Eigenschaftsänderung durch induktive Wärmebehandlung 

......am Beispiel von Kurbelwellenhärteprozessen

Von Frank Andrä und Valery Rudnev

Die Lagerstellen von Kurbelwellen werden in der Regel zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit gehärtet. Dies kann effektiv und lokal mittels induktivem Härten speziell durch die SHarP-C-Technik durchgeführt werden. Ihr Vorteil besteht darin, dass die Induktionsspule die statische Kurbelwelle an der nicht rotierenden Lagerstelle umschließt. Dieses Verfahren ermöglicht dem Anwender, die Qualität der induktiv wärmebehandelten Kurbelwellen zu verbessern und die Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit und Wartungsfreundlichkeit des Verfahrens deutlich zu erhöhen.

Changes in Properties through induction heat treating on the example of Proven crankshaft hardening technology

The bearing seat at crankshaft are hardened to increase durability. This can be done in an effective manner with induction hardening especially SharP-C technology. Their advantage is a complete enclosing of the non-rotating bearing seat on the static crankshaft. It allows the users to improve a quality of induction heat treated crankshafts and significantly increase reliability, repeatability and maintainability of the process.

1 Einführung

Die induktive Wärmebehandlung ist tradi­tionell eine weit verbreitete Option für das Härten und Anlassen von Qualitätskurbelwellen. Kurbelwellen finden breite Anwendung, beispielsweise in Verbrennungsmoto­ren, Pumpen oder Verdichtern und gehören zur Gruppe der kritischsten Kfz-Komponen­ten. Sie weisen normalerweise ein Gewicht zwischen 14 Kilogramm und 38 Kilogramm auf, in Abhängigkeit vom Motor. Das Gewicht einiger Kurbelwellen liegt jedoch über 900 Kilogramm, zum Beispiel bei Kurbelwellen in der Schifffahrt oder stationären Motoren von Stromgeneratoren.

Eine Kurbelwelle ist normalerweise gegossen oder geschmiedet und umfasst eine Reihe von Wellenzapfen (Zapfen) und Hauptlagerzapfen (Hauptlager), die durch Stege beziehungsweise Gegengewichte miteinander verbunden sind (Abb. 1). Schmiedeteile aus Stahl, Gusseisenteile mit Kugelgraphit, Schmiedeteile aus Mikrolegierung und zwischenstufenvergütete Gusseisenteile mit Kugelgraphit sind einige der Werkstoffe, die am häufigsten für Kurbelwellen verwendet werden [1]. Hohe Festigkeit und Elastizität, gute Verschleißbeständigkeit, geringes Gewicht und geringe Vibrationen, geometrische Genauigkeit, geringe Länge und niedrige Kosten gehören zu den wichtigsten Anforderungen einer Kurbelwelle, und viele­ dieser Eigenschaften werden durch das induktive Härtungsverfahren verbessert.

2 Die bessere Technik – der SHarP-C-Prozess

Um präzise Härtung zu ermöglichen, ohne die Kurbelwelle drehen zu müssen, wurde Anfang 2000 eine patentierte drehungsfreie­ Technik, SHarP-C, eingeführt. Seit ihrer ­ursprünglichen Entwicklung wurde diese­ Technik feinabgestimmt und so zu einem bewährten, fortschrittlichen Verfahren. Die Kurbelwelle muss bei dieser neuen Technologie nicht mehr gedreht werden, wie dies bei alternativen Verfahren der Fall war. Abbildung 2 zeigt eine drehungsfreie CrankPro®-Maschine, die die SHarP-C-Technik (Stationary Hardening Process for Crankshafts) einsetzt und das Härten und Anlassen von Kurbelwellen mit hohen Produktionsraten ermöglicht.

