Volume 70, Issue 2

Kurzfassung Vielfältige Verfahren der mechanischen Oberflächenbehandlung erlauben Änderungen der Randschichteigenschaften, die zur Steigerung der Wechselfestigkeit genutzt werden können. Diese Verfahren beruhen auf einer plastischen Verformung der Oberfläche und führen optimalerweise zu Druckeigenspannungen nahe der Oberfläche und einer Verfestigung durch Änderungen des mikrostrukturellen Zustandes, wie der Korngröße oder der Versetzungsdichte. Damit ist auch stets eine Änderung der Topographie verbunden. Häufig wird das Kugelstrahlen verwendet, welches auch die Bearbeitung komplexerer Geometrien erlaubt. Eine Weiterentwicklung davon stellt das Mikrostrahlen dar, bei dem Strahlmittel mit Durchmessern unter 100 μm eingesetzt wird. Neue Anwendungsmöglichkeiten bietet das Verfahren bei der Bearbeitung dünnwandiger Bauteile, die durch die geringeren Strahlintensitäten ermöglicht wird, oder auch bei schwer zugänglichen Bauteilbereichen infolge kleinerer Geometrien des Strahlsystems. Die Charakterisierung der Randschichteigenschaften erfolgt durch Röntgendiffraktometrie, Konfokal- und Rasterelektronenmikroskopie und Aufnahmen an Querschnitten, die mittels fokussierten Ionenstrahls hergestellt wurden. Die Untersuchungen zeigen, dass sich die resultierenden Oberflächeneigenschaften durch Druckeigenspannungen, eine Verfestigung durch Erzeugung nanokristalliner Randschichten sowie eine gegenüber dem Kugelstrahlen vergleichsweise gute Topographie auszeichnen. Die Eindringtiefe des Verfahrens ist hierbei deutlich stärker auf oberflächennahe Bereiche begrenzt als etwa beim Kugelstrahlen. Wechselbiegeversuche zeigen, dass damit eine deutliche Steigerung der Wechselfestigkeit erzielt werden kann. Die Steigerungen der Wechselfestigkeit beim Kugelstrahlen werden dabei für die untersuchten Probengeometrien nach Mikrostrahlen deutlich übertroffen, sodass sich das hohe Potenzial des Verfahrens zur mechanischen Oberflächenbehandlung zeigt.

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.

Quenching in vaporising liquids is mostly affected by the Leidenfrost effect, causing avoidable residual stresses and distortion. Molten salts and molten metals provide a quenching without any Leidenfrost effect, but need to be operated at high bath temperatures with a high effort for cleaning the quenched components. In this work ionic liquids (salts with melting temperatures below 100 °C) are investigated as quenching media with respect to cooling power, homogeneity and thermal stability. Aluminium and steel cylinders have been quenched in baths of different ionic liquids with varying compositions and bath temperatures showing almost no Leidenfrost effect. The time-temperature curves have been recorded and the heat transfer coefficients were determined. It was shown, that the cooling power of ionic liquids could be increased by limited water addition without any Leidenfrost effect and is sufficiently fast even for quench sensitive alloys. Further investigations on aluminium samples with a complex profile show that quenching in ionic liquids causes less distortion compared to water quenching.

Kurzfassung Funktionsbedingt sind an Stahlbauteilen bestimmte Konstruktionsdetails, wie Querbohrungen oder Wellenabsätze, nicht zu vermeiden. Infolge einer äußeren Beanspruchung führt deren Form zu lokalen Extremwerten des meist mehraxialen Spannungszustandes, welche dann versagensmaßgebend für das Gesamtstahlbauteil sind. Die Form der funktionsbedingten Konstruktionsdetails beeinflusst auch die Kohlenstoffaufnahme aus der Aufkohlungsatmosphäre sowie die weitere Diffusion des Kohlenstoffs im Stahlbauteil und somit charakteristische Zielgrößen des Aufkohlungsprozesses, wie den lokalen Randkohlenstoffgehalt und die lokale Aufkohlungstiefe im Bereich des Konstruktionsdetails. Die Analyse von Aufkohlungsvorgängen komplexer Bauteilgeometrien erfolgt durch numerische Methoden, wie die der Finiten Elemente. Wird die Finite-Elemente-Methode mit höherwertigen Lösungsverfahren für Optimierungsprobleme gekoppelt, ergeben sich erweiterte Möglichkeiten zur Anpassung des Randkohlenstoffgehaltes und der Aufkohlungstiefe auf die speziellen Erfordernisse funktionsbedingter Konstruktionsdetails

Kurzfassung Zum Härten großer Bauteile wird häufig das induktive Härteverfahren mit bewegtem Induktor angewandt. Zur Auslegung und Optimierung der induktiven Härteprozesse kann die numerische Simulation genutzt werden, um die Wärmewirkung des bewegten Induktors und die hiermit verbundenen Werkstoffänderungen am realen Bauteil gezielt einzustellen. Der Aufwand experimenteller iterativer Methoden kann hierdurch deutlich verringert werden. Anhand eines industriell eingesetzten Bauteils wird eine rechnerische Methodik vorgestellt, die es erlaubt, die Wärmewirkung eines bewegten Induktors für Austenitisierung, Härteentwicklung aufgrund von Gefügeumwandlungen sowie Entstehung der Eigenspannungen mit geringem Aufwand abzuschätzen. Die Qualität der Berechnungsergebnisse des induktiv gehärteten Bauteils wird anhand experimenteller Messungen von Temperatur, Härte und Eigenspannungen validiert.

Kurzfassung Im Rahmen der Praktikerseminare des HärtereiKongresses 2014 wurden zahlreiche Schadensfälle an wärmebehandelten Bauteilen vorgestellt. Hierbei wurde aufgezeigt, dass zwar auch Wärmebehandlungsfehler zu Schäden führen, jedoch weitaus mehr Fehler dadurch verursacht werden, dass latent verborgene Fehler durch die Wärmebehandlung erst sichtbar werden bzw. erst bei der Fertigung nach der Wärmebehandlung oder durch fehlerhafte Einsatzbedingungen verursacht wurden. Eine Schadensanalyse erfordert nicht nur eine verlässliche Mess- und Untersuchungsmethodik, sondern auch umfassende Erfahrungen mit Werkstoffen, Wärmebehandlungsverfahren und Einsatzgebieten.