F. Frerichs

Ermittlung der Materialdaten zur Simulation des Durchhärtens von Komponenten aus 100Cr6

Kurzfassung Der Sonderforschungsbereich 570 „Distortion Engineering – Verzugsbeherrschung in der Fertigung“ an der Universität Bremen hat sich als ein Ziel die Bestimmung signifikanter Einflussgrößen und Wechselwirkungen auf den Verzug über die gesamte Fertigungskette von ausgewählten Bauteilen gesetzt, um die wesentlichen Mechanismen der Verzugsentstehung zu identifizieren. In diesem Zusammenhang kommt der Simulation eine große Bedeutung zu, da hiermit die zeitliche Entwicklung der Vorgänge auch lokal im Bauteil analysiert werden können. Hieraus können dann die signifikanten Vorgänge der Verzugsentstehung abgeleitet werden. Für die Simulation muss ein qualitativ hochwertiger Datensatz als Grundvoraussetzung angesehen werden. In der vorliegenden Arbeit wird daher über das Vorgehen sowie die Herausforderungen bei der Erstellung eines Datensatzes für den Wälzlagerstahl 100Cr6 berichtet. Als einschränkende Bedingung soll dieser Datensatz zunächst nur für die Berechnung einer durchgreifenden martensitischen Härtung bei einem definierten Austenitisierungszustand gelten. Neben den thermophysikalischen und -mechanischen Kenngrößen werden die Parameter zur Beschreibung einer martensitischen Umwandlung angegeben. Die Güte des erstellten Datensatzes wird aus dem Vergleich von berechneten und experimentell ermittelten Ergebnissen hinsichtlich Maß- und Formänderungen sowie der Eigenspannungen von Wälzlagerringen nach einer martensitischen Härtung diskutiert.

Ermittlung der Materialdaten zur Simulation des Durchhärtens von Komponenten aus 100Cr6 Teil 2: Parameter zum Umwandlungsverhalten - Beurteilung des Datensatzes anhand von Bauteil- versuchen - Diskussion - Zusammenfassung und Ausblick*

Kurzfassung Der Sonderforschungsbereich 570 „Distortion Engineering – Verzugsbeherrschung in der Fertigung“ an der Universität Bremen hat sich als ein Ziel die Bestimmung signifikanter Einflussgrößen und Wechselwirkungen auf den Verzug über die gesamte Fertigungskette von ausgewählten Bauteilen gesetzt, um die wesentlichen Mechanismen der Verzugsentstehung zu identifizieren. In diesem Zusammenhang kommt der Simulation eine große Bedeutung zu, da hiermit die zeitliche Entwicklung der Vorgänge auch lokal im Bauteil analysiert werden können. Hieraus können dann die signifikanten Vorgänge der Verzugsentstehung abgeleitet werden. Für die Simulation muss ein qualitativ hochwertiger Datensatz als Grundvoraussetzung angesehen werden. In der vorliegenden Arbeit wird daher über das Vorgehen sowie die Herausforderungen bei der Erstellung eines Datensatzes für den Wälzlagerstahl 100Cr6 berichtet. Als einschränkende Bedingung soll dieser Datensatz zunächst nur für die Berechnung einer durchgreifenden martensitischen Härtung bei einem definierten Austenitisierungszustand gelten. Neben den thermophysikalischen und -mechanischen Kenngrößen werden die Parameter zur Beschreibung einer martensitischen Umwandlung angegeben. Die Güte des erstellten Datensatzes wird aus dem Vergleich von berechneten und experimentell ermittelten Ergebnissen hinsichtlich Maß- und Formänderungen sowie der Eigenspannungen von Wälzlagerringen nach einer martensitischen Härtung diskutiert.

