Th. Lübben

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.

Grundlegende Untersuchungen zur Erzeugung von Druckeigenspannungen durch Hochgeschwindigkeits-Abschrecken

Kurzfassung Laut Schrifttum können durch den Einsatz sehr hoher Abschreckgeschwindigkeiten Druckeigenspannungen in Oberflächennähe und daraus resultierend signifikante Steigerungen der Lebensdauer erzielt werden. Diese Verfahren werden unter dem Begriff „Intensive Quenching“ geführt. In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse eines Forschungsprojektes vorgestellt, das vom Fachausschuss „Abschrecken“ der AWT initiiert wurde und das sich kritisch mit dieser Thematik auseinandergesetzt hat. Als ein wesentliches Ergebnis konnte eine Kenngröße abgeleitet werden, die Geometrie, Werkstoff und Prozess bewertet. Druckeigenspannungen in durchhärtenden Teilen können erreicht werden, wenn ein kritischer Wert dieser Größe überschritten wird. Auch lassen sich Lebensdauersteigerungen erzielen, die beim eingesetzten Prüfverfahren aber relativ gering ausfielen.

Einführung in die Grundlagen des Distortion Engineering

Kurzfassung Auf dem HärtereiKongress 2012 wurde im Rahmen einer vollständigen Session ein Überblick über wesentliche Erkenntnisse des Sonderforschungsbereichs „Distortion Engineering“ präsentiert. Im vorliegenden Beitrag werden zunächst die Grundlagen der Verzugsentstehung vermittelt. Dabei werden die grundlegenden Mechanismen vorgestellt, die Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen besprochen und für die vermeidbaren Verzäge das Konzept des Verzugspotenzials und der zugehörigen Träger erläutert. Darauf aubauend werden die Methode „Distortion Engineering“ und die Ansätze der erweiterten Verzugsbeschreibung für Welle, Scheibe und Ring besprochen. Auf dieser Basis werden in den folgenden vier Beiträgen dieses Hets diese hemen präsentiert: Mechanismen der Verzugsentstehung bei Wälzlagerringen aus 100Cr6 [1] Verzugskompensation an Wälzlagerringen aus 100Cr6 [2] Analyse von Seigerungen und seigerungsbedingtem Verzug am Beispiel des Einsatzstahls 20MnCr5 [3] Verzugsentstehung bei geschmiedeten Scheiben aus 20MnCr5 – Einluss von Umformung und Gefügestruktur [4]

Verzugsarme Wärmebehandlung niedriglegierter Werkzeugstähle

Kurzfassung Die Beherrschung des Verzugsverhaltens bei der Fertigung metallischer Bauteile stellt eine lang währende Herausforderung dar, der sich zahlreiche Forscher gestellt haben. Erzielte Erfolge beschränkten sich jedoch stets auf Teilbereiche des Problems, eine geschlossene Lösung war aufgrund der Komplexität bisher verwehrt. Der im Jahr 2001 begonnene DFG-Sonderforschungsbereich „Distortion Engineering“ widmet sich in einem neuen, ganzheitlichen Ansatz dieser Aufgabenstellung am Beispiel weniger Modellbauteile, die eingehend und mechanismenorientiert über die gesamte Fertigungskette untersucht werden. Für das Modellbauteil “Ring” aus 100Cr6 werden Teilaspekte der Verzugsbetrachtung, hier für die Einflussgrößen Geometrie, e Erwärmen zum Austenitisieren und Abschrecken, näher beleuchtet.

Prozessmöglichkeiten zur gezielten Einstellung des Gasabschreckens

Kurzfassung Das Abschrecken von Bauteilen mit Gasen hat gegenüber der Abschreckung in flüssigen Medien wesentliche Vorteile, wie z.B. ein reduziertes Sicherheitsrisiko, eine höhere Umweltverträglichkeit, die Möglichkeit einer direkten Beeinflussung des Härteergebnisses und einen stabileren Abkühlverlauf, was insgesamt zu einem sichereren und einem besser beherrschbaren Abschreckprozess führt. In diesem Beitrag werden prozesstechnische Varianten des Gasabschreckprozesses vorgestellt, um gezielt das Ergebnis der Hochdruckgasabschreckung beeinflussen zu können. Zum einen werden strömungsbeeinflussende Einbauten in der Abschreckvorrichtung diskutiert, die die Möglichkeit bieten, lokal an den abzuschreckenden Bauteilen den Wärmeübergang zu steuern. Zum anderen wird eine Methode präsentiert, um werkstoffabhängige Abschreckergebnisse beim Hochdruckgasabschrecken vorherzusagen, um so den Abschreckprozess gezielt an die jeweilige Werkstoffzusammensetzung anpassen zu können. Hierbei wird auf wiederholte Abkühlmessungen in den Anlagen und chemische Analysen des verwendeten Stahls verzichtet. Mit Hilfe von zu ermittelnden Korrelationsdiagrammen können geeignete Prozessparameter, insbesondere die Gasart, der Systemdruck und der Volumenstrom, anhand der Härteforderungen gezielt angepasst und eingestellt werden. Auf diese Weise wird die Energieeffizienz des Gasabschreckprozesses weiter erhöht.

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?

