HTM Praxis
Auf der TUBE 2022 zeigte TRUMPF eine neue Technologie für das automatische Beladen von Laserrohrschneidemaschinen. Bei der Lösung, die TRUMPF zusammen mit STOPA entwickelt hat, gelangen die Rohre automatisch vom Lagersystem in die Rohrschneidemaschine.
Das automatisierte Beladen reduziert unproduktive Nebenzeiten und steigert so die Produktivität. Dominik Straus, Produktmanager bei TRUMPF, stellt dazu fest:“ Unsere Lösung ist ein erster wichtiger Schritt für die vollständige Automatisierung in der Rohrfertigung. Unternehmen können damit ihre Produktion noch flexibler gestalten und sich Wettbewerbsvorteile sichern. Damit stellt TRUMPF als Lösungsanbieter seine Vorreiterrolle für die digital vernetzte Fertigung unter Beweis.“ Mit dem neuen Verfahren können Unternehmen zudem Materialwechsel schneller durchführen und auch kleine Stückzahlen wirtschaftlich herstellen.
Die Lösung ist nun für die Maschine TruLaser Tube 7000 Fiber erhältlich und lässt sich nachrüsten. Die STOPA-Lager sind in verschiedenen Größen und Ausführungen erhältlich. So lassen sie sich problemlos anpassen und in bestehende Produktionsstätten integrieren. Anwender können die Automasierung mit der neuen TRUMPF-Software Oseon zur Produktionsplanung und -steuerung einsetzen.
Vollautomatisiert vom Lager bis zum Schneidkopf
Die Lösung von TRUMPF und STOPA besteht aus dem Zusammenspiel von drei neuen Komponenten: einem Rohrlager, einer Kippaushubstation und einer Fördereinheit. Alle Komponenten sind digital miteinander vernetzt. Im Rohrlager lagert das Rohmaterial in Kassetten. Der Bediener kann über die Maschine das benötigte Material beim Rohrlager anfordern. Darauf hin bringt ein Kassettenlift die Kassete mit dem gewünschten Material automatisch nach unten in die Kippaushubstation. Anschließed fährt die Kippaushubstation zur Maschine und übergibt die Lagerkassette mit den Rohren an die Fördereinheit. Diese stellt die Rohre einzeln oder lagenweise dem LoadMaster Tube zur Verfügung, der sie in das Spannfutter der Maschine legt. Von hier aus gelangen sie automatisch zum Schneidkopf. wo sie bearbeitet werden. Übrig gebliebene Rohre bringt die Lösung selbständig wieder zurück in das Lager.
Die Lösung eignet sich für jedes Unternehmen, das durch Automatisierung seine Effizienz in der Fertigung steigern möchte. „Die Mitarbeiter in der Logistik und der Produktion müssen sich weniger Gedanken um den Transport und die Bereitstellung von Material machen, außerdem sparen sie Wegezeit. Auch der Programmieraufwand reduziert sich, da die Lösung viele Einstellungen automatisch vornimmt“, hebt Produktmanager Dominik Straus hervor.
TRUMPF SE + Co. KG Johann-Maus-Str. 2 71254 Ditzingen Tel.. +49 7156 30331251 ramona.hoenl@trumpf.com www.trumpf.com
STOPA Anlagenbau GmbH Industriestr. 12 77855 Achern Tel.: +49 7841 704-0 info@stopa.com www.stopa.com
Untersuchung einer Analysepumpe im Dauerbetrieb
Hintergrund und Aufgabenstellung
An vielen Schutzgaswärmebehandlungsanlagen wird die Zusammensetzung des Schutzgases kontinuierlich in Gasanalysatoren bestimmt. Zur Entnahme des Gases aus dem Ofenraum werden verschiedene Pumpentypen eingesetzt. In dem hier beschriebenen Anwendungsfall werden aktuell Membran-Pleuelpumpen verwendet (Bild 1), um das Analysegas vom Ofen zum Analysator zu fördern. Bei der Untersuchung der Pumpen wurden in den letzten Jahren bei verschiedenen Kunden häufig Membranrisse und starke, rußartige Verschmutzungen innerhalb der Pumpen festgestellt, die vermutlich ursächlich für die Membranrisse waren (Bilder 2, 3). In den Fällen, in denen nicht unmittelbar am Eingang des Analysators ein weiterer Feinfilter montiert war, führten Verschmutzungen der Messküvetten der nachgeschalteten Analysatoren (Bilder 3, 4) zu teils erheblichen Reparaturkosten und Anlagenausfällen für den Anwender. Da das zu analysierende Gas unmittelbar nach Austritt aus dem Ofen mittels Koaleszenzfiltern mit einer Leistung von mehr als 99,99 % von >0,1 μm Partikeln gereinigt wird, schien es unwahrscheinlich, dass die Verschmutzungen aus dem Ofen stammten, zumal diese Filter am Ofen häufig keinerlei Verunreinigungen zeigten. Auch war aufgefallen, dass die den Pumpen das Gas zuführenden Teflonschläuche von innen sauber waren, während die das Gas aus den Pumpen herausführenden Schläuche verschmutzt waren (Bild 5), was die Vermutung nahelegte, dass die Pumpen selbst für die Verunreinigungen verantwortlich waren.
Aktuell verbaute Pumpe
Verschmutzte Pumpe
Membranriss bei Pumpe
Verschmutzte Analysatorküvette
Pumpe mit sauberen Gaszuführungsschläuchen (linker Schlauch) und stark verunreinigten Ausgangsschläuchen (rechter Schlauch)
Auf telefonische Anfrage schloss der Hersteller der Pumpe aus, dass es zu einem Zerfall des Analysegases in der Pumpe kommen könnte, auch bei anderen Herstellern und Anwendern war ein solcher Effekt nicht bekannt.
Vermutet wurde, dass es innerhalb der Pumpe zu einem Kohlenmonoxidzerfall gemäß der Boudouard Reaktion kommt:
Um etwaige Einflüsse undefinierter, thermodynamisch instabiler Pyrolyseprodukte aus dem Ofenraum als Ursache für die Verrußung mit Sicherheit ausschließen zu können wurde daher ein Dauerversuch mit einer baugleichen Pumpe mit Kohlenmonoxid (Reinheit 2.0) über 912 Stunden durchgeführt.
Versuchsaufbau
Das Kohlenmonoxid (CO) wurde aus einer handelsüblichen CO 2.0 Flasche druckgeregelt entnommen, wobei der maximal einzustellenden Druck 200 mbar betrug. Die Füllung des Systems erfolgte über das Ventil V1. Der Druck des Gesamtsystems im Betrieb wurde mittels eines Drucktransmitters angezeigt und auf einem Datenschreiber dokumentiert. Ausgangsseitig der Pumpe war ein Feinfilter installiert der 99,9998 % der Partikelgröße >0,3 μm herausfiltert. Gefüllt wurde das System bis maximal 200 mbar Überdruck bei ausgeschalteter Pumpe. Bei der Erstbefüllung des Systems wurde das Abgasventil während der Befüllung bei laufender Pumpe geöffnet, um so eine hinreichende Durchspülung des Systems zu gewährleisten. Mittels der Drossel D wurde eine Durchflussmenge von 120 l/h eingestellt, was in etwa den Verhältnissen im normalen Betrieb der realen Anlagen entspricht. Die Aufnahmeleistung des Motors betrug hierbei ca. 62 W. Bei Bedarf konnte der Überdruck über das Ventil V2 kontrolliert abgelassen werden. Aufgrund der Verwendung von Schläuchen stellte sich im Laufe der Betriebsdauer ein kontinuierlicher Druckabfall des Gesamtsystems durch Diffusionsverluste ein, welcher regelmäßig von Hand mittels V2 nachgefüllt wurde (Etwa alle zwei Tage). Das Gesamtvolumen des Systems betrug ca. 42 cm3, welche kontinuierlich im Kreis gepumpt wurden. Durch das geringe Volumen konnte ein Gesundheitsrisiko beim Betrieb der Anlage durch etwaige Leckagen minimiert werden. Die Temperatur des Pumpengehäuses wurde mittels eines Mantelthermolementes, Typ K, erfasst und ebenfalls auf dem Datenschreiber mitgeschrieben. Diese betrug kontinuierlich zwischen 41 und 43 °C. Der Raum, in dem sich der Versuchsaufbau befand, war durchgehend bei 20 °C temperiert. Mit kurzen Unterbrechungen zu Kontrollzwecken (Leckprüfung) wurde das System auf diese Weise 912 Stunden lang kontinuierlich betrieben. (Siehe Schema 1)
Obwohl es sich bei der verwendeten Pumpe um ein fabrikneues Exemplar handelte, wurde diese vor Beginn des Versuchs zu Kontroll- und Dokumentationszwecken zerlegt (Bild 6). Erwartungsgemäß fanden sich dort keinerlei Verunreinigungen oder Auffälligkeiten.
Versuchsaufbau
Zerlegte, neue Pumpe ohne Auffälligkeiten
Ergebnis
Nach dem 912-stündigen Versuchsbetrieb wurde das System entleert und die Pumpe zerlegt. (Bilder 7-11) Nahezu sämtliche CO-kontaminierten Bereiche der Pumpe wiesen eine mit bloßem Auge sichtbare, dunkle bis schwarze Verfärbung auf. Die Verfärbungen waren mit einem Wattestäbchen abwischbar. Die Metallplatte aus Aluminium oberhalb der Membrane zeigte Spuren, die dem darüber befindlichen Lochbild des Pumpeneinlasses entsprach. (Bild 9) Aufgrund der Verwendung von nahezu reinem CO kann mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass es sich bei den Verunreinigungen um Kohlenstoff in Form von Ruß handelt, der gemäß Formel 1 entstanden sein muss, da andere Quellen ausgeschlossen werden können. Von einer Zersetzung der schwarzen Membrane kann nicht ausgegangen werden, da einerseits optisch keinerlei Veränderungen erkennbar waren und andererseits das Gewicht von 9,5 g unverändert geblieben ist.