Rekonstruktion von Eigenspannungstiefenverläufen aus Messungen von Maß- und Formänderungen und oberflächennahen Eigenspannungen

Kurzfassung Eigenspannungen spielen bei der Bewertung der Güte von Bauteilen eine große Rolle. Der Aufwand für die Messungen der Eigenspannungen, insbesondere von Eigenspannungstiefenverläufen, ist aber oft sehr groß. So müssen z. B. bei röntgenografischen Methoden sukzessive oberflächennahe Schichten aufwendig abgetragen werden. Bei Tiefen größer als ca. 1 mm muss oftmals sogar mit thermischen Neutronen oder Synchrotronstrahlung gearbeitet werden. Aus diesem Grund sind einfachere Verfahren, mit denen man auf die Spannungstiefenverläufe schließen kann, von großem Nutzen. In diesem Zusammenhang können Dehnungsmessungen bzw. Messungen von Maß und Formänderungen eine Hilfe sein. Ursachen für Verzüge sind nicht elastische Dehnungen, die durch z. B. Drehen, Schleifen, Wärmebehandlungen etc. verursacht werden. Sind am Ende des Prozesses die nicht elastischen Dehnungen asymmetrisch im Werkstück verteilt, führen sie zu charakteristischen Eigenspannungsverteilungen und Maß- und Formänderungen. Dieser Beitrag betrachtet Eigenspannungstiefenverläufe, die beim Schleifen und induktivem Erwärmen generiert werden. Im Falle von rechteckig geformten Prismen mit geringer Dicke und im Vergleich großer Länge, die nur von einer Seite bearbeitet werden, sind die Hauptverzugseffekte Biegung und Längenänderung. Diese einfach zu messenden Werte können sehr hilfreich sein, um auf die nicht elastischen Dehnungen und damit auf die korrelierenden elastischen Dehnungen bzw. Eigenspannungen 1. Art innerhalb des Werkstücks zu schließen. Da die genannten Werte sich gegenseitig beeinflussen, stellt sich die Frage, inwieweit man den Aufwand bei der Messung von Eigenspannungen durch eine Kombination von Verzugs- und röntgenografischen Messungen optimieren kann. Welche und wie viele Eigenspannungsmessungen sind notwendig, um Eigenspannungstiefenverläufe in Bereichen tiefer als 1 mm unterhalb der Oberfläche des Werkstücks abschätzen zu können?

Schalenhärtung mittels Hochgeschwindigkeits-Abschreckung* Teil 1

Kurzfassung Ein zentrales Ziel dieser Arbeit war die Ermittlung von Prozessfenstern, innerhalb derer eine Schalenhärtung mit unlegierten Stählen möglich ist. Dabei mussten drei Kriterien erfüllt werden, damit eine Schalenhärtung als sinnvoll angesehen wird: Erstens muss eine ausreichende Härtung am Rand vorliegen und zweitens muss ein signifikanter Härteabfall zum Kern der Bauteile erfolgen. Das dritte und wichtigste Kriterium ist die Erzeugung von möglichst hohen Druckeigenspannungen am Rand durch sehr große Wärmeübergangskoeffizienten, die dazu beitragen sollen, die Lebensdauer der Bauteile zu erhöhen. In den Untersuchungen, die in einer speziellen Anlage für Hochgeschwindigkeits-Abschreckung durchgeführt wurden, ist es gelungen, mit Wasser hohe Wärmeübergangskoeffizienten zu erzeugen und zu messen. Aus den erzielten Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen und begleitenden Wärmebehandlungssimulationen konnten Prozessfenster für zylindrische Bauteile aus unlegierten Stählen ermittelt werden, bei denen alle drei oben genannten Bedingungen erfüllt werden. Im letzten Schritt wurden an Zahnrädern und zylindrischen Bauteilen in enger Kooperation mit der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) an der TU München bzw. der Fa. Hilti Lebensdaueruntersuchungen durchgeführt. Neben experimentellen Untersuchungen an Wellen werden in dieser Arbeit auch ausgewählte Ergebnisse aus den Bereichen Werkzeugauslegung mittels Strömungssimulation, Wärmeübergangsbestimmung, Wärmebehandlungssimulation und Lebensdaueruntersuchungen vorgestellt.