Fixturhärten ohne Abschrecköl

Kurzfassung Zum maß- und formgenauen Abschrecken von verzugsempfindlichen Teilen werden Fixturhärtemaschinen eingesetzt. Die erforderlichen Maße und die notwendigen Formtoleranzen werden durch eine optimierte Umströmung des Bauteils mit dem Kühlmedium und den Einsatz externer Kräfte, die über die Fixtur ins Bauteil eingebracht werden, erreicht. Die Abschreckung wird durch spezielle Abschrecköle realisiert, die zu Kühlgeschwindigkeiten führen, die ausreichend hoch für die angestrebte Härtung sind. Über die Konstruktion und den Einsatz derartiger Maschinen in Kombination mit der Ölabschreckung liegt in der Branche ein großer Erfahrungsschatz hinsichtlich der notwendigen Gestaltungs- und Prozessparameter vor. Selbstverständlich sind auch die Grenzen dieser Prozesse bekannt, sodass entsprechende Anfragen auf einer sicheren ingenieursmäßigen Basis bearbeitet werden können. Unabhängig davon, dass die Ölabschreckung ein anerkannter und bewährter Prozess ist, existiert am Markt eine Nachfrage nach Fixturhärtemaschinen mit alternativen Abschreckmedien. Ein oftmals genannter Grund dafür ist die Einsparung des Waschprozesses. Als Medien kommen bspw. Stickstoff und Luft in Frage, die aber zu geringeren Kühlgeschwindigkeiten führen. Dies hat zur Konsequenz, dass die physikalischen Grenzen für die Erreichung der spezifizierten Kernhärte nicht außer Acht gelassen werden können. Zudem liegen nur wenige Erfahrungen über Gestaltungs- und Prozessparameter vor. In diesem Beitrag wird über die Entwicklung einer Fixturhärtemaschine für die Gasabschreckung berichtet. Zur Erreichung einer optimalen Abschreckwirkung in der Fixtur wurden experimentelle und numerische Untersuchungsmethoden (Computational Fluid Dynamics – CFD) eingesetzt. Den erwähnten physikalischen Grenzen wurde dabei durch die Entwicklung eines Verfahrens zur Abschätzung der Kernhärte an der entsprechenden Bauteilposition Rechnung getragen.

Konstruktions- und größenbedingte Einflüsse auf den Verzug von ölabgeschreckten Zahnradgrundkörpern: Teil 1: Experimentelle Ergebnisse

Kurzfassung Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten kommt dem Thema Leichtbau in der Fahrzeugindustrie in den letzten Jahren eine besondere Bedeutung zu. Dabei werden oftmals konstruktive Lösungen verfolgt, um dieses Ziel erfolgreich umzusetzen. Allerdings müssen Aspekte einer fertigungsgerechten Auslegung der Bauteile, insbesondere im Antriebsstrang, entlang der gesamten Prozesskette berücksichtigt werden, um infolge der abschließenden Wärmebehandlung gravierende Verzugsprobleme zu vermeiden. Im Moment liegen allerdings noch keine Konstruktionsrichtlinien vor, die den Einfluss von konstruktiven Änderungen auf das Maß- und Formänderungsverhalten von Zahnrädern berücksichtigen. Daher wurde in einem Forschungsprojekt das Verzugsverhalten von Zahnradgrundkörpern auf der Basis von experimentellen und numerischen Studien analysiert. Zentrale Aspekte waren der Einfluss der Bauteilgröße, der Maße von Steg und Zahnkranz, der Zahl und des Durchmessers von Bohrungen im Steg, der Gestaltung von Querschnittsübergängen und der Abschreckprozess. Weitere Fragestellungen vor dem Hintergrund der Reduzierung des Getriebebauraums betrafen den Einfluss eines verschobenen bzw. verkippten Stegs. In diesem Teil der Veröffentlichung werden die experimentellen Untersuchungsergebnisse für das Einsatzhärten mittels Gasaufkohlung und Ölabschreckung vorgestellt. Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen folgen im zweiten Teil dieses Berichts.

Konstruktions- und größenbedingte Einflüsse auf den Verzug von ölabgeschreckten Zahnradgrundkörpern*

Kurzfassung Aus wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten kommt dem Thema Leichtbau in der Fahrzeugindustrie in den letzten Jahren eine besondere Bedeutung zu. Dabei werden oftmals konstruktive Lösungen verfolgt, um dieses Ziel erfolgreich umzusetzen. Allerdings müssen Aspekte einer fertigungsgerechten Auslegung der Bauteile, insbesondere im Antriebsstrang, entlang der gesamten Prozesskette berücksichtigt werden, um infolge der abschließenden Wärmebehandlung gravierende Verzugsprobleme zu vermeiden. Im Moment liegen allerdings noch keine Konstruktionsrichtlinien vor, die den Einfluss von konstruktiven Änderungen auf das Maß- und Formänderungsverhalten von Zahnrädern berücksichtigen. Daher wurde in einem Forschungsprojekt das Verzugsverhalten von Zahnradgrundkörpern auf der Basis von experimentellen und numerischen Studien analysiert. Zentrale Aspekte der Untersuchungen waren der Einfluss der Bauteilgröße sowie weitere konstruktive Details hinsichtlich der Wahl der Abmessungen bzw. gestalterische Anforderungen. Im ersten Teil der Veröffentlichung wurden die experimentellen Ergebnisse des Verzugsverhaltens von Zahnradgrundkörpern für das Einsatzhärten mittels Gasaufkohlung und Ölabschreckung detailliert vorgestellt. Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen folgen im jetzigen zweiten Teil dieses Berichts.