Gemäß einem patentierten drehungsfreien­ Härtungsverfahren besteht eine Induktionsspule aus zwei Abschnitten (Abb. 3): ­einer oberen (passiven) Induktionsspule und einer unteren (aktiven) Induktionsspule. Die untere Induktionsspule, die aktiv ist, wird mit einer Mittelfrequenz- oder Hochfrequenz-Spannungsversorgung verbunden (in Abhängigkeit von der Anwendung). Die untere Spule ist eine stationäre Spule, während sich die obere Spule öffnen und schließen lässt. Jeder Abschnitt weist zwei halbkreisförmige Bereiche auf, in die die Elemente der Kurbelwelle geführt werden.

Ein Roboter lädt eine Kurbelwelle in die ­Erwärmungsposition. Der obere Abschnitt schwenkt in eine geschlossene Position, und Spannung wird von der Spannungsversorgung an die untere (aktive) Induktionsspule gelegt. Ein Strom, der elektromagnetisch an eine obere Induktionsspule gekoppelt ist und in die untere Induktionsspule fließt, induziert die Wirbelströme in der obere Induktionsspule. Diese induzierten Ströme werden entgegengesetzt zu einem Source-Strom gerichtet, vergleichbar mit einem Transformatoreffekt. Für jedes erwärmte Element der Kurbelwelle wirkt die SHarP-C-Induktionsspule als klassische komplette Durchlaufspule und somit als hoch effiziente Spule [1–5].

Diese drehungsfreie Technik für induktives Erwärmen und Anlassen bietet verschie­dene grundsätzliche Vorteile, wie etwa einfacher Betrieb, hervorragende Zuverlässigkeit, Qualität, Wartungsfreundlichkeit und Kostensenkung. Weitere Vorteile der Technologie sind:

Wärmemuster werden in ihrer Position gesperrt und sind mit außerordentlich hoher­ Präzision wiederholbar, da sich weder die Kurbelwelle noch die Spulen bewegen. Über zahlreiche Zyklen wird das selbe Muster erreicht.

Die Induktionsspulen sind robust und steif und bieten eine extrem hohe Wiederholgenauigkeit. Das Design der SHarP-C-Induktionsspule weist nur wenige Komponenten auf und bietet damit eine höhere Zuverlässigkeit, da weniger Teile Funktionsstörungen bewirken können.

Die Positionierungsvorrichtungen beziehungsweise Führungen sind keinem Verschleiß unterworfen. Der SHarP-C-Prozess verwendet Induktionsspulen, die keine Kontaktführungen oder kostspielige kontaktlose Spursysteme für die Spulenpositionierung erfordern.

Die für die Härtung benötigte Erwärmungszeit wurde gegenüber der bisher gebräuchlichen Technologie um das Vierfache reduziert und liegt durchschnittlich bei zwei bis vier Sekunden, was mehrere grundsätzliche Vorteile bietet, einschließlich der Senkung des Energieverbrauchs und Verbesserungen bei Form-/Größenabweichungen.

Die Lagerzapfen der Kurbelwelle werden nacheinander wärmebehandelt. Abbildung 4 zeigt beispielsweise eine Härtungssequenz für eine V6-Kurbelwelle. Die Reduzierung der maximalen Rundlauf­abweichung (Total Indicated Runout, TIR) ist üblicherweise einer der wichtigsten Faktoren bei der Wärmebehandlung von Kurbelwellen. Aufgrund der kurzen Erwärmungszeit bleibt der Kern des Lagerzapfens während des gesamten Wärmebehandlungszyklus relativ kalt und trägt als Formstabilisator zur Reduzierung der Verformung bei. Die Rundlaufabweichung hat unmittelbaren Einfluss auf die Menge des Metalls, das geschliffen werden muss.

Einer der wichtigsten Faktoren, die einen deutlichen Einfluss auf die Verformung haben, ist die Menge der Wärme, die innerhalb des Kurbelwellenkörpers erzeugt wird. Je größer die Menge an erwärmtem Metall, desto größer ist die Dehnung des Metalls, die wiederum eine größere Verformung bewirkt. Eine nennenswerte Reduzierung der Erwärmungszeit in Verbindung mit diesem patentierten Verfahren führt dazu, dass nur eine geringe Metallmasse erwärmt wird. Die Wärmeeinflusszone wird minimiert, was zu einer entsprechenden Reduzierung der Metalldehnung und, offensichtlich, zur Minimierung der Größen- und Formabweichung führt (die Verformung beträgt normalerweise weniger als 25 µm).

Die Zapfen und Hauptlager der Kurbelwelle weisen hervorragende Mikrostruktureigenschaften auf. Dazu gehören die deutliche Reduzierung von Kornwachstum, Entkohlung und Oxidation der Zapfen-/Hauptlageroberfläche. Die gehärtete Zone ist klar definiert und außerordentlich scharf begrenzt (Abb. 5), ohne die allgemein übliche unscharfe Übergangszone, die bei längeren Erwärmungszeiten anzutreffen ist. Die Härtetiefe besteht aus einer feinkörnigen martensitischen Mikrostruktur mit einer zu vernachlässigenden Menge an eingeschlossenem Austenit und ohne Spuren von freien Ferriten. Die wesentlichen Oberflächendruckspannungen, die bei Anwendung der SHarP-C-Technik entstehen, sind für die Verhinderung der Entwicklung von Oberflächenrissen und Kerbempfindlichkeit erforderlich.

Die Notwendigkeit, die Oberfläche der Lagerzapfen der Kurbelwelle über längere Zeiten bei hoher Temperatur zu halten, die bei der Technik mit Drehung besteht, ist häufig mit dem unerwünschten metallurgischen Phänomenen der Korngrenzenseigerung verbunden. Dieses Phänomen erhöht im Wesentlichen die Sprödigkeit und Anfälligkeit für Korngrenzenbruch, insbesondere im Ölkanalbereich. Dank der Prozesseigenschaften der drehungsfreien Technik einschließlich der Verfahrensfeinheiten wurde dieses unerwünschte Phänomen eliminiert. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse der REM-Analyse vergleichbarer Regionen in unmittelbarer Nähe zum Ölkanal.

Exakte CNC-Spulenformung und der Einsatz einer Schnellwechsel-Palette gewährleisten, dass Spulen nach einem Spulenwechsel automatisch auf die Kurbelwelle ausgerichtet werden (Abb. 7). Es sind keine zeitaufwendigen Prozesseinstellungen erforderlich, um jede Spule nach dem Austauschen zu ziehen. Eine einheitliche Bauweise ermöglicht eine schnelle, fehlerfreie, produktionsbereite Werksinstallation und Inbetriebnahme, wodurch Abschaltzeiten deutlich reduziert werden.

Da keine Drehung der Kurbelwelle erforderlich ist, müssen keine schweren Strukturen, deren Gewicht auch 900 Kilogramm übersteigen kann, während der Erwärmung durch die Umlaufbahn bewegt werden. Es sind keine elektrischen Hochstromkontakte­ oder flexiblen Kabel erforderlich, die Verschleiß unterworfen sind. Es gibt nur die Vorgänge Öffnen-Schließen. All diese Faktoren tragen zur Sicherheit in der Betriebs­umgebung bei.

3 Anlassstufe

Das Anlassen erfolgt nach dem Härten, stellt aber ein ebenso wichtiges Verfahren dar. Der Hauptzweck des Anlassens liegt darin, die Widerstandsfähigkeit und Duktilität des Stahls zu verbessern, gewisse innere­ Spannungen abzubauen, die Sprödigkeit zu verringern und, in bestimmten Fällen, die Formstabilität zu verbessern. Der Übergang zur martensitischen Struktur durch Abschrecken erzeugt eine harte Struktur, die mit geringer Widerstandsfähigkeit in Verbindung gebracht wird.

Auf der Grundlage einer konventionellen Theorie des Anlassens kann davon ausgegangen werden, dass während des induktiven Anlassens ein spannungsentlastender Prozess stattfindet. Dies wiederum ist die Folge des Abbaus des frischen Martensits durch einen teilweisen Verlust der Tetragonalität im Martensit, der Abscheidung von Übergangskarbiden (das heißt ε-Eisen-(Epsilon)-Karbide Fe2,4C und η-Eisen-(Eta)-Karbide Fe2C), des Ersatzes der Übergangskarbide durch Zementit (Fe3C) sowie der Bildung einer angelassenen martensitischen Struktur. Daraus ergibt sich eine Reduzierung der Größenordnung von Druck- und Zugspannungen sowie eine duktilere Struktur, die geringere Spannung aufweist. Genau dies passiert beim konventionellen Anlassen von halbweichen Stählen in Öfen.

Ausreichend leichtes induktives Anlassen mit geringen Stromdichten und angemessen langen Zykluszeiten führt zu Ergebnissen, die dem herkömmlichen Anlassen im Ofen sehr ähnlich sind. Aus diesem Grund wurde ein mehrstufiger Anlasszyklus entwickelt. Dieser repräsentiert einen sanften induktiven Anlasszyklus, der Anlassbedingungen erzeugt, die dem Anlassen im Ofen näherkommen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Anlassen beim SHarP-C-Prozess eine Kombination aus energieinduziertem Anlassen, mit einer Anlasswärme mit geringer Energiedichte, und automatischem Anlassen (Eigenanlassen), mit der Restwärme, die sich während des Erwärmungszyklus für das Austenitisieren angesammelt hat, ist. Beide Prozesse finden gleichzeitig statt.

Einer der signifikanten Vorteile der neuen Technologie hängt mit den deutlich gleichmäßigeren Wärmebedingungen und der besseren Steuerbarkeit der Muster zusammen. Wenn das automatische Anlassen ­(Eigenanlassen) für sich angewendet wird, greift der Prozess lediglich auf die Wärme zurück, die sich während des Härtungs­zyklus in den oberflächennahen Regionen der Lagerzapfen der Kurbelwelle angesammelt hat. Daher ist die Wärmeverteilung bei ausschließlicher Anwendung des automatischen Anlassens naturgemäß ungleichmäßig, weil verschiedene Metallmassen in der Nähe der gehärteten Lagerzapfen aufgrund der Wärmeleitfähigkeit unterschiedliche Wärmeeinflüsse hervorbringen (einschließlich Wärmesenken). Der SHarP-C-Prozess verwendet dagegen beide Verfahren gleichzeitig – automatisches Anlassen und energieinduziertes Anlassen mit niedrigen Energiedichten –, um eine gleichmäßigere Wärmeverteilung beim Anlassen und einen sanften Gesamtprozess hervorzubringen. Reduzierte Wärmegefälle und günstige Restspannungsprofile werden als Folge eines mehrstufigen SHarP-C-Anlasszyklus erzeugt, während die Prozesszykluszeiten minimiert werden.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Temperatur bei der Härtung von halbweichem Stahl über 280 °C liegt, wenn das Martensit sich zu bilden beginnt (die so genannte Ms-Temperatur). Das bedeutet, dass der Temperaturbereich der Martensitbildung mit dem Anlassbereich zusammenfällt. Bei frisch gebildeten martensitischen Körnern/Leisten würde das Anlassen sofort rückgängig gemacht werden, wenn sie Temperaturen im Anlassbereich ausgesetzt werden. Daher erfolgt das Anlassen in einem gewissen Umfang nach der Bildung frischen Martensits. Dies trifft insbesondere zu, wenn das Abschreckmittel eine hohe Polymerkonzentration aufweist und hohe Temperaturen des Abschreckmittels vorliegen.

Die verbleibenden Druckspannungen an der Oberfläche werden normalerweise als vorteilhaft betrachtet. Sie bieten Schutz gegen die Ausbreitung von Rissen, die durch mikroskopische Kratzer verursacht werden, und verzögern die Bildung von Ermüdungsrissen. Außerdem verbessern sie die Leistung der Teile, die Biege- und Torsionsspannungen während des Betriebs ausgesetzt sind.

Die Zone der maximalen Restzugspannung ist andererseits eine potenzielle Gefahrenzone, und dort treten vermehrt Risse auf (Oberfläche und oberflächennaher Bereich), weil die angewendeten Spannungen (normalerweise Zugspannungen) an der Oberfläche des Teils maximal sind und sich dann abschwächen. Daher besteht eine der wichtigen Herausforderungen des Anlassens nicht nur in der Reduzierung der oberflächennahen Zugspannungen, sondern auch in der Verlagerung des Maximums dieser Spannungen und der angewendeten Spannungen zum Kern hin, ohne oberflächliche Druckspannungen innerhalb der Härte­tiefe umzukehren.

In einigen Anwendungen kann ein intensives induktives Anlassen zu einer unerwün­schten Verteilung von Restspannungen führen. In solchen Fällen können nennenswerte­ Zugspannungen innerhalb einer oberfläch­lichen Härteschicht auftreten. In anderen­ Fällen wird dieses Phänomen der Umkehrspannungsverteilung von einer lokalisierten Verringerung der Härtewerte begleitet und in der Theorie der Wärmebehandlung als Phänomen der Umkehrhärte bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die Umkehrspannungsverteilung eventuell nicht mit einer Umkehrhärteverteilung einhergeht und eine lokalisierte Härtereduzierung an der Oberfläche eventuell nicht zu beobachten ist.

Unerwünschte Oberflächenzugspannungen­ innerhalb der Härtetiefe, und insbesondere an der Oberfläche der Lagerzapfen, können zur Rissbildung durch potenziell stets vorhandene makroskopische und mikroskopische Heterogenitäten, strukturelle Unregelmäßigkeiten und verschiedenartige spannungserhöhende Faktoren (einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Einschlüsse, Dehnungen, chemische und mikrostrukturelle Abscheidungen, Kerben, Grate, Kratzer, Vibrationen usw.) beitragen.

Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Messung von Restspannungen häufig nicht einfach ist, und eine Spezialausrüstung ­sowie ein hoher Zeitaufwand erforderlich sein können. Techniken zur Quantifizierung von Restspannungen sind unter anderem Schnittanfertigungen, das Bohren von Löchern, die Entfernung von Schichten, Röntgenbeugung sowie magnetische Verfahren und Ultraschallmethoden.

Intensive theoretische und rechnergestützte Modellstudien wurden in Zusammenarbeit mit führenden Experten, wie etwa Dr. Lynn Ferguson, Deformation Control Technology Inc., durchgeführt, um eine optimale Verteilung für Übergangs- und Restspannungen in wärmebehandelten Kurbelwellen zu entwickeln. Als Beispiel zeigt Abbildung 8 die Ergebnisse der Computer-Modelldarstellung von Temperaturprofilen während des Sprühabschreckens der Lagerzapfen von Kurbelwellen (A) und die Vorhersage der Austenitumwandlung (B).

Abb. 8: Simulation Temperaturprofil der Lagerstelle beim Abschrecken (A) und Vorhersage der Austenitumwandlung (B)

4 Schlussfolgerung

Die drehungsfreie SHarP-C-Technik stellt einen zunehmend populären Prozess dar, der bei der Bandhärtung der Oberflächen von Lagerzapfen der Kurbelwelle zum Einsatz kommt, wenn mittlere und hohe Produktionsraten erforderlich sind. Dieses Verfahren ermöglicht dem Anwender, die Qualität der induktiv wärmebehandelten Kurbelwellen zu verbessern und die Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit und Wartungsfreundlichkeit des Verfahrens deutlich zu erhöhen.

Literatur

[1] V. Rudnev, D. Loveless, et al.: Induction Heating Handbook; Marcel Dekker, NY, 2003

[2] G. Doyon, D. Brown, V. Rudnev, G. Desmier, J. Elinski: Taking the crankshaft out of crankshaft hardening; Industrial Heating, Dezember, 2008, S. 41–44

[3] V. Rudnev: Systematic analysis of induction coil failures; Part 9: Umgreifend inductors; Heat Treating Progress, Jan./Febr., 2007, S. 17–18

[4] US-Patent Nr. 6,274,857, 2001

[5] US-Patent Nr. 6,859,125, 2005

DOI: 10.7395/2014/Andrae1