randkohlenstoffgehalt suchen die Bosch-Forscher die optimalen Parameter unter den Stellgrößen Gasart, Druck und Einwirkungszeit. Insbesondere stellt sich ihnen die Herausforderung, geometrisch komplexe Bauteile mit tiefen Bohrungen in möglichst kurzen Prozesszeiten zu behandeln.
Zusätzlich zum Veredeln der Randschicht wird das Gesamtbauteil in einem anschließenden Schritt, dem Abschrecken, gehärtet. Dabei „klappt“ das Kristallgitter der bei 1000 Grad Celsius stabilen Austenit-Phase des Stahls in den harten Martensit um. Allerdings nur, wenn das Abschrecken auf Raumtemperatur innerhalb von wenigen Sekunden geschieht. Ansonsten geht der Stahl in seine weichere Ausgangsphase (Ferrit/Perlit) zurück. Beim Hochdruck-Gasabschrecken wird mit einem Stickstoffstrom bei Drücken bis 20 bar gekühlt. Das inerte Gas hat mehrere Vorteile: Es wirkt nicht oxidierend. Die Bauteile brauchen nicht gereinigt zu werden, wie dies beim klassischen Abschrecken mit Salzen oder Ölen notwendig ist. Und das Gas ist weder gesundheits- noch umweltschädlich.
Um diese ökonomischen wie ökologischen Vorteile zu nutzen, arbeitet Bosch daran, das Hochdruck-Gasabschrecken in die Prozesskette zu integrieren. Mit weiteren Prozessschritten wie Tiefkühlen und Anlassen können Härte und Duktilität des Bauteils maßgeschneidert eingestellt werden.
Wichtig ist auch die Untersuchung des Verzugs von Bauteilen beim Abschrecken – physikalisch sind Verformungen durch die Gefügeumwandlung nicht zu vermeiden. Simulationen sollen klären, was den Verzug beeinflusst und wie er möglichst klein ausfällt. Umso geringer sind dann auch Aufwand und Kosten für die abschließende Fertigbearbeitung.
