Oberflächentechnik

Andreas Mühlbauer,

Lösungen für das Randschichthärten

Viele industriell eingesetzte Bauteile benötigen eine Kombination aus zähem Kern und harter Randschicht, damit sie den Beanspruchungen im Einsatz besser standhalten. Das Härten erfolgt durch schnelles Aufheizen der Oberfläche mit anschließender schneller Abkühlung. Hierfür stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Je nach Bauteil und Aufgabenstellung weisen diese spezifische Vor- und Nachteile auf.

Bei Gerster selbst entwickelte und realisierte Anlage mit zahlreichen Brennern, Pyrometern und Regelzonen für das Flammhärten von runden Bauteilen mit Durchmessern bis 1,4 m und Höhen bis 650 mm. © Klaus Vollrath

Beat Reinhard, Leiter Verfahrenstechnik und Entwicklung der Härterei Gerster in Egerkingen (Schweiz), erläutert: „Beim Randschichthärten wird die oberflächennahe Randschicht von Bauteilen aus Stahl in einem definierten Bereich bis zu einer bestimmten Tiefe austenitisiert und anschließend schnell abgekühlt.“ Im Unterschied zu Ofenverfahren wie dem Einsatzhärten muss beim Randschichthärten nicht das gesamte Volumen aufgeheizt werden. Das spart in erheblichem Umfang Energie. Die Behandlung muss jedoch individuell auf die Gegebenheiten des Teils abgestimmt werden. Laut Reinhard ist dabei nicht nur der Härteprozess an sich, sondern auch die vor- und nachgeschaltete Wertschöpfungskette zu berücksichtigen. Der 1950 gegründete mittelständische Familienbetrieb Gerster mit rund 110 Mitarbeitern verfügt auf diesem Gebiet dank langjähriger Erfahrung über umfassendes Know-how und kann seinen Kunden deshalb kostensparende Lösungen anbieten. Zudem hat das Unternehmen kontinuierlich in diese Technologien investiert.

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Beispiel: Kurvenscheibe für den Maschinenbau

„Welche Vorteile sich durch eine Optimierung des Härteverfahrens ergeben können, zeigt das Beispiel einer Doppelkurvenscheibe für einen Maschinenhersteller“, ergänzt Micha von Felten, Projektingenieur bei Gerster. Hierbei handelt es sich um ein Verschleißteil für Textilmaschinen, das ständig am Lager gehalten werden muss. Früher wurde es in einem aufwendigen Verfahren zunächst geschmiedet und mechanisch vorbearbeitet. Anschließend wurde die Scheibe komplett gehärtet und geschliffen. Die Vorratshaltung dieser teuren Teile band viel Kapital im Lager.

In Zusammenarbeit mit dem Kunden wurde ein alternativer Prozesspfad entwickelt. Zum Aufgabenbereich der Härterei Gerster gehörte dabei die Unterstützung bei der Überprüfung und anschließenden Optimierung des gesamten Herstellprozesses sowie die Auswahl des optimalen Härteverfahrens. Anschließend wurde der Härteprozess gewählt und auf die Anwendung – beispielsweise die Lage der Härte- und Schlupfzonen – abgestimmt. Im Ergebnis verringerte sich der Kostenaufwand für die Herstellung mit dem neuen Prozess um rund 50 %. Nach dem Schmieden und der Bearbeitung auf Fertigmaß wird die Kurvenscheibe jetzt nur noch im Bereich der Laufflächen mit dem Laserverfahren gehärtet und anschließend mittels Gleitschleifen gefinisht. Den entscheidenden Anteil an der Kostenminderung hatte das Weglassen des teuren CNC-Schleifens. Hinzu kamen noch weitere Vorteile: Die Wiederbeschaffungszeit verringerte sich von 80 auf 20 Tage, die Losgröße konnte von 100 auf 50 Stück gesenkt werden, und die Kapitalbindung im Lager ging um 75 % zurück.

Die drei wichtigsten Härtungsverfahren

Die gesamte Prozesskette zur Herstellung dieser Doppel-Kurvenscheibe für eine Textilmaschine wurde auf Laserhärtung umgestellt. © Klaus Vollrath

„Die drei bei uns hauptsächlich eingesetzten Verfahren zur Randschichthärtung sind das Flammhärten, das Induktionshärten sowie das Härten mithilfe des Lasers“, sagt Reinhard. Das Flammhärten mit Gasbrennern ist das älteste Verfahren und hat immer noch rund 10 % Anteil an den bei Gerster durchgeführten Randschichthärte-Behandlungen. Da die Wärme der Gasbrenner von der Oberfläche her ins Innere der Bauteile eindringen muss, sind die Prozesszeiten bei größeren Einhärtungstiefen entsprechend lang. Die Leistung ist jedoch durch Einsatz von mehr Brennern gut skalierbar. Das Verfahren eignet sich besonders gut für Bauteile mit größeren Abmessungen und bei größeren Einhärtungstiefen bis zu 40 mm. Zur Abschreckung kommen je nach Einsatzfall Wasser, Polymergemische, Öl, Schutzgas oder Druckluft zum Einsatz.

