Das Eindruckverfahren nach DIN SPEC 4864
zur Festigkeitsprüfung bei Oberflächenhärtung

Festigkeitsprüfung nach Oberflächenhärtung - Anwenderbericht des WZL der RWTH Aachen

Die Abteilung Umformende Fertigungsverfahren des Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen beschäftigt sich unter anderem mit der Untersuchung von Randzonenbearbeitungsverfahren, wie dem Festwalzen und dem maschinellen Oberflächenhämmern (MOH). Beim MOH wird durch hochfrequente Schläge eines zumeist sphärischen Stößelkopfes eine Oberflächeinglättung oder gezielt Strukturierung erzeugt, Druckeigenspannungen werden in das Werkstück eingebracht sowie eine Kaltverfestigung in der Randzone erzielt.*

Grund für die Verwendung des Eindruckverfahrens

Zur Generierung von Fließkurven für den Grundwerkstoff wurden Stauchversuche durchgeführt, jedoch ist dies für die Randschicht nur bedingt realisierbar, da die Herstellung der Stauchproben mit den Werkstoffeigenschaften der Randschicht nur bedingt möglich ist. Es ist erforderlich, dass der gesamte Durchmesser der Stauchproben entsprechend der Einsatzhärte der Zahnflankenanalogieproben gehärtet wird. Dabei ist zu beachten, dass eine Einsatzhärtetiefe der Stauchproben EHT = 3 mm erzeugt wird, welche nur schwer zu realisieren ist. Im Vergleich dazu ist die Einsatzhärtetiefe bei den Zahnflankenanalogieproben EHT = 1,2 +/- 0,2 mm inklusive eines Schleifaufmaßes von 0,2 mm.*

„Mit dem Eindruckverfahren wurde eine Alternative zum Stauchversuch ausgewählt. Bei diesem Verfahren werden die Fließkurven direkt an den Zahnflankenanalogieproben aufgezeichnet, sodass ein erschwerter Herstellungsprozess von Proben entfällt. Zudem ist es mit dem Verfahren möglich einen Tiefenverlauf der Fließkurven zu generieren und somit auch den Übergangsbereich zwischen einsatzgehärteter Randschicht und Grundwerkstoff abzubilden.“ (2020)

Prüfablauf und Ergebnisse

Messung und Ergebnis

Um eine möglichst genau Analyse der Randschicht zu erreichen, wurde das Bauteil schichtweise in 100 µm Abständen von Oberfläche bis hin zur Kernfestigkeit abgerastert. Pro Schicht wurde der Mittelwert aus fünf Messpunkten ausgewertet.

Mit Hilfe des Eindruckverfahrens nach DIN SPEC 4864 erhält man einen Festigkeitsverlauf von der Randschicht in den Kern des einsatzgehärteten Bauteils. Die Fließkurven wurden dem WZL der RWTH Aachen als wahre und technische Fließkurven zur Verfügung gestellt. Im nächsten Schritt werden die gemessenen Fließkurven in ein Materialmodell übertragen, dass in Abhängigkeit des Abstands zur Oberfläche das Fließverhalten beschreibt.

Die Abbildung zeigt die ermittelten Fließkurven in der einsatzgehärteten Randschicht bis in die Kernzone.

Weitere Informationen über das Projekt des WZL

Im Rahmen des DFG-geförderten Forschungsprojekts KL500/192‑1 – Optimierung des Einsatzverhaltens von Stirnrädern durch maschinell gehämmerte Zahnoberflächen (Optigear) wird der Einfluss von maschinell gehämmerten Zahnflanken aus einsatzgehärtetem 16MnCr5 (1.7131) auf die Grübchenbildung und Reibung untersucht. Auf Grundlage der Modifikation der Oberflächenintegrität in Form der Eigenspannungen, Härte und Topographie werden Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen der MOH-Bearbeitung und der Grübchentragfähigkeit sowie der Reibung von Zahnflanken im Wälzkontakt aufgestellt. Der Einfluss des MOH auf die Randzone der zylindrischen einsatzgehärteten Zahnflankenanalogieproben wird einerseits experimentell als auch simulativ analysiert. 

Der simulative Ansatz wird mit der Finiten-Elemente-Methode (FEM) umgesetzt. Ein entscheidender Faktor bei FE-Simulationen ist die Beschreibung des Werkstoffverhaltens. Das plastische Werkstoffverhalten wird anhand von aufgezeichneten Fließkurven im Materialmodell hinterlegt. Aufgrund des Einsatzhärtens unterscheidet sich das Fließverhalten der Randschicht von der des Grundwerkstoffs, der im Inneren weiterhin vorliegt. Daher wird in dem Modell unterschieden zwischen Randschicht und Grundwerkstoff. Folglich sind Materialmodelle hinterlegt. In vorherigen Arbeiten wurden zur Generierung von Fließkurven Stauchversuche durchgeführt.*

*Lars Uhlmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Umformende Fertigungsverfahren am WZL

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