Analyse des Umwandlungsverhaltens bei ein- und mehrfacher Kurzzeithärtung bzw. Laserstrahlhärtung des Stahls 42CrMo4

Bei der Laserstrahlhärtung von Stählen lassen sich bei geeigneter Temperatur-Zeit-Führung durch Gefüge, Eigenspannungs- und Verfestigungszustand charakterisierte Randschichtzustände erzeugen, die sich positiv auf die Eigenschaften bei mechanischen und tribologischen Beanspruchungen auswirken. Trotz vielfältiger Einsatzmöglichkeiten hat das Laserstrahlhärten noch nicht die für eine breite industrielle Anwendung notwendige Akzeptanz gefunden. Ursache dafür sind mangelnde Kenntnisse über Möglichkeiten der werkstoffspezifischen Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses hinsichtlich der Prozessparameter. Für ein detailliertes Verständnis der bei Laserstrahlhärtungen ablaufenden mikrostrukturellen Prozesse und zur Abschätzung der sich einstellenden Randschichteigenschaften werden in dieser Arbeit in einem umfassenden Ansatz die Mechanismen der Kurzzeitaustenitisierung bei Erwärmungsgeschwindigkeiten von bis zu 10000 K/s sowie der daran anschließenden Kurzzeithärtung systematisch am Beispiel des Vergütungsstahls 42CrMo4 untersucht und analysiert. Dazu werden Versuche in einem neuentwickelten Versuchstand für Kurzzeitexperimente sowie Laserstrahlhärtungen mit einem Hochleistungsdiodenlaser durchgeführt. Die unter Variation von Erwärmungsgeschwindigkeit, Abkühlgeschwindigkeit und Zyklenzahl entstehenden Gefüge werden mikroskopisch charakterisiert und bezüglich ihrer Mikrohärte analysiert. Zusätzliche röntgenographische Messungen der sich einstellenden Restaustenitgehalte liefern Aussagen über das Ausmaß der Karbidauflösung und den Homogenitätsgrad. Die bei der Analyse des Kurzzeitumwandlungsverhaltens hergeleiteten Modelle zur Umwandlungskinetik werden in das Programmsystem ABAQUS implementiert und so begleitende Finite- Element-Rechnungen ermöglicht, in denen die zeitliche Entwicklung der Temperatur und der Gefügeanteile in laserbestrahlten Werkstücken abgeschätzt wird. Abschließend werden mit Hilfe der aus Kurzzeitexperimenten und der Modellierung gewonnenen Erkenntnisse die nach Laserstrahlhärtungen erzielten Randschichtzustände bezüglich der in der Randschicht wirksamen Verfestigungsmechanismen bewertet.