Das Induktionshärten erfolgt mit Induktoren zur Übertragung von Energie mit Frequenzen zwischen 10 und 1.200 kHz. Die Wechselfelder bringen mithilfe der formangepassten Induktoren Energie direkt ins Innere des Werkstoffs ein. Dadurch erfolgt das Aufheizen schneller als beim Flammhärten. Die Einhärtungstiefe kann bis zu 5 mm betragen. Der Prozess lässt sich elektronisch äußerst präzise und wiederholgenau steuern und ist dadurch sehr gut beherrschbar. Abgeschreckt wird mit den gleichen Medien wie beim Flammhärten.

Domäne des Laserhärtens ist das Erzeugen von örtlich sehr genau definierten, vergleichsweise dünnen gehärteten Oberflächen einer Tiefe von typischerweise 1 mm. Der energiereiche Laserstrahl bewirkt eine extrem schnelle Erwärmung der Oberflächenschicht, die vom kalten Materialinneren dann äußerst rasch wieder abgekühlt wird. So entsteht eine Härteschicht mit sehr feinkörnigem Martensit. Eine Anlassbehandlung ist üblicherweise nicht erforderlich und die Teile erleiden nur minimalen Verzug. Das Verfahren ist hoch produktiv und damit kostengünstig. Der Laserstrahl wird durch einen Roboter hochpräzise geführt, sodass die Härtung nur in genau definierten Bereichen erfolgt. Bei Einsatz von Schutzgas bleiben die Oberflächen zudem blank.

„Das Randschichthärten erfordert stets eine teilespezifische Anpassung des Prozesses“, sagt von Felten. Deshalb gebe es so gut wie nie „Patentlösungen von der Stange“. Dazu sei die Bandbreite der Geometrien, der Werkstoffe und der geforderten Eigenschaften einfach zu groß. Hinzu kommen kaufmännische Gesichtspunkte wie Stückzahlen, Logistikanforderungen sowie die Herstellung teilespezifischer Vorrichtungen oder sogar kompletter Anlagen.

Erfolgsfaktor Erfahrung

Das automatische induktive Randschichthärten des Bundes einer Welle im Durchlauf. Oben erzeugt der Induktor Rotglut, die rasche Abkühlung durch die nachfolgende Brause sorgt für die harte Oberflächenschicht. © Klaus Vollrath

Voraussetzung für die Findung einer technisch wie kostenmäßig optimalen Lösung ist laut von Felten daher vor allem viel Erfahrung. Bei größeren Auftragsvolumina oder auch aufgrund von speziellen Anforderungen ist es manchmal sinnvoll, den Härteprozess direkt in die Produktionslinie eines Kunden zu integrieren. Gerster steht diesen Anliegen offen gegenüber und unterstützt solche Verlagerungen im Rahmen der „Gerster Support Services“. Ergänzend zu seinen flexiblen und leistungsfähigen internen Abteilungen für Konstruktion, Beratung, Prozessentwicklung und Fertigung kann sich Gerster bei solchen Dienstleistungen auch auf ein breites Netzwerk von Zulieferern und Engineering-Dienstleistern stützen.

„Unsere Kunden stehen in der Regel unter starkem Zeitdruck. Deshalb legen wir Wert darauf, auf Anfragen oder Aufträge möglichst schnell zu reagieren“, sagt Reinhard. Der Service umfasst auch eine Konstruktionsberatung, beispielsweise wenn es um die Beurteilung von Risiken bezüglich Spannungen, Verzug oder Rissbildung geht. Flexibel reagiert man bei Gerster auch auf Anfragen, bei denen die Dimensionen oder das Gewicht der zu behandelnden Werkstücke die Möglichkeiten der eigenen betrieblichen Infrastruktur übersteigen. Dann werden auch mobile Behandlungen vor Ort oder Möglichkeiten innerhalb des Zulieferer-Netzwerks geprüft.

Qualitätssicherung auf hohem Niveau

„Zu unseren Leistungen gehört selbstverständlich auch eine leistungsfähige Qualitätssicherung“, sagt von Felten. Den Mitarbeitern steht eine große Bandbreite an modernen Verfahren vom Lichtmikroskop über die verschiedensten Härteprüfverfahren bis zur Spektralanalyse zur Verfügung. Zudem verfügt das Unternehmen auch über Zertifizierungen für wichtige allgemeine Qualitätsmanagementsysteme wie ISO 9001 und ISO 14001 sowie über branchenspezifische QS-Systeme für die Automobilindustrie, die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrt.

Für das Randschichthärten sind am Standort Egerkingen in der Schweiz rund 50 verschiedene Anlagen im Einsatz. Das insgesamt angebotene Portfolio an Wärmebehandlungsdienstleistungen ist jedoch erheblich breiter und umfasst die gesamte Bandbreite der klassischen Härtereidienstleistungen. Um die immer zahlreicheren deutschen Kunden besser betreuen zu können, wurde 2022 in Sprockhövel Gerster Deutschland gegründet.

Klaus Vollrath

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