Pumpendeckel mit sichtbaren Spuren
Ventilmembranen mit sichtbaren Spuren
Sichtbare Verunreinigungen auf Ventilmembranen und Anschlagfläche der Membrane
Nachweis von Verunreinigung auf der Membrane mittels Wattestäbchen. Lochbild des Einlassbereiches auf Membranhalteplatte erkennbar. Siehe auch Bild 7
Ventilmembranen, beidseitig verschmutzt
Thermodynamik
Kohlenstoffmonoxid bildet sich zwar in exothermer Reaktion aus den Elementen Kohlenstoff und Sauerstoff, ist aber thermodynamisch instabil in Bezug auf den Zerfall in Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid (Bild 12). Obwohl diese Zerfallsreaktion bei Raumtemperatur fast unmessbar langsam ist, spielt sie bei höheren Temperaturen eine große Rolle. CO ist metastabil. Thermodynamisch betrachtet kann CO bei Raumtemperatur also kaum existieren. In der Praxis macht man sich zu Nutze, dass man bei CO-Gewinnungsprozessen (z. B. Endogasgewinnung) das gewonnene CO-haltige Gas durch intensive Abkühlung quasi „einfriert“, so dass technisch nutzbare CO-Konzentrationen dargestellt werden können. Bei Wärmebehandlungsprozessen mit CO ist in den Analysenahmestellen des Ofens regelmäßig eine Verrußung der Entnahmestellen, teilweise bis hin zur Verstopfung, zu beobachten.
Thermodynamische Gleichgewichtsberechnung für 1 Mol Kohlenstoff + 1 Mol Sauerstoff. (Formel 1)
Bei dem im Versuch verwendeten CO handelt es sich um ein metastabiles Medium, welches sich schon seit längerer Zeit in diesem Zustand befindet. Das im laufenden Betrieb aus dem Ofen entnommene, CO-haltige Gas war noch vor wenigen Sekunden auf einer Temperatur von mehr als 800 °C womit davon auszugehen ist, dass es sich noch in einem angeregten Zustand befindet und somit vermutlich eine noch höhere Zerfallsneigung aufweist.
Konstruktionsunterschiede zwischen üblichen Pumpentypen
Während bei vielen der verwendeten Membran Pumpen (z. B. mit Schwingankerantrieb) ausschließlich Kunststoffe als Gehäuse- und Dichtwerkstoff zum Einsatz kommen, zeichnet sich die hier verwendete Pumpe dadurch aus, dass hier metallische Dichtkombinationen Verwendung finden. Der Körper besteht hier aus Aluminium, die Membranen aus Edelstahl. Bei jedem Hub schlagen die Metallmembranen am oberen bzw. unteren Anschlag an. Diese Flächen sind strukturiert, vermutlich um ein Festkleben der Metallmembranen bei nur leichten Verschmutzungen zu verhindern. Die Strukturen sind gut in Bild 13 zu erkennen. Bei einer Drehzahl der Pleuelpumpe von 1400 min-1 ergeben sich also für den Versuchszeitraum von 912 h 306,4 Millionen Anschläge innerhalb des Pumpenkörpers.
Metallmembran – Anschlagflächen
Thesen zur Ursache der Rußentstehung
Es wird angenommen, dass die Tatsache, dass die Metallmembranen nur punktuell auf den Erhebungen der Strukturen auftreffen, dazu führt, dass die gesamte Bewegungsenergie der Dichtmembranen beim Anschlagen in minimalen Flächenelementen umgesetzt werden muss. So wird vermutet, dass die hier freigesetzte Energie ausreicht, den Zerfall des Kohlenmonoxids in kleinsten Raumelementen zu initiieren. Bei Dichtelementen aus Kunststoff dürfte sich die abzugebende Energiemenge auf größere Flächenelemente verteilen da diese eine höhere Duktilität aufweisen, weswegen diese Rußbildungseffekte bei den früher verwendeten Pumpen nie so massiv auftraten. Da die Membranen aus Edelstahl bestehen kann auch zusätzlich noch ein katalytischer Einfluss durch die Metalloberfläche nicht ausgeschlossen werden.
Ebenso wie bei dem im Versuch verwendeten CO handelt es sich bei den im Betrieb gemessenen Ofenatmosphären um Gasgemische, deren Kohlenstoffaktivität bei Raumtemperatur häufig bei >1 liegt. Sie sind in solchen Fällen instabil wie reines CO. Nicht ausgeschlossen werden kann zudem, dass, je nach Entnahmetemperatur des Gases, auch metastabile Pyrolyseprodukte enthalten sind, da in den Öfen regelmäßig Kohlenwasserstoffe vom Glühprodukt abdampfen und cracken.
Einfluss auf das Analyseergebnis
Im Folgenden soll aufgezeigt werden, ob, und in welchem Masse der CO-Zerfall das Analyseergebnis beeinflussen kann. Im vorliegenden Ofenprozess werden z.T. CO und CO2 zur Berechnung eines Kohlenstoffpegels der Ofenatmosphäre zu Grunde gelegt. Ein erhöhter CO2-Gehalt führt in der Berechnung zu einem niedrigeren C-Pegel, ein verringerter CO-Gehalt ebenso.
Bei der im Versuch eingestellten Drosselung stellte sich eine Durchflussmenge von 2 l/min CO ein. Bei 912 h Versuchsdauer wurden somit 109,4 m3bzw. 136,9 kg CO gefördert. Die verwendeten Komponenten wurden vor und nach dem Versuch gewogen, wobei eine Waage mit einer Auflösung von 0,1 g verwendet wurde. Ebensowenig wie bei dem verwendeten Feinfilter (Bild 14) wie bei den anderen Elementen wurde eine messbare Gewichtsänderung ermittelt, weswegen angenommen werden soll, dass sich die Gewichtszunahme durch die Verschmutzung mit Ruß im Rahmen der Fehlertoleranz der Waage von 0,1 g befunden hat.
Neuer, unbenutzter Filter (links) im Vergleich zu Filter nach Versuchsende (rechts).
Nehmen wir also konservativ an, dass sich im Rahmen des Versuchszeitraumes eine Rußmenge von 0,1 g gebildet hat, so ergibt sich folgendes Bild:
Menge gebildeten CO2:
0,1/12 × 28 = 0,233 g CO2
[g/(g/Mol C) × (g/Mol CO2)]
bzw.:
0,233/0,001975 = 118 cm3CO2 [g/(g/cm3)]
oder:
118/1000000 = 0,000118 m3CO2
[cm3/(cm3/m3)]
bezogen auf das Gesamtvolumen des
geförderten Gases:
0,000118/109,4 = 0,000001078
[m3/m3]
oder
0,0001078 %, oder 1,078 ppm
Die Vermutung liegt nahe, dass durch solch minimale Veränderungen der CO2-Konzentration kaum merkliche Veränderungen im Berechnungsergebnis für den C-Pegel zu erwarten sind, was an einem Extrembeispiel mit besonders niedrigen CO-Wert bei hohem C-Pegel gezeigt werden soll:
T = 880 °C; CO = 4 Vol.%, Cp = 1,000000 %C; CO2 Gehalt hierbei: 0,006982089 Vol.% oder 69,82089 ppm
Addieren wir zu diesem CO2-Wert nun die 1,078 ppm hinzu, ohne die anderen Eingangsgrößen zu variieren, verändert sich der C-Pegel von 1,000000 %C zu 0,988999 %C. Da in der aktuellen Praxis mit höheren CO2 Werten gearbeitet wird, der absolut ermittelte Fehler aus dem Versuch jedoch konstant sein dürfte, kann der Mess- und damit Berechnungsfehler durch den CO-Zerfall in der Pumpe somit vernachlässigt werden. Praxisnähere Werte in obiges Beispiel eingesetzt belegen dies:
T = 880 °C; CO = 8 Vol.%, Cp = 0,400000 %C; CO2 Gehalt hierbei: 0,088194034 Vol.% oder 881,94034 ppm. Der C-Pegel, berechnet mit 881,94034 ppm + 1,078 ppm = 883,018345 ppm CO2 ergibt sich dann zu 0,399579 %C.
Da der Einfluss des CO in der C-Pegelberechnung geringer als der des CO2 ist, wird auf eine Betrachtung dessen Fehlers verzichtet, da dieser auf jeden Fall noch geringer ausfallen wird.
Fazit
Es konnte der Nachweis erbracht werden, dass es zum Zerfall von CO zu C + CO2 unterhalb von 50 °C innerhalb einer Analysepumpe mit Metallmembranen kommen kann. Durch die Konzeption und Durchführung des Versuches konnte ausgeschlossen werden, dass eine andere Quelle für die Verunreinigungen in Frage hätte kommen können. Als Ursache für den CO-Zerfall werden mechanisch initiierte Effekte in mikroskopisch kleinen Raumelementen angenommen. Katalytische Effekte an den Edelstahlmembranen können nicht ausgeschlossen werden, werden aber für unwahrscheinlich erachtet.
