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Rainer Hofmann

• Es wurde untersucht, ob mit der Methode laserinduzierter akustischer Oberflächen-wellen randschichtgehärtete Stähle hinsichtlich ihrer Härtetiefe und Oberflächen-härte charakterisiert werden können. Zur Randschichthärtung wurde das Laser-härten eingesetzt, mit dem Härtetiefen bis zu 2mm erzielt werden können. Für diesen Bereich gibt es noch kein zerstörungsfreies Verfahren zur Charakterisierung der Härtezone. Die Untersuchungen wurden an den Stahlmarken 42CrMo4, C45, X155CrMoV12.1, 90MnCrV8 und 17CrNiMo6 durchgeführt. Als Messgröße diente die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Ober-flächenwellen, die in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen wurde. Das Ergebnis nennt man Dispersionskurve. Wichtig ist dabei, dass die Eindringtiefe von der Frequenz abhängt, weshalb mit dieser Messung unterschiedliche Tiefen des Materials abgefragt werden können. Es wurde Frequenzen von 1 bis 10 MHz angewendet, für welche die Eindringtiefe in reziproker Abhängigkeit von 0,3 bis 3 mm variiert. Die metallphysikalische Grundlage für die Annahme der Möglichkeit, dieses akustische Verfahren anwenden zu können, besteht darin, dass die martensitische Härtung das Metallgitter aufweitet, wodurch sich Elastizitätsmodul und Dichte verringern. Beide Materialkennwerte bestimmen die Schallgeschwindigkeit. Es wurde an allen Stahlmarken nachgewiesen, dass die Schallgeschwindigkeit durch das martensitische Umwandlungshärten verringert wird. Durch Anlassen von drei Stählen wurde dieser Effekt rückgängig gemacht, da sich das Gitter entspannt. Der Messeffekt, der vom Laserhärten hervorgerufen wird, liegt im Bereich von 2-3 %. Dies erfordert eine ausreichend hohe Messgenauigkeit, um Unterschiede in Härte und Härtetiefe empfindlich genug nachweisen zu können. Dafür wurde eine Messanordnung entwickelt, die auf Laseranregung der Oberflächenwellen beruht. Im Gegensatz zu herkömmlichen ultraschallerzeugenden Wandlern lassen sich Schallimpulse ohne Koppelmedium reproduzierbar und in definiertem Abstand anregen. Durch eine Zeiterfassung der Signale mit 10 GSa/s Abtastrate wurde an ebenen Oberflächen eine Wiederholgenauigkeit von 0,05 % erreicht.  Die Oberflächenhärte wurde durch unterschiedliche Laserhärtung und durch Anlassen der lasergehärteten Stahlprobe bis in den Bereich von 650 oC variiert. Es wurde in der Dispersionskurve eine Schallgeschwindigkeit bei einer möglichst hohen Frequenz (8MHz) und damit geringer Eindringtiefe ausgewählt und mit der Oberflächenhärte nach Vickers (Laststufe 20kp) korreliert. Es ergab sich für alle Stahlmarken eine negative Korrelation. Mit steigender Härte nahm die Schall-geschwindigkeit ab. Allerdings wurde die Oberflächenhärte des Anlieferungs-zustandes der Stähle nicht wieder erreicht, so dass die Korrelation nur für den gehärteten und angelassenen Stahl gilt. Die aus den Untersuchungen gewonnen Korrelationen zwischen Schallgeschwindigkeit und Härte ermöglichen es, die Oberflächenhärte durch Messung der Oberflächenwellengeschwindigkeit zu messen. Die Wiederholgenauigkeit betrug über 90%. Die Korrelation ist allerdings von der Stahlmarke abhängig. Für die Härtetiefe wurden Phasengeschwindigkeitswerte aus den niedrigen Frequenzen des Dispersionsspektrums ausgewählt,von 1,25 bis 2,5 Mhz. Diese Frequenzen besitzen eine ausreichende Eindringtiefe, um über die Härtezone hinaus auch in das Grundmaterial zu reichen. Um die Härtetiefe bestimmen zu können, wurde eine Dispersionskurve als Funktion der Schichtdicke zur Wellen-länge theoretisch berechnet, die als Generalkurve bezeichnet wird. Mit der Frequenz und der zugehörigen Schallgeschwindigkeit kann aus der Generalkurve die Härtungstiefe bestimmt werden. Zum Vergleich wurde die Härtungstiefe an den Schliffbildern ermittelt. Bis zu einer Härtetiefe von 1 mm ergab sich in guter Näherungen eine lineare Korrelation zwischen den Härtetiefenwerten, welche zerstörungsfrei und am Schliffbild bestimmt wurden. Für einzelne Stahlmarken wurden auch in tieferen Bereichen noch gute lineare Ergebnisse erzielt. Die Abweichungen lagen im Bereich bei weniger als 15 %. Es ist darauf zu verweisen, dass auch die Härtungstiefe am Querschliff nur punktuell und mit einiger Unsicher-heit bestimmt werden kann. Die Laserakustik liefert einen Mittelwert über das Messvolumen, das aus Messlänge (Abstand der Laserbrennpunkte) multipliziert mit der Breite des akustischen Empfangssensors besteht. Unter diesem Gesichtspunkt ist die Übereinstimmung ein akzeptables Ergebnis.