Werkstoffe veredeln 29.10.2015, 11:32 Uhr

Gehärteter Stahl für bessere Automotoren

Damit hochbelastete Bauteile die Strapazen des Betriebs jahrelang aushalten, werden die Oberflächen mit Kohlen- und Stickstoffatomen gehärtet. Mit einem neuen Verfahren geht das schneller und besser. Das erleichtert die Weiterentwicklung von Antrieben.

Am Anfang war das Feuer: Die Arbeit am Hochofen ist ein erster Schritt bei der Stahlproduktion. Am Material und seiner Verarbeitung wird immer weiter geforscht. Jetzt hat das Karlsruher Institut für Technologie ein neues Verfahren zum Härten von Stahl entwickelt. 

Am Anfang war das Feuer: Die Arbeit am Hochofen ist ein erster Schritt bei der Stahlproduktion. Am Material und seiner Verarbeitung wird immer weiter geforscht. Jetzt hat das Karlsruher Institut für Technologie ein neues Verfahren zum Härten von Stahl entwickelt. 

Foto: Holger Hollemann/dpa

Automotoren werden immer kleiner. Gleichzeitig steigt ihre Leistung und ihr Spritverbrauch sinkt. Und wenn nicht gerade übel getrickst wird reduziert sich auch der Schadstoffausstoß. All das bedeutet mehr Stress für die Bauteile des Motors. Sie werden heißer und mechanisch stärker beansprucht. Beispiel Dieselmotor: Einspritzsysteme müssen immer höhere Drücke verkraften. Das geht nur mit Bauteilen aus hochwertigem und damit teurem Stahl.

Es funktioniert allerdings auch mit Billigware, mit niedrig legiertem Stahl, der nur Spuren von teuren Fremdmetallen enthält. Weil das Material relativ weich ist, lässt es sich mühelos in Form bringen. Damit diese Bauteile dennoch die Strapazen im Betrieb überstehen, wird ihre Oberfläche gehärtet. Das ist bisher ein aufwändiger zweistufiger Prozess, der wiederum entsprechend teuer ist.

Aus zwei Prozessschritten wird einer

Forschern am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie, zu dem sich die Universität und das Forschungszentrum Karlsruhe zusammengeschlossen haben, ist es jetzt gelungen, den Härteprozess deutlich zu verkürzen. Bisher diffundieren die Stickstoff- und Kohlenstoffatome, die die Oberfläche von weichem Stahl härten, nacheinander in die Oberfläche der geformten Bauteile ein.

Jetzt klappt das mit dem Niederdruck-Carbonitrieren in einem einzigen Prozessschritt. Bei Temperaturen zwischen 800 und 1050 °C und einem Unterdruck von 50 Millibar wird die Randschicht der zu härtenden Bauteile gezielt mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und anschließend durch Abschrecken gehärtet, also durch abruptes Abkühlen, wie man es auch mit weich gekochten Eiern macht.

Die Spezialisten für chemische Verfahrenstechnik suchten gemeinsam mit Experten des Autozulieferers Bosch einen Ersatz für die Gase, die derzeit als Spender für Kohlenstoff- und Stickstoffatome genutzt werden, also für Ethin oder Propan beziehungsweise Ammoniak.

Einspritzpumpen und Injektoren wie das Bosch Common-Rail-System CRS3-25 erzeugen dank gehärtetem Stahl Drücke von 2500 Bar. 

Einspritzpumpen und Injektoren wie das Bosch Common-Rail-System CRS3-25 erzeugen dank gehärtetem Stahl Drücke von 2500 Bar. 

Foto: Bosch

Sie entschieden sich für Methylamin und die verwandte Verbindung Dimethylamin. Beide enthalten sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff, die sie beim Niederdruck-Carbonitrieren anstandslos abgeben. Ihre Untersuchungsergebnisse dazu  präsentieren die Forscher in der Fachzeitschrift „HTM – Journal of Heat Treatment and Materials“.

Höheres Tempo dank höherer Temperaturen

Der Einsatz der alternativen Gase bietet noch weitere Vorteile. Die Prozesstemperatur lässt sich deutlich erhöhen, was den Prozess beschleunigt. Außerdem werden geringere Mengen an Gasen benötigt, weil Methylamin und Dimethylamin die härtenden Atome schneller abgeben als die bisher genutzten Gase. Jetzt planen die Entwickler eine Pilotanlage, in der der Prozess in industrienahem Maßstab erprobt werden kann.

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