Experimentelle und numerische Untersuchung des Carbonitrierens von pulvermetallurgisch hergestellten Bauteilen zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit und Festigkeitseigenschaften

Im Zuge der werkstofftechnischen Optimierung von Bauteileigenschaften werden hochbelastete Getriebebauteile einsatzgehärtet. Im Serienprozess bietet sich hierbei eine Wärmebehandlung aufgrund des potenziell hohen Materialdurchsatzes an, weshalb das Einsatzhärten vor allem in Getriebekomponenten der Automobilbranche von hoher Relevanz ist. Nach DIN 17022 lässt sich dabei das Carbonitrieren als Variante des Einsatzhärtens definieren, bei der zusätzlich zu Kohlenstoff, das Element Stickstoff in das Werkstück eingebracht wird. Das Carbonitrieren bietet das Potential, zu verbesserter Lebensdauer im Einsatz zyklischer Beanspruchung zu führen. Pulvermetallurgische Bauteile erfreuen sich im Serienprozess aufgrund ihrer endkonturnahen und vergleichsweise günstigen Herstellung großer Beliebtheit. Durch die Herstellungsroute Pressen und Sintern weisen PM-Bauteile allerdings einen gewissen Grad an Restporosität auf, die die Diffusion und die sich daraus einstellenden Randschichtzustände beeinflusst. Während der Prozess des Aufkohlens von schmelzmetallurgisch hergestellten Bauteilen weitestgehend erforscht ist, stellen pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile aufgrund ihrer Porosität erhöhte Anforderungen an die Prozesskontrolle im Hinblick auf die Einstellung und Vorhersage möglicher Randschichtzustände. Im Forschungsvorhaben wurde das Carbonitrieren auf PM-Materialien übertragen. Hierzu wurden für zwei Werkstoffe (Astaloy85Mo+0,3C sowie Distaloy DH-1) die Wärmebehandlungsparameter im üblichen Prozessfenster variiert. Eine zusätzliche Variable stellte die Porosität der Versuchswerkstoffe dar. Eine quantitative Vorhersage des Einflusses der Prozessgrößen beim Carbonitrieren in Wechselwirkung gängiger Dichten respektive Porosität auf den Randschichtzustand war bisher nicht bekannt. Die im Rahmen der Untersuchungen zur Wärmebehandlung erarbeiteten Erkenntnisse wurden im Anschluss für die Prozesssimulation herangezogen und auf Prüfkörpergeometrien angewendet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden mit den Erkenntnissen der versuchsbegleitenden Untersuchungen (z.B. metallographische und röntgenografische Untersuchungen) abgeglichen. Darüber hinaus erfolgte eine Überprüfung einer eventuellen Eigenschaftsverbesserung anhand von technologischen Untersuchungen (Verschleißbeständigkeit und Biegeschwellfestigkeit).