Schalenhärtung mittels Hochgeschwindigkeits-Abschreckung* Teil 2

Kurzfassung Ein zentrales Ziel dieser Arbeit war die Ermittlung von Prozessfenstern, innerhalb derer eine Schalenhärtung mit unlegierten Stählen möglich ist. Dabei mussten drei Kriterien erfüllt werden, damit eine Schalenhärtung als sinnvoll angesehen wird: Erstens muss eine ausreichende Härtung am Rand vorliegen und zweitens muss ein signifikanter Härteabfall zum Kern der Bauteile erfolgen. Das dritte und wichtigste Kriterium ist die Erzeugung von möglichst hohen Druckeigenspannungen am Rand durch sehr große Wärmeübergangskoeffizienten, die dazu beitragen sollen, die Lebensdauer der Bauteile zu erhöhen. In den Untersuchungen, die in einer speziellen Anlage für Hochgeschwindigkeits-Abschreckung durchgeführt wurden, ist es gelungen, mit Wasser hohe Wärmeübergangskoeffizienten zu erzeugen und zu messen. Aus den erzielten Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen und begleitenden Wärmebehandlungssimulationen konnten Prozessfenster für zylindrische Bauteile aus unlegierten Stählen ermittelt werden, bei denen alle drei oben genannten Bedingungen erfüllt sind. Im letzten Schritt wurden an Zahnrädern und zylindrischen Bauteilen in enger Kooperation mit der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) an der TU München bzw. der Fa. Hilti Lebensdaueruntersuchungen durchgeführt. Neben diesen experimentellen Untersuchungen an Wellen werden in dieser Arbeit auch ausgewählte Ergebnisse aus den Bereichen Werkzeugauslegung mittels Strömungssimulation, Wärmeübergangsbestimmung, Wärmebehandlungssimulation und Lebensdaueruntersuchungen vorgestellt.

Vergleichende Untersuchung von Öl- und Polymerabschreckung hinsichtlich des Verzugs von dünnwandigen Wälzlagerringen*

Kurzfassung In der Industrie werden für das Härten von metallischen Bauteilen häufig verdampfende Medien verwendet. Ein Hauptgrund sind die, im Vergleich zur Gas- und Salzbadabschreckung, deutlich höheren erzielbaren Abkühlraten. Als problematisch erweisen sich beim Einsatz verdampfender Medien aber oftmals die mit dem Leidenfrost-Phänomen verbundenen drei Abschreckphasen, die zu einem zeitlich wie örtlich stark variierenden Wärmeübergangskoeffizienten und daraus resultierend zu erhöhten Formabweichungen führen können. Hierbei ist insbesondere der Übergang von der Film- zur Kochphase, die sogenannte Wiederbenetzung, als kritisch anzusehen, da er nicht gleichzeitig auf der gesamten Bauteiloberfläche stattfindet. Durch den Einsatz von Hochleistungshärteölen, die eine verkürzte Filmphase aufweisen, kann das Auftreten von Formänderungen zwar reduziert, aber nicht ausgeschlossen werden. Eine Reduzierung der Formänderungen könnte auch dadurch erzielt werden, dass die Wiederbenetzung gleichzeitig auf der gesamten Bauteiloberfläche stattfindet. Wässrige Polymerlösungen könnten hier ein Schritt in die richtige Richtung sein, da die Wiederbenetzung im Vergleich zu reinem Wasser oder Abschreckölen sehr schnell, sozusagen explosionsartig, über die gesamte Bauteiloberfläche erfolgen kann. Zur Überprüfung dieser Ansätze wurden das Verzugsverhalten von dünnwandigen Wälzlagerringen aus 100Cr6 untersucht, die in Polyvinylpyrrolidon (PVP) basierten wässrigen Polymerlösungen, in einem Hochleistungshärteöl und in einem Gasdüsenfeld mit Stickstoff abgeschreckt wurden. Neben dieser Variation der Abschreckmedien wurden auch die Einflüsse durch die Chargierung der Bauteile und die Temperatur des Polymerabschreckmittels analysiert. Anhand der verzugsempfindlichen Wälzlageringe wird gezeigt, dass durch Verwendung bestimmter Parameter die Abschreckung im eingesetzten PVP basierten Polymerabschreckmittel zu vergleichbaren bis besseren Werten hinsichtlich der Formänderungen führen als bei Verwendung von Hochleistungsabschrecköl.