Die im hier beschriebenen Anwendungsfall vernachlässigbare Veränderung der Zusammensetzung des zu analysierenden Mediums sollte nicht über die grundsätzliche Gefahr hinwegtäuschen, dass es in anderen Anwendungsfällen zu einer erheblichen Veränderung des Messergebnisses durch den Zerfall metastabiler Komponenten im Fördermedium kommen kann. Zum Schutz von hochwertigen Analysegeräten sollte bei der Förderung metastabiler Medien ein geeigneter Feinfilter unmittelbar vor Eingang des Mediums in das Gerät verbaut werden, um eine Verunreinigung der Messphysik mit unerwünschten Reaktionsprodukten zu vermeiden. Auch besteht die Option, die Förderpumpe hinter den Analysator zu montieren sofern mit einem geringen, konstanten Druckgefälle im Leitungssystem gerechnet werden kann. Stets sollte geprüft werden, ob die Verwendung von Pumpen mit nichtmetallischen Ventilkonzepten vorgezogen werden kann, um o. a. Effekte ganz zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
Dipl. Ing. Gerd Waning Otto-Wulff-Str. 8 32107 Bad Salzuflen gw@gerdwaning.de Tel.: +49 178 7642394
Bessere Schweißnähte
SKS Welding Systems hat als Ergebnis von Kundenprojekten ein spezielles Setup für Schweißsysteme entwickelt. Mit einer schnellen Parameteränderung im Schweißprozess erhalten Anwender damit eine weitere Möglichkeit der Prozessoptimierung.
Die Auswertung von Kundenerfahrungen, die Durchführung von Schweißversuchen und die Verwertung der daraus resultierenden Ergebnisse bilden eine Kernkompetenz von SKS. Diese Daten wurden von Customer Centern und Schweißversuchslaboren gesammelt und in der Zentrale von SKS in Kaiserslautern ausgewertet. Anschließend erfolgte eine Überführung der Ergebnisse in die Praxis. Hieraus entstand eine spezielle Konfiguration in zwei Varianten, mit der die Möglichkeiten der Parametrierung und Anwendung von Schweißprozessen erweitert werden: DP-Basic und DP-Fast.
DP steht hierbei für Dualphase. Mit einem periodischen Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen Drahtvorschubgeschwindigkeiten und/ oder Leistungsparametern wird das Schmelzbad zu einer gesteuerten Schwingung angeregt. Das resultierende An- und Abschwellen der Schmelze sorgt für eine bessere Spaltüberbrückung und verbessertes Fließverhalten. Die gesteuerte Umschaltung der Leistungsbereiche ermöglicht eine gezielte Wärmesteuerung. Beim Fügen von Aluminiumwerkstoffen oder beschichteten Stahlwerkstoffen kann so die Bildung von Poren vermindert werden. Die gewonnene ansprechende geschuppte Nahtoptik erfüllt die hohen Ansprüche von Sichtnähten.
DP-Basic ist mit allen SKS-Schweißprozessen einsetzbar. DP-Fast ist mit den Prozessen MIG/MAG, I- sowie KF-Puls kombinierbar und ermöglicht so ein breites Anwendungsspektrum. Mit der Erhöhung der Frequenz auf bis zu 25 Hz bei DP-Fast werden selbst bei hohen Schweißgeschwindigkeiten feine feine Nahtschuppungen und ein gutes Ausfließen der Nahtränder erzielt.
Im Expertenmodus der Schweißsteuerung sind zudem noch feinere Einstellungen möglich, um dem optimalen Prozess für industrielle Anwendungen möglichst nahe zu kommen. Für die Automobil- und Zulieferindustrie entwickelt und fertigt SKS Systemlösungen zum automatisierten Schweißen von Achsen, Abgassystemen und Karosserien. Darüber hinaus erweitert SKS die Anwendungsmöglichkeiten für Industriebranchen wie Maschinenbau, Geräte- und Anlagenbau sowie Klima- und Energietechnik.
SKS Welding Systems GmbH Marie-Curie-Str. 14 67661 Kaiserslautern Tel.: +49 6301 79861125 martin.stenger@de.sks-welding.com www.sks-welding.com
Lösungen für das Randschichthärten
Kompetenz-Team: Projektingenieur Micha von Felten, Beat Reinhard (Leiter Verfahrenstechnik und Entwicklung) sowie Abteilungsleiter Peter Fluri (v.l.n.r.) (Foto: Privat)
Automatisches induktives Randschichthärten des Bundes einer Welle im Durchlauf. Oben erzeugt der Induktor Rotglut, die rasche Abkühlung durch die nachfolgende Brause sorgt für die gewünschte harte Oberflächenschicht (Foto: Klaus Vollrath)
Bei vielen industriell eingesetzten Bauteilen wird eine Kombination aus zähem Kern und harter Randschicht benötigt, damit sie den Beanspruchungen im Einsatz besser standhalten können. Das Härten erfolgt durch schnelles Aufheizen der Oberfläche mit anschließender schneller Abkühlung. Hierfür stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Je nach Bauteil und Aufgabenstellung weisen diese spezifische Vor- bzw. Nachteile auf. Das personell wie auch anlagentechnisch gut ausgestattete Kompetenzzentrum der Härterei Gerster AG berät Interessenten bei der Wahl und Auslegung von optimal auf die Aufgabenstellung angepassten Lösungsstrategien.
„Beim Randschichthärten wird die oberflächennahe Randschicht von Bauteilen aus Stahl in einem definierten Bereich bis zu einer bestimmten Tiefe austenitisiert und anschließend schnell abgekühlt“, erläutert Beat Reinhard, Leiter Verfahrenstechnik und Entwicklung der Härterei Gerster AG in Egerkingen (Schweiz). Im Unterschied zu Ofenverfahren wie dem Einsatzhärten muss beim Randschichthärten nicht das gesamte Volumen aufgeheizt werden. Das spart in erheblichem Umfang Energie. Die Behandlung muss jedoch individuell auf die Gegebenheiten des Teils abgestimmt werden, wofür fallweise nicht nur der Härteprozess an sich, sondern zusätzlich auch die vor- und nachgeschaltete Wertschöpfungskette zu berücksichtigen ist. Der 1950 gegründete mittelständische Familienbetrieb Gerster mit rund 110 Mitarbeitern verfügt auf diesem Gebiet dank langjähriger Erfahrung über umfassendes Knowhow und kann seinen Kunden deshalb kostensparende Lösungen anbieten. Zudem hat die Härterei Gerster kontinuierlich in diese Technologien investiert. Hinzu kommen zahlreiche Vorrichtungen sowie teils selbst entwickelte Automatisierungssysteme. Gerster betont, dass das Unternehmen auch personell auf Mitarbeiterebene sowie beim Leitungspersonal breit aufgestellt und dementsprechend leistungsfähig und reaktionsschnell ist.
Die graue Oberfläche der Bundbereiche dieser Welle aus rostfreiem Stahl zeigt die erfolgreiche Härtung mithilfe des Induktionsverfahrens (Foto: Klaus Vollrath)
Die gesamte Prozesskette zur Herstellung dieser Doppel-Kurvenscheibe für eine Textilmaschine wurde erfolgreich auf Laserhärtung umgestellt (Foto: Klaus Vollrath)
Durch die Prozessumstellung verringerte sich der Kostenaufwand für die Herstellung um rund 50 % (Grafik: Härterei Gerster AG)
Beispiel: Kurvenscheibe für einen Maschinenbaubetrieb
„Welche Vorteile sich durch eine Optimierung des Härteverfahrens ergeben können, zeigt das Beispiel einer Doppelkurvenscheibe für einen Maschinenhersteller“, ergänzt Micha von Felten, Projektingenieur bei Fa. Gerster. Hierbei handelt es sich um ein Verschleißteil für Textilmaschinen, das ständig auf Lager gehalten werden muss. Früher wurde es in einem aufwendigen Verfahren zunächst geschmiedet und mechanisch vorbearbeitet. Anschließend wurde die Scheibe komplett gehärtet und kostenintensiv geschliffen. Die Vorratshaltung dieser teuren Teile band viel Kapital im Lager.
Bei der Härterei Gerster selbst entwickelte und realisierte Anlage mit zahlreichen Brennern, Pyrometern und Regelzonen für das Flammhärten von runden Bauteilen mit Durchmessern bis 1,4 m und Höhen bis 650 mm (Foto: Klaus Vollrath)
In Zusammenarbeit mit dem Kunden wurde ein alternativer Prozesspfad entwickelt. Zum Aufgabenbereich der Härterei Gerster AG gehörte dabei die Unterstützung bei der Überprüfung und anschließenden Optimierung des gesamten Herstellprozesses sowie die Auswahl des optimalen Härteverfahrens aus dreizehn Grundverfahren. Anschließend wurde der Härteprozess gewählt und auf die Anwendung – u.a. Lage der Härte- und Schlupfzonen – abgestimmt.
Im Ergebnis verringerte sich der Kostenaufwand für die Herstellung mit dem neuen Prozess um rund 50 %. Nach dem Schmieden und der Bearbeitung auf Fertigmaß wird die Kurvenscheibe jetzt nur noch im Bereich der Laufflächen mit dem Laserverfahren gehärtet und anschließend mittels Gleitschleifen gefinisht. Den entscheidenden Anteil an der Kostenminderung hatte das Weglassen des teuren CNC-Schleifens. Hinzu kamen noch weitere wesentliche Vorteile: Die Wiederbeschaffungszeit verringerte sich von 80 auf 20 Tage, die Losgröße konnte von 100 auf 50 Stück gesenkt werden und die Kapitalbindung im Lager ging um 75 % zurück.
Vor- und Nachteile der drei wichtigsten Verfahren
„Die drei bei uns hauptsächlich eingesetzten Verfahren zur Randschichthärtung sind das Flammhärten, das Induktionshärten sowie das Härten mithilfe des Lasers“, erklärt B. Reinhard. Das Flammhärten mit Gasbrennern ist das älteste Verfahren und hat immer noch rund 10 % Anteil an den bei Gerster durchgeführten Randschichthärte-Behandlungen. Da die Wärme der Gasbrenner von der Oberfläche her ins Innere der Bauteile eindringen muss, sind die Prozesszeiten bei größeren Einhärtungstiefen entsprechend lang. Die Leistung ist jedoch durch Einsatz von mehr Brennern gut skalierbar. Das Verfahren eignet sich besonders gut für Bauteile mit größeren Abmessungen und bei größeren Einhärtungstiefen (In speziellen Fällen können das auch mal 40 mm sein). Zur Abschreckung kommen je nach Einsatzfall Wasser, Polymergemische, Öl, Schutzgas oder Druckluft zum Einsatz.
Maßgeschneiderte Anlage für das Induktionshärten der Oberseite sowie der Kanten von Laufschienen für industrielle Transportsysteme (Foto: Klaus Vollrath)
Das Induktionshärten erfolgt mit Induktoren (Spulen) zur Übertragung von Energie mit Frequenzen zwischen 10-1200 kHz. Die Wechselfelder bringen mithilfe der formangepassten Induktoren Energie direkt ins Innere des Werkstoffs ein. Dadurch erfolgt das Aufheizen schneller als beim Flammhärten. Die Einhärtungstiefe kann bis zu 5 mm betragen. Der Prozess lässt sich elektronisch äußerst präzise und wiederholgenau steuern und ist dadurch sehr gut beherrschbar. Abgeschreckt wird mit den gleichen Medien wie beim Flammhärten.
Domäne des Laserhärtens ist das Erzeugen von örtlich sehr genau definierten, vergleichsweise dünnen (typischerweise ca. 1 mm tief) gehärteten Oberflächen. Der energiereiche Laserstrahl bewirkt eine sehr schnelle Erwärmung der Oberflächenschicht, die vom kalten Materialinneren dann äußerst rasch wieder abgekühlt wird. So entsteht eine Härteschicht mit sehr feinkörnigem Martensit. Eine Anlassbehandlung ist üblicherweise nicht erforderlich und die Teile erleiden nur minimalen Verzug. Das Verfahren ist hoch produktiv und damit kostengünstig. Der Laserstrahl wird durch einen Roboter hochpräzise geführt, so dass die Härtung nur in genau definierten Bereichen erfolgt. Bei Einsatz von Schutzgas bleiben die Oberflächen zudem blank.
Der Roboter für das Führen des Lasers. Dank seiner Laufschiene kann er auch Langteile bis 9.000 mm bearbeiten (Foto: Klaus Vollrath)
Erfolgsfaktor Prozesskompetenz
„Das Randschichthärten erfordert stets eine teilespezifische Anpassung des Prozesses“, weiß M. von Felten. Deshalb gebe es so gut wie nie „Patentlösungen von der Stange“. Dazu sei die Bandbreite der Geometrien, der Werkstoffe und der geforderten Eigenschaften einfach zu groß. Hinzu kämen kaufmännische Gesichtspunkte wie Stückzahlen, Logistikanforderungen sowie die Herstellung teilespezifischer Vorrichtungen oder sogar kompletter Anlagen z. B. für das Flammhärten von Rundteilen mit großen Abmessungen. Voraussetzung für die Findung einer technisch wie kostenmäßig optimalen Lösung sei daher vor allem viel Erfahrung. Häufig gehöre dazu auch die Realisierung spezieller Vorrichtungen oder individueller Handling- bzw. Automatisierungslösungen. Bei größeren Auftragsvolumina oder auch aufgrund von speziellen Anforderungen macht es manchmal Sinn, den Härteprozess direkt in die Produktionslinie eines Kunden zu integrieren. Gerster steht diesen Anliegen offen gegenüber und unterstützt solche Verlagerungen im Rahmen der „Gerster Support Services“. So kann der Kunde bei Bedarf sogar eine Rückabsicherung vereinbaren, falls es in seiner eigenen Anlage zu Problemen oder Engpässen kommen sollte.
Ergänzend zu seinen flexiblen und leistungsfähigen internen Abteilungen für Konstruktion, Beratung, Prozessentwicklung und Fertigung könne sich Gerster bei solchen Dienstleitungen auch auf ein breitgespanntes und bewährtes Netzwerk von Zulieferern und Engineering-Dienstleistern stützen (z. B. 3D-Druck von Induktoren, Brennern oder Brausen, Simulation von Wärmebehandlungsprozessen oder Anlagenbau).
Über Jahrzehnte hinweg wurden bei Gerster unzählige Induktoren in allen Formen und Größen hergestellt. Auf diesen Schatz kann bei Neuanfragen zurückgegriffen werden (Foto: Klaus Vollrath)
Rollwagen mit Handlingsystem für die automatische Zuführung von Massenteilen. Bei größere Serien kann der Wagen mit wenigen Handgriffen an eine sonst manuell bediente Anlage für das Induktionshärten von Kleinteilen angedockt werden (Foto: Klaus Vollrath)
Hohe Reaktionsgeschwindigkeit und Flexibilität
„Unsere Kunden stehen in der Regel unter starkem Zeitdruck. Deshalb legen wir Wert darauf, auf Anfragen oder Aufträge möglichst schnell zu reagieren“, verrät B. Reinhard. Das fange schon damit an, dass das Unternehmen keine Betriebsferien mache und die Urlaube der Mitarbeiter so synchronisiere, dass für jeden Kompetenzbereich immer eine ausreichende Zahl von Fachleuten mit der erforderlichen Qualifikation verfügbar sei. Fallweise umfasse der Service auch eine Konstruktionsberatung, beispielsweise wenn es um die Beurteilung von Risiken bezüglich Spannungen, Verzug oder Rissbildung gehe.
Flexibel reagiere man bei Gerster auch auf solche Anfragen, wo die Dimensionen oder das Gewicht der zu behandelnden Werkstücke die Möglichkeiten der eigenen betrieblichen Infrastruktur übersteigen. Dann werden auch mobile Behandlungen vor Ort oder Möglichkeiten innerhalb des bereits erwähnten Zulieferer-Netzwerks geprüft und bei Eignung vorgeschlagen.
Qualitätssicherung auf hohem Niveau
„Zu unseren Leistungen gehört selbstverständlich auch eine leistungsfähige Qualitätssicherung“, berichtet M. von Felten. Den Mitarbeitern stehe eine große Bandbreite an modernen Verfahren vom Lichtmikroskop über die verschiedensten Härteprüfverfahren bis zur Spektralanalyse zur Verfügung. Selbstverständlich verfüge das Unternehmen auch über Zertifizierungen für wichtige allgemeine Qualitätsmanagementsysteme wie ISO 9001 und ISO 14001 sowie über branchenspezifische QS-Systeme für die Automobilindustrie, die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrt.
Für das Randschichthärten sind am Standort Egerkingen in der Schweiz rund 50 verschiedene Anlagen im Einsatz. Das insgesamt angebotene Portfolio an Wärmebehandlungsdienstleistungen ist jedoch erheblich breiter und umfasst im Prinzip die gesamte Bandbreite der klassischen Härtereidienstleistungen. Um die immer zahlreicheren deutschen Kunden besser betreuen zu können, wurde 2022 in Sprockhövel die Gerster Deutschland GmbH gegründet.
Die QS-Abteilung verfügt auch über eine gut ausgestattete Metallographie (Foto: Klaus Vollrath)
Klaus Vollrath
Härterei Gerster AG Güterstr. 3 Ch-4622 Egerkingen Tel.: +42 6238 8700 info@gerster.ch www.gerster.ch
Gerster Deutschland GmbH Schulstrasse 3 45549 Sprockhövel Tel.: +49 1799498089 Peter.Haase@gerster.ch www.gerster.ch
Eigenspannungsmessung mit Ultraschall
Eigenspannungen haben erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften von Bauteilen. Sie beeinflussen u.a. deren Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit. Dabei ist nicht nur die Höhe der Eigenspannung, sondern auch deren Vorzeichen (Zug- oder Druckspannung) von Bedeutung. Druckeigenspannungen verbessern typischerweise die Bauteileigenschaften, Zugeigenspannungen verschlechtern sie.
Es gibt verschiedene Verfahren, Eigenspannungen zu messen. Die Messung mit Dehnungsmessstreifen ist ein sehr etabliertes Verfahren, bei dem das Bauteil aber üblicherweise zertrennt werden muss. Der Einsatz sog. Röntgengoniometer gestattet eine Eigenspannungsmessung im Oberflächenbereich von Bauteilen. Mit polarisierten Ultraschallwellen kann man die Eigenspannung im gesamten Querschnitt eines Bauteils zerstörungsfrei messen.
Eisenbahnräder von Güterwagen gehören zu den Bauteilen, bei denen der Eigenspannungszustand kontinuierlich überwacht werden muss. Das liegt daran, dass diese Räder mit Klotzbremsen auf den Laufflächen gebremst werden müssen. Beim Bremsvorgang wird in den Radkränzen der Räder sehr viele Wärme erzeugt. Diese Wärme führt zum Aufbau von Zugeigenspannungen. Die Zugeigenspannungen wiederum können Dauerfestigkeit und Bruchzähigkeit derart senken, dass es zum Bruch der Räder kommen kann. Für die Überwachung des Spannungszustandes der Güterwagenräder gibt es etablierte Ultraschall-Prüftechniken, die jedoch bei bestimmten Radtypen und Verschleißzuständen an Grenzen stoßen. Wenn die Eigenspannung der Räder aber nicht ermittelt werden kann, müssten die Räder aus Sicherheitsgründen verschrottet werden.
Die W. S. Werkstoff Service GmbH hat sich in den vergangenen Jahren mit dieser Thematik beschäftigt und eine ultraschall-basierte Prüftechnik entwickelt, die auch bei diesen Grenzfällen Eigenspannungsmessungen gestattet. Für diese Entwicklung nutzte Werkstoff Service seine Qualifikationen in der Ultraschallprüfung und für die korrekte Kalibrierung des Prüfsystems seine Kompetenz in der mechanisch-technologischen Prüfung.
Der Vorteil dieser Eigenentwicklung ist es nach Angaben des Unternehmens, dass diese Prüftechnik auch die Prüfung anderer Bauteile als Räder gestattet. Allerdings sind für diese Prüftechnik hohe Fach- und Sachkenntnisse des Prüfers erforderlich, um die Messdaten korrekt zu erfassen und zu interpretieren.
Die W. S. Werkstoff Service GmbH setzt die neu entwickelten und erworbenen Kompetenzen in der ZfP-Prüfdienstleistung und bei der Schulung von Prüfpersonal ein.
W. S. Werkstoff Service GmbH Eric Poschmann Katernberger Str. 107 45327 Essen Tel.: + 49 201 316844 0 info@werkstoffservice.de www.werkstoffservice.de
Vom 15. – 18. 11. 2022 findet in Frankfurt a. Main die formnext 2022, die internationale Additive Manufacturing-Messe statt. Informationen unter www.formnext.mesago.com
Am 22./23. 11. 2022 findet bei der Dr. Sommer Werkstofftechnik GmbH in Issum-Sevelen das Seminar „Der Werkstoff Stahl und seine Wärmebehandlung“ statt.
Informationen unter www.werkstofftechnik.com
Am 24./25. 11. 2022 findet in der Stadthalle Hagen das 40. Hagener Symposium Pulvermetallurgie statt.
Informationen unter
Vom 30. 11. – 02. 12 2022 findet bei der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin Lichterfelde das Seminar „Bauteilmetallographie“ statt.
Informationen unter www.bam.de
Messen, Tagungen, Seminare
am 09./10. 11. 2022 findet am Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen die „Aachen Conference on Gear Production“ statt. Themen der Veranstaltung: Hart-/ Weichbearbeitung, Qualitätskontrolle, Betrieb von Zahnrädern.
Informationen unter www.ac-gp.de
Am 14./15. 11. 2022 findet im Hotel Holiday Inn Berlin City West das Seminar „Korrosion verstehen und wirksam verhindern“ statt.
Informationen unter www.vdi-wissensforum.de
Am 14./15. 11. 2022 findet am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) das Seminar „Mechanische Behandlung zur Verbesserung der Bauteileigenschaften“ statt.
Informationen unter www.kit.edu
Am 15. 11. 2022 findet bei der Technischen Akademie Esslingen in Ostfildern das Seminar „Korrosionsschutz durch Beschichtungen“ statt.
Informationen unter www.tae.de
Aichelin verstärkt Serviceorganisation
Im Rahmen ihrer Servicestrategie baut die Aichelin Group ihre international agierende Serviceorganisation weiter aus. Mit der Übernahme der Konzerntochter Safed France SAS durch die Aichelin Service GmbH konzentriert Aichelin das Servicegeschäft und verstärkt dafür den Standort Ludwigsburg.
In die Etablierung des European Distribution Center und die Erweiterung des Ersatzteillagers sowie in den Ausbau der Servicebelegschaft fließen hohe Investitionen. Kunden profitieren davon durch eine standortübergreifende Servicesteuerung und erhalten nun alle Services und Ersatzteile zu den Aichelin und Safed Wärmebehandlungsanlagen aus einer Hand. U. a. wurde in die Beschaffung eines zusätzlichen Vertikal-Liftmoduls für die automatisierte Lagerung und Bereitstellung sowie in Lagersoftware zur Verknüpfung der Kommissioniersysteme investiert. Zusätzlich wurde das Logistikteam mit zusätzlichen Fachkräften verstärkt.
In der nächsten Zeit liegt der Fokus bei der weiteren Optimierung des Materialflusses, um insbesondere den After-Safes-Verkauf von Ersatz- und Serviceteilen sowie kurzfristigen Kundenbedarf noch schneller bedienen zu können.
Aichelin Service versteht sich als global agierendes Kompetenzzentrum für alle Kunden, die Aichelin und Safed Wärmebehandlungsanlagen sowie auch Fremdanlagen betreiben. Sämtliche Serviceleistungen für Kunden sind hier gebündelt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Planung und Durchführung von Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten sowie von Umbauten und Modernisierung bestehender Wärmebehandlungsanlagen. Hierbei spielen insbesondere die Steigerung der Energieeffizienz, die Reduzierung von CO2-Emissionen sowie die Erhöhung der Anlagensicherheit eine wichtige Rolle.
Damit einher geht die bedarfs- und termingerechte Disposition von Servicetechnikern sowie die Beschaffung und Auslieferung von Ersatzteilen. Über Fachforen und Seminare sowie kundenspezifische Schulungen bietet Aichelin Service ihren Kunden Fachwissen und den Austausch von Experten.
Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Neuanlagenvertrieb in Mödling in puncto Arbeitsvorbereitung, Anlagenprüfung und Inbetriebnahme wurden die Serviceschnittstellen und -prozesse in den letzten Jahren weiter optimiert, was die Kundenzufriedenheit weiter erhöht. Gleichzeitig können Synergien durch die Nutzung von Shared Services im Bereich Supply Chain Management, Finance, IT, Qualitätsmanagement usw. zur Kostensenkung genutzt werden.
Aichelin Service GmbH Schultheiß-Köhle-Str.7 71636 Ludwigsburg Tel: +49 7141 647-0 info.de@aichelin.com www.aichelin-service.com
Auftrag für SMS group
Megasider Zaragoza S. A.U. hat die SMS group mit der Lieferung eines Stabstahlwalzwerks mit umweltfreundlicher Heizungstechnologie beauftragt.
Die neue Anlage wird das bestehende Walzwerk ersetzen, das ebenfalls von SMS geliefert worden war, und ist für die Herstellung einer breiten Palette von Stabstahlprodukten ausgelegt. Das Produktportfolio soll in der Folge ergänzt und erweitert werden.
SMS unterstützt Megasider bei dem Ziel, einen Produktionsbetrieb ohne Erdgas zu realisieren und die Anlage zu digitalisieren. Als Systemlieferant bietet SMS ein Gesamtkonzept für den Betrieb der flexiblen Brenner mit einem digitalen Steuerungssystem. Damit kann die Anlage besonders umweltschonend betrieben werden.
Zum Lieferumfang von SMS gehört ein Hubbalkenofen, der mit der neuesten Nachwärmetechnologie für einen umweltfreundlichen Betrieb ausgestattet ist. Der Ofen wird mit der SMS Prometheus Level 2-Steuerung versehen, die eine geichmäßige Temperaturverteilung und eine niedrige Oxidation und Kohlenstoffanreicherung des Stahls gewährleistet sowie mit dem SMS DigiMod-Verbrennungsmangementsystem und SMS ZeroFlame HY2-Brennern. Diese flammenlosen Brenner mit besonders niedrigem NO2-Ausstoß können sowohl mit Erdgas als auch mit einem Gemisch aus Erdgas und Wasserstoff in jedem beliebigen Verhältnis betrieben werden, so dass eine vollständige Umstellung auf Wasserstoffbetrieb möglich ist. Durch die Kombination von SMS ZeroFLame HY2-Brennern, DigiMod-Verbrennungsmanagementsystem und SMS Prometheus-Steuerung werden die NO2-Emissionen gesenkt, die Zunderbildung reduziert und der Brennstoffverbrauch signifikant verringert.
Zum Lieferumfang gehören außerdem eine Mehrstrangrichtmaschine mit automatischer Stabpositionierung und -zuführung sowie einem automatischen Walzenwechselsystem, eine Kaltsäge für den Einsatz für Schleif- und Metallscheiben sowie ein automatischer Magnetstapler mit rotierenden Armen. Das von TBK, einem Unternehmen der SMS group, gelieferte Profilmessgerät mit Oberflächenfehlererkennung ermögicht dem Kunden die Durchführung von kontaktlosen Präzisionsmessungen für optimale Prozesse in der Stabstahlproduktion.
Gesteuert wird die gesamte Anlage durch das X-Pact-Automatisierungssystem, die Level-1- und Level-2-Lösung. Dieser ganzheitliche Ansatz hat zum Ziel, die langjährige Erfahrung von SMS im Bereich der Automatisierung auf den Walzprozess zu übertragen, um so die Leistung der Anlage zu maximieren. Gleichzeitig ermöglicht er die sofortige Umsetzung digitaler Lösungen auf Grundlage einer harmonisierten Datenverarbeitung.
SMS Group GmbH Eduar-Schloeman-Str. 4 40237 Düsseldorf Tel.: +49 211 881 4449 info@sms-group.com www.sms-group.com
Aichelin mit positiver Entwicklung
Aichelin, einer der führenden Hersteller von Industrieöfen, zieht eine positive Jahresbilanz. Im Bereich Neuanlagen blickt man auf einen hohen Auftragsbestand und auf einen kontinuierlich guten Auftragseingang zurück. Darunter befinden sich Anlagenbestellungen von namhaften Unternehmen vor allem in den Bereichen Befestigungs- und Antriebstechnik aus Westeuropa und Asien.
„Wie jedes andere Industrienunternehmen, stellt uns die Beschaffungsseite hinsichtlich Verfügbarkeit und Preis vor große Herausforderungen. Was aber die Auftragslage betrifft, sind wir sehr stolz, dass neben langjährigen Bestandskunden auch zahlreiche Neukunden auf die Qualität und Zuverlässigkeit unserer Produkte setzen“, freut sich Michael Reisner, der für das Neuanlagengeschäft zuständige Geschäftsführer der Aichelin Ges.m.b.H.
Im Servicebereich erzeugt die aktuelle Unsicherheit rund um die Gasversorgung eine stark gestiegene Nachfrage nach Umstellung von Gas- auf Elektrobeheizung.
„Uns kontaktieren täglich Kunden, die auf elektrische Beheizungssysteme umsteigen möchten. Aber wir merken grundsätzlich auch eine zunehmende Sensibilität für das Thema Wartung und Umbauten zur Erhöhung der Anlageneffizienz“, stellt Thomas Peinkofer, der Geschäftsführer der Aichelin Service GmbH, fest.
Um den aktuellen Anforderungen gerecht zu werden, wurde mit dem „Aichelin Green Check“ sogar ein spezielles Serviceangebot aufgelegt. Dabei analysieren die Aichelin-Experten jegliche CO2- und sonstige Einsparpotenziale und erarbeiten mit dem Anlagenbetreiber konkrete Umsetzungsschritte. Die ursprünglich als Dekarbonisierungsmaßnahme entwickelte Serviceleistung kommt nun voll zum Tragen.
„Wachsendes Interesse erfahren auch unsere digitalen Produkte zur Anlagensteuerung und Wartungsunterstützung. Für uns ein Beweis, dass wir mit dem digitalen Instandhaltungsassistenten #jakob und unserem Prozessleitungssystem FOCOS 4.0 die richtigen Weichen gestellt haben“, führt Thomas Peinkofer aus.
Ebenso fokussiert sich Aichelin in zunehmendem Maße auf den zukunftsweisenden Bereich Elektromobilität. Im Vordergrund stehen dabei Wärmebehandlungsanlagen für Antriebe, Elektromotoren und die Herstellung von Batteriepulver. Ein wichtiger Meilenstein für die nächste Zeit ist die Eröffnung des Assembly Center Europe in Celje, Slowenien. Diese Zusammenführung der Neuanlagenfertigung in Europa an einem Standort soll die Wettbewerbsfähigkeit der Marke Aichelin weiter festigen.
AICHELIN Holding Fabriksgasse 3 A-2340 Mödling Tel.: +43 2236 236 46 0 marketing@aichelin.com www.aichelin.com
Mobile UCI-Härteprüfung an Aluminium-Legierungen gewinnt an Bedeutung
Aluminiumbauteile werden aufgrund ihres günstigen Gewichts- und Festigkeitsverhältnisses in vielen Bereichen der industriellen Fertigung eingesetzt, wie u.a. in den Branchen Luft- und Raumfahrttechnik, Automobilindustrie und Automatisierungstechnik. Dabei wird die Gebrauchsfertigkeit hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit durch Legierung und Wärmebehandlung bewerkstelligt, wobei vielfältige Herausforderungen innerhalb der Prozesssteuerung zu bewältigen sind. Immer wieder muss man feststellen, dass Ausbrüche, Ausscheidungen und Risse durch lokal starke Härteunterschiede in der Matrix entstehen. Fertigungsbedingte Gefüge-Inhomogenität kann durch gießtechnische Maßnahmen (Gießtemperatur, Abkühlungsgeschwindigkeit) verringert werden. Um Prozessfehler aus der Wärmebehandlung zu erkennen, ist die Härteprüfung das Mittel der Wahl. Die Zusammenhänge sind meist sehr komplex und eine Ursachenforschung erfordert eventuell zusätzlich tiefergehende Untersuchungen.
Zur fertigungsbegleitenden Qualitätskontrolle wird die Härteprüfung in weitem Umfang mit Schwerpunkt Brinell HB und Rockwell HRB und an Druckguss mit Vickers HV eingesetzt. Bei letzterem Prüfverfahren mit kleinem Prüfeindruck sind Oxid-verunreinigungen (Oxidhaut), Legierungsausscheidungen, Porosität und Lunker besondere Herausforderungen, die nur mittels guter Oberflächenvorbereitung und sorgfältiger Auswertung der Prüfeindrücke bewältigt werden können.
Messergebnisse aus dem eins zu eins Vergleich UCI und Brinell-Maschine. Links Ergebnisse mit der Laboreinstellung, Mitte Referenzwerte in HB, rechts nach Neuberechnung mit geänderten CAL-Daten für die Produktionsumgebung.
| SONODUR-R [HB (UCI)] Cal –8034 | Brinell Hardness [HB] | SONODUR-R [HB (UCI)] Cal –7950 |
|---|---|---|
| 121 | 120 | 126 |
| 124 | 121 | 129 |
| 111 | 117 | 116 |
| 110 | 120 | 115 |
| 115 | 126 | 120 |
| 114 | 118 | 119 |
| 115 | 124 | 120 |
| 110 | 118 | 115 |
| 111 | 121 | 116 |
| 103 | 113 | 107 |
Nicht nur deshalb ist die mobile Härteprüfung zusätzlich ein willkommenes Hilfsmittel, sondern auch wenn die Bauteilgröße und/ oder –form eine klassische Härteprüfung zu sehr erschwert. Die Rückprall-Härteprüfung nach Leeb produziert mit seiner WoC-Kugel einen linsenförmigen Prüfeindruck und ist an großen Bauteilen mit seiner eigens für Aluminium entwickelten Materialtabelle zur Berechnung der klassischen Härte in Brinell HB oder Rockwell HRB etabliert. Das UCI-Verfahren (Ultrasonic Contact Impedance) mit seinem Resonanz-Schwingstab und Vickers-Diamanten hat den großen Vorteil, auf nahezu allen Bauteilformen in jeder Richtung und auf metallischen Beschichtungen eingesetzt werden zu können. Eine kurze Darstellung der Leeb- und UCI-Verfahren im Vergleich findet man in [1], jedoch war das UCI-Verfahren für Aluminium in der Vergangenheit kaum gefragt, da Umwertungen aus der berechneten Vickershärte in HB und HRB erst mit der Implementierung der Materialtabellen für Aluminium aus der DIN EN ISO 18625:2014 (F4, F5) und ASTM-E140-12B(2019)e1 (T9) in das SonoDur-Gerät möglich wurden (seit 2011). Andere Geräte hatten bis dato allenfalls nur dieTabelle 1 (Stahl, ehemals DIN 50150), bei denen die Aluminium-Härtewerte selbst durch Justierung nicht angezeigt werden konnten, wenn die Härte unterhalb 76 HB war (niedrigste Umwertung für Stahl in Tabelle 1 bzw. A1, DIN EN ISO 18265). Im Folgenden wird die Anwendung der UCI-Methode (Ultrasonic Contact Impedance) auf komplex geformten Bauteilen erläutert, die mit dem automatisierbaren SonoDur R direkt in der Line eingesetzt werden sollte. SonoDur R ist ein Systemgerät mit USB und vollisoliertem, digitalem I/O-Interface mit vielfältigen Programmier- und Steuerungsmöglichkeiten, das in die Produktionslinie integriert werden kann. Dafür können die vollständig digitalen Stift- und Motor-Mess-Sonden sowie Stativ-Sonden aus dem Sonodur3 Programm direkt verwendet werden. Abb. 1 zeigt das Instrument und drei mögliche Sonden-Konfigurationen (von links Stiftsonden, Motor-Mess-Sonden, Stativsonde SO-NO-S mit Belastungskopf für optimale axiale Führung). Die Einbausituation beim Kunden unterlag der Geheimhaltung.
SONODUR R, Systemgerät für die automatisierte Serienprüfung von Bauteilen mit den drei Standard-Sondentypen Stiftsonde (HV 1 bis HV 10 (UCI)), Motor-Mess-Sonde (HV 0,1 bis HV 0,9 (UCI) und mobiles Stativ SONO-S mit Belastungskopf für eine geführte Messung (HV 1 bis HV 10 (UCI)), von links nach rechts).
Prüfung von Aluminium Komponenten für Achsaufhängungen
Für Achsaufhängungen wie Achsschenkel und Querlenker werden hochfeste, leichte Aluminiumlegierungen mit entsprechender Wärmebehandlung verwendet. Zur Validierung des Verfahrens wurden Prüfstücke wie in Abb. 2 in einem Stativ mit SonoDur3 gemessen. Hier ist es der Werkstoff 3.2315 (EN AW 6082; AlSi1MgMn) aus der Gruppe der aushärtbaren Aluminium-Magnesium-Silizium Knetlegierungen. Auf dem gezeigten Prüfstück hatte der Kunde drei Brinell-Prüfeindrücke platziert. Abb. 2 zeigt die Aluminium-Probe mit den drei Prüfeindrücken des Kunden im kugelgestrahlten Teil mit den Messwerten 107 HB 10/1000 und 108 HB 10/1000 und im gefrästen Sektor mit dem Ergebnis der Brinell-Messung von 109 HB 10/1000. Daraus lässt sich anhand der Kundendaten ein mittleres Ergebnis von 108 +-1 HB 10/1000 ableiten. Die Prüfbedingungen waren für eine Vickers Härteprüfung ohne umfassende Reinigung der Oberfläche unzulässig. Für die schnelle automatisierte Härteprüfung sollte die Messung an Oberflächen jedoch im Produktionszustand erfolgen. Dabei sollte mittels einer UCI-Sonde mit der höchsten möglichen Prüfkraft HV10 (UCI) die Wirkung auf die Reproduzierbarkeit der Messung und der Gerätejustierung bei unterschiedlichen Oberflächenzuständen getestet werden. Im Gegensatz zur optischen Bewertung der Diagonalenlängen des Prüfeindrucks wird die Kontaktfläche beim Eindringen des Diamanten ins Material in Form einer Frequenzänderung der Resonanzschwingung des Schwingstabes erfasst und ausgewertet [2]. Auf Aluminiumlegierungen mit E-Modul ca. 70 GPa hat sich eine Justierzahl CAL = –8350 für alle Sono-Dur UCI-Sonden bewährt, wobei hiermit die geringere Frequenzverschiebung gegenüber Stahl (E-Modul ca. 210 GPa, CAL = 0) für die vom E-Modul beeinflusste Härteberechnung im Wesentlichen kompensiert wird. Referenzskala ist in diesem Fall wieder Vickers [2]. Die CAL-Zahl ist Ergebnis einer mathematischen Berechnung zur Verschiebung der originalen Justierkurve ermittelt beim Herstellungsprozess im Labor. Die Justiereinstellung für Aluminium konnte im Falle dieses Prüfteils so nicht übernommen werden, obwohl der E-Modul der Aluminium-Legierung bei ca. 70 GPa liegt. Da Oberflächeneinflüsse ebenso eine Rolle spielen wie die verwendete Umwertungstabelle nach ASTM E140 (siehe weiter unten), musste ein alternatives Setting ermittelt werden. Aufgrund der Vorgaben wurde auf eine Bearbeitung der Oberfläche verzichtet. Die Beschaffenheit der Oberfläche trägt zur Härteanzeige und zu den Toleranzen der einzelnen Prüfergebnisse einer Messreihe bei und damit zur möglichen Justiereinstellung des Prüfsystems.
Die Oberfläche in der sandgestrahlten Region ist nicht flach (Abb. 2), sondern von der Mitte aus seitlich abfallend gekrümmt. Aus diesem Grund sind die dort gesetzten Brinell-Eindrücke auf der gestrahlten Oberfläche beispielsweise nicht ganz rund. Auch die originalen SonoDur-Eindrücke sind zu sehen. Hierbei wurde darauf geachtet, dass die Prüfrichtung möglichst senkrecht zur Bauteiloberfläche ist, da sonst Querkräfte zur Anzeige eines zu niedrigen Härtewertes führen könnten. Der Toleranzwinkel zur Senkrechten beträgt gemäß UCI-Norm DIN 50159-1:2022-6, ca. 5°. Gleichartig wiederkehrende Beeinflussungen des Mess-Signals durch die Sonden-Aufhängung und Sonden-Führung können durch Justiereinstellung am Gerät weitestgehend kompensiert werden. Somit sollte man unbedingt darauf achten, dass die Prüfbedingungen hier möglichst gleichbleibend sind. Zur Umwertung von Härtewerten nach DIN EN ISO 16825 und ASTM E140 finden sich Bemerkungen weiter unten.
Versuchsmuster zur Validierung des UCI-Verfahrens mit Stiftsonde SONO-100H (HV 10 (UCI)) im Stativ, Brinell-Eindrücke HB 10/1000 nach Sandstrahlen (von links) und nach Fräsen (rechts).
Brinell-Eindruck nach Sandstrahlen, benachbarte UCI-Prüfeindrücke, Vergrößerung exemplarisch mit einfacher Lupe
Brinell-Eindruck nach Fräsen, benachbarte UCI-Prüfeindrücke.
Abb. 3 und 4 zeigen nun vergrößerte Darstellungen der Brinell-Eindrücke in der gefrästen und in der gestrahlten Oberfläche. Das Vergrößerungsmaß wurde mit der einfachen Lupe nicht ermittelt, jedoch zeigte sich sehr eindrücklich, dass insbesondere die optische Auswertung des ausgefransten Brinell Prüfeindrucks in der gefrästen Fläche herausfordernd sein muss. Eine klassische Vickers Prüfung wäre unter diesen Bedingungen kaum denkbar. Es ist zu beachten, dass HV 10 (UCI) auf derartigen Oberflächen auch nur auf sehr weichem Material sinnvoll anwendbar ist. Im Stahlbereich muss man annehmen, dass oberhalb ca. 300 HV oder früher – je nach Oberflächenbearbeitung (Schruppen) – die Oberfläche angeschliffen werden muss. Die Kundenangaben zu den engen Toleranzen von im Mittel 108 ± 1 HB 10/1000 sollten nach dessen Vorstellung auch über die Anwendung der UCI-Prüftechnik erreicht werden. Die untere Grenze sollte im Produktionsbetrieb 110 HB 10/1000 sein. In den Experimenten wurden die Messpunkte u.a. auch in der Nähe der Brinell-Eindrücke platziert. Es wurden jeweils mindestens 5 Messungen gemacht und der Mittelwert gebildet. Die Ergebnisse der Messreihen wurden mit den Geräteeinstellungen HB (UCI), CAL = –8034; Umwertungstabelle ASTM E140, Tabelle T9, „Wrought Aluminium“; SONO-100H, HV 10 (UCI) erzielt, und zwar in der Reihenfolge: 1.) Justiermessung in der gefrästen Fläche 109+4-4, 2.) Wiederholungsprüfung 109+3-8 3.) Messung in der kugelgestrahlten Fläche links 110+7-8 und 4.) rechts 112+7-8 Es wurde für alle drei Prüfpunkte eine einheitliche Geräteeinstellung gewählt. Obwohl die Messungen im Mittel recht nahe an den Brinell-Messpunkten lagen, musste man feststellen, dass eine Toleranz von HB zu HB (UCI) ±1 HB völlig illusorisch war und man kam zu dem Schluss, dass stattdessen mit einer Toleranz von ca. ±10 HB (UCI) bei den Einzelmessungen gerechnet werden muss. Für eine möglichst signifikante Prüfaussage wurde nun ein Mittelwert aus ca. 3-5 Messungen pro Messpunkt vorgeschlagen. In einem ersten Schritt wurde SonoDur R mit SONO-100H HV 10 (UCI) vor Ort unter Produktionsbedingungen einem 1 : 1 Vergleichstest mit einer Brinell-Prüfmaschine unterzogen. Die Justierung wurde aus den Laborergebnissen zunächst übernommen. Dabei wurde die UCI-Sonde aus praktischen Gründen in der Prüfeinrichtung von unten an das zu prüfende Bauteil herangeführt, nachdem dieses unter normalen Bedingungen mit Brinell-Maschine in HB gemessen worden war. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle 1 in Einheiten HB (UCI) und HB 10/1000:
Vergleich HB über HV für Tabellen F4 (T9, ASTM E 140, Ausschnitt aus dem Wertebereich für HB/HV 40/44 und 160/189) und F5 (DIN EN ISO 18265 : 2014, HB/HV 58,9/62 und 199,5/210).
Rockwell HRB über HV für F4 (HRB/HV 28/70 und 91/189) und F5 (HRB/HV 31,9/80 und 95,7/210).
Hier liegen die einzelnen Messergebisse in einer Bandbreite von im Mittel ca. ± 3 HB (UCI) bzw. bis zu ca. –10 HB (UCI) und + 3 HB (UCI) unterhalb/oberhalb der Brinell-Maschine, wofür eine leichte Anhebung der Justierkurve empfohlen worden ist (CAL = –7950 mit ±2 HB (UCI) und ca. –6 HB (UCI) bzw. +8 HB (UCI) absolute Abweichung von der Brinell-Maschine). Diese neue Justiereinstellung gilt ausschließlich für die vorgefundene Prüfsituation in Einheiten HB (UCI). Aufgrund der gewonnen Erfahrungen konnten Ausreißer durch Treffen von Poren oder anderen Ungänzen besser quantifiziert werden. Kaltverschweißungen von Aluminium-Abrieb mit dem Vickers-Diamanten konnten auf diese Weise ebenso erkannt werden und durch regelmäßiges Reinigen der Diamantoberfläche weitestgehend vermieden bzw. behoben werden. Nach der Einfahrphase wurde beim Kunden eine weitere Prüfeinrichtung mit SonoDur R installiert.
Zur Problematik in der Nutzung der Umwertungstabellen nach ASTM E140-12B(2019)e1 und DIN EN ISO 18265:2014
Die Umwertungstabellen ASTM E 140 und DIN EN ISO 18265 sind das Ergebnis intensiver internationaler Normungsarbeit für die Zuordnung der Härteskalen und Zugfestigkeit untereinander im Bereich der stationären Härteprüfung. Die Problematik der Umwertungen wurde schon intensiv beleuchtet (z. B. in DIN EN ISO 18265). Materialtabellen wurden entwickelt sowie aus anderen Normentexten übernommen. Für Aluminiumlegierungen stehen auf diese Weise dem Anwender in DIN EN ISO 18265 zwei Materialtabellen zur Verfügung, die aus unterschiedlichen Bereichen stammen. Die Tabelle F4 stammt aus ASTM E140, Tabelle T9 und F5 aus BS 860:1967, Tabelle 1. Bei allen SonoDur-Sonden bildet die Vickers-Skala die erste Referenz (Justierung auf Vickers Härtevergleichsplatten aus Stahl beim Sondenbau, [2]), von der aus mittels Tabellenwerken die anderen Einheiten abgeleitet werden. Zur Kompensation des E-Modul-Einflusses wird das Konzept der punktuellen Justierung über eine CAL-Zahl angewandt. Dies erlaubt eine sehr genaue Einstellung der Geräteanzeige auf das Ergebnis einer stationären Maschine im direkten Vergleich, was generell unter Berücksichtigung der vielfältigen Oberflächenzustände durch Wärmebehandlung immer zu empfehlen ist. Im Falle von Tabelle F4 (T9) und F5 führt dies zu Konflikten, da die klassischen Zuordnungen von Vickers in die gängigen Skalen HB, HRB sich stark unterscheiden.
Insbesondere HB über HV zeigt deutliche Unterschiede zwischen den beiden Normen, wobei die Geraden mit steigender Härte immer stärker auseinander driften, Abb. 5. Wird nun eine Justiermessung in HV-Einheiten ausgeführt z. B. auf einer Aluminium Vickers-Härtevergleichsplatte, funktioniert die Umwertung in HB für die beiden Normen in keinem Fall. Betrachtet man das Verhältnis aus HB/HV steht 0,95 in F5 und < 0,85 in F4 am jeweiligen Skalenendpunkt. Die Zuordnungen im Bereich Rockwell HRB zu HV zeigen diesen Effekt nicht in diesem Maße, da beide Kurven quasi ineinander laufen, Abb. 6. Die in allen SonoDur Härteprüfgeräten standardmäßig hinterlegte Justierzahl CAL = –8350 liefert angenähert richtige Werte in HV-Einheiten und umgewertet in HB (UCI), HRB (UCI) nur für Tabelle F5 und E-Modul ca. 70 GPa. Wird also die Härteanzeige in Einheiten HB nach ASTM E140 verlangt, sollte eine Justierung in HB (UCI) mit einer CAL-Zahl durch eine Brinell-Maschine als Referenz durchgeführt werden und danach keine Umwertung in z. B. HRB oder HV erfolgen. Die ermittelte Justierung lässt sich nicht auf F5 anwenden. Daher wird empfohlen, nach Möglichkeit das UCI-Verfahren auf Aluminium Werkstoffen immer mit F5 einzustellen.
Zusammenfassung
SONODUR R ist das Systemgerät für die schnelle automatisierte Serienprüfung mit einer Taktzeit von ca. 5 sec pro Messpunkt.UCI-Geräte der SONODUR Reihe lassen sich gut auf nahezu alle metallischen Werkstoffe justieren, die mit Ihrem E-Modul von Stahl abweichen. Durch die Implementierung von Materialtabellen aus den gängigen Normen ASTM E140-12B(2019)e1 und DIN EN ISO 18265:2014 können nun unterschiedlichste Härteskalen unter der Einhaltung von Randbedingungen sinnvoll abgebildet werden, wie im dargestellten Fall von Aluminium-Legierungen gezeigt wurde. Dies eröffnet die breite Anwendung des UCI-Verfahrens auf Aluminium-Werkstoffen unterschiedlichster Größen und Bauteilformen im Zusammenspiel mit der stationären Härteprüfung als Referenz-Skala und unter Beachtung der Anforderungen an Bauteillagerung und Oberflächenzustand. DIN EN ISO 18265 enthält mit F4 (ASTM E140, T9) und F5 zwei Materialtabellen, die im Bereich Brinell-Härte nicht miteinander harmonieren und daher Überlegungen zur Vereinheitlichung der Härteskalen in Zukunft zu empfehlen sind.
Institut Dr. Förster GmbH & Co. KG Reutlingen
Dr. Manfred Tietze
In Laisen 70
72766 Reutlingen
+49 7121 270654
Dr.Manfred.Tietze@t-online.de
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6 Vetters, H. Wälzelemente aus 100Cr6, bainitisch Umwandeln oder martensitisch Härten. HTM Zeitschrift Werkstatt, Wärmebehandlung, Fertigung. 2002, Bd. 57, 6, S.403-408.Suche in Google Scholar
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Simulation des Bainitisierens von Kaltarbeitsstahl
Dültgen, P.; Pelshenke, C.; Gittel, H.-J.
Die Grundkörper für Sägewerkzeuge, die mit Zähnen aus Hartmetall bestückt sind, bestehen heute wie vor 100 Jahren überwiegend aus kalt gewalzten, martensitisch vergüteten, unlegierten oder niedrig legierten Kaltarbeitsstählen mit meist 0,6 % bis 0,8 % Kohlenstoffgehalt. Im Laufe der Jahre wurden die Erschmelzung, Walzung und Wärmebehandlung dieser Materialien immer weiter perfektioniert, sodass für die meisten Anwendungen heute gut geeignete und preisgünstige Stahlbleche marktbreit verfügbar sind. An ihre Grenzen stoßen diese Materialien, wenn es darum geht, die Schnittbreiten weiter zu verringern oder das zu trennende Material höhere Festigkeiten aufweist wie z. B. vorvergüteter Stahl oder ausgehärtete Aluminiumlegierungen. Stammblätter bestehen aus vergüteten Kaltarbeitsstählen wie 75Cr1 oder 80CrV2 mit einer Härte von meist 42 bis 48 HRC. Im Einsatzzustand besteht deren Gefüge aus Perlit, Martensit und Restaustenit in schwankenden Anteilen. Durch die längere Erwärmung insbesondere bei großen Spanleistungen und geringen Schnittfugenbreiten verändert sich dieses Gefüge. Die einsetzende Umwandlung von Restaustenit in Martensit und von Martensit in Perlit ist mit Änderungen der spezifischen Volumina verbunden, die makroskopisch zu unkontrollierbaren Spannungen und Verformungen des Stammblatts führen können. Verformungen des Stammblatts führen dann zu unzulässigem Schnittverlauf und im späteren Stadium zu seitlichem Schleifen des Stammblatts mit dem Werkstück, was einen sofortigen Ausfall des Werkzeugs zur Folge haben kann. Eine wirtschaftlich sinnvolle Weiterentwicklung der Stammblattmaterialien ist die Nutzung bainitisierter Kaltarbeitsstähle, die im Rahmen eines Forschungsvorhabens der Industriellen Gemeinschaftsforschung untersucht wurde.
![Abb. 1 Isothermisches ZTU-Schaubild des Stahl 51CrV4, dessen Verhalten dem der Kaltarbeitsstähle ähnlich ist [1])](/document/doi/10.1515/htm-2022-8016/asset/graphic/j_htm-2022-8016_fig_022.jpg)
Isothermisches ZTU-Schaubild des Stahl 51CrV4, dessen Verhalten dem der Kaltarbeitsstähle ähnlich ist [1])
Bainit oder Zwischenstufengefüge nimmt eine Zwischenstellung zwischen dem martensitisch gehärteten und dem perlitischen Gefüge von Stählen ein. Erzeugt wird es durch ein sehr schnelles Abkühlen von Härtetemperatur auf eine Temperatur, die nur wenig über der Martensitstarttemperatur liegt. Auf dieser Temperatur wird der Stahl für Minuten bis Stunden gehalten, um eine möglichst vollständige Umwandlung in Bainit zu erzielen, wie in Abbildung 1 deutlich wird.
Einen guten Überblick über Bainit gibt [2]. Gezeigt wird, dass Bainit seine besonderen Eigenschaften einem nanokristallinen Gefüge aus Ferrit und Zementit verdankt, wie in Abbildung 2 zu erkennen ist. Dabei ist der obere Bainit durch Ferrit/Zementit + Restaustenit gekennzeichnet, während der untere Bainit aus Ferrit mit winzigen Zementitausscheidungen und Zementit besteht.
![Abb. 2 Die Eigenschaften von Bainit beruhen nicht wie bei Martensit auf einer Gitterverzerrung durch zwangsgelösten Kohlenstoff, sondern auf einer ultrafeinen Ausscheidungshärtung mit Zementit in Ferrit. Bildquelle: [3]](/document/doi/10.1515/htm-2022-8016/asset/graphic/j_htm-2022-8016_fig_023.jpg)
Die Eigenschaften von Bainit beruhen nicht wie bei Martensit auf einer Gitterverzerrung durch zwangsgelösten Kohlenstoff, sondern auf einer ultrafeinen Ausscheidungshärtung mit Zementit in Ferrit. Bildquelle: [3]
Aus der Literatur sind seit den siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts eine Reihe erfolgreicher Anwendungen dieses Wärmebehandlungszustands bekannt. Bainit zeichnet sich im Vergleich zu einem martensitischen Material gleicher Härte durch ein größeres Formänderungsvermögen, eine höhere Dehngrenze, ein günstigeres Verschleiß- und Schwingfestigkeitsverhalten sowie niedrigere Eigenspannungen und zusätzlich Druckeigenspannungen im Randbereich aus [1]. Die bekannteste Anwendung dürften hochfeste Drähte darstellen, die insbesondere bei der Stahlseilherstellung Anwendung finden. Die Verfahrensvariante dazu nennt sich Patentieren und erzeugt Drähte, die nach einem nachfolgenden Ziehen Festigkeiten bis 3.600 N/mm2aufweisen können. Seit den siebziger Jahren wurde das Bainitisieren des Kugellagerstahls 100Cr6 intensiv untersucht [4, 5, 6, 7]. Heutige Hochleistungskugellager bestehen überwiegend aus bainitisierten Ringen.
Keine dieser erfolgreichen Anwendungen befasst sich jedoch mit Blechen und Bändern. Zwar werden von einigen wenigen Kaltwalzwerken Bleche in bainitisierter Wärmebehandlung angeboten, aber diese werden nur in geringen Mengen und nur mit Eigenschaften, die für Werkzeuggrundkörper ungeeignet sind (oberer Bainit, niedrige Härte und Festigkeit), gefertigt. Die Verwendung erfolgt vorwiegend als Abstreifblech bzw. Rakel in Druckwerken [8].
Austenitkorngröße in Abhängigkeit von der Haltezeit für einen C67S, berechnet mit JMatPro, Kurvenbeschriftungen in °C
ZTU-Diagramm für einen 80CrV2, berechnet mit JMatPro und der schematischen Darstellung der drei getesteten Bainitisierungsabläufe, real genutzt wurde ein Ablauf zwischen der zweiten und dritten Kurve von links
Problematisch bei der Wärmebehandlung von niedriglegierten Kaltarbeitsstählen ist das weitgehende Fehlen von verlässlichen ZTU-Diagrammen [9]. Deshalb wurde die Entscheidung getroffen, die Software JMat-Pro einzusetzen und zur Simulation der Wärmebehandlungstechnologie und der erzeugten Gefüge zu nutzen. Sie simuliert den Verlauf der Umwandlung von stabilen und metastabilen Phasen bei steigender und sinkender Temperatur und errechnet die voraussichtliche Zusammensetzung des Gefüges und dessen Eigenschaften. Zum Erzielen der höchstmöglichen Festigkeit ist ein unterer Bainit anzustreben, für den das Warmbad um 30 bis 50 K über der Martensitstarttemperatur MS eingestellt wird. Bei Stählen mit einer Zusammensetzung im Bereich des Kohlenstoff-Eutektoids bei 0,8 % C ist in Abhängigkeit von der realen Legierungszusammensetzