Mechanismenbasierte Oberflächenkonditionierung zur funktionsorientierten Einstellung des Randzonenzustands hochbeanspruchter Bauteile durch kombinierte Festwalz- und Microfinishprozesse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549844716

In diesem Grundlagenprojekt ist es geplant, die Möglichkeiten zur gezielten Einstellung der Oberflächenintegrität von Vergütungsstählen hinsichtlich ihrer Funktionalität als Kontaktpartner in lastwechselbeanspruchten Systemen durch die mechanische Oberflächenkonditionierung durch das Festwalzen und das Microfinishen zu untersuchen. Im industriellen Anwendungsfall großer Lager für z. B. Windradgetriebe kommt überwiegend der Vergütungsstahl 42CrMo4 zum Einsatz, sodass die in diesem Projekt einzusetzenden Proben ebenfalls aus diesem Werkstoff bestehen. Zur weiteren Erhöhung der Bauteillebensdauer werden die Lager zudem üblicherweise zusätzlich randzonengehärtet. Diese thermische Randzonenmodifikation stellt einen zusätzlichen Prozessschritt in der konventionellen Fertigungskette dar. Vor diesem Hintergrund besteht das übergeordnete wissenschaftliche Ziel dieses Vorhabens darin, über eine Kombination der Verfahren Festwalzen und Microfinishen, den Randzonenzustand und die Topographie gezielt zu konditionieren und, verglichen zum randzonengehärteten Bauteil, verbesserte Funktionseigenschaften insbesondere für dynamisch und tribologisch hochbelastete Komponenten zu erzielen. Ergebnisse bereits durchgeführter, gemeinsamer Vorarbeiten lassen eine Verkettung der beiden Verfahren als prinzipiell geeignet zur reproduzierbaren und nachhaltigen Randzonenmodifikation erscheinen, sodass die Prozesse grundlegend erforscht und aufeinander entsprechend abgestimmt werden sollen. Um Prozess-Mikrostruktur-Eigenschafts-Beziehungen qualitativ und quantitativ zu erfassen, ist eine zerstörungsfreie Methode zur Sicherstellung der fertigungstechnischen Konditionierung mithilfe mikrostruktursensitiver mikromagnetischer Sensorik zu entwickeln. Dies bedeutet, dass neben grundlegenden Untersuchungen beider Bearbeitungsverfahren eine umfassende Betrachtung hinsichtlich der Bauteilbeeinflussung mit Bezug auf die Eigenschaften Eigenspannung, Mikro- und Makrohärte, Gefügestruktur sowie Oberflächentopographie notwendig ist. Daraus resultierend ergibt sich als ein elementares Teilziel, die Bauteileigenschaften quantifizieren und damit verbunden geeignete Zielkenngrößen zur Erreichung einer geeigneten Oberflächenintegrität definieren zu können. Zusätzlich sind Möglichkeiten zu erarbeiten, um potenzielle Fehlerquellen innerhalb der jeweiligen Teilschritte mithilfe der nachfolgenden Prozesse kompensieren zu können, was insbesondere für industrielle Anwendungsfälle von großer Relevanz ist. Die Gefahr von Nachbearbeitung oder gar Ausschuss ist somit zu reduzieren wodurch eine ressourceneffiziente Gestaltung der Prozesskette möglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Marina Macias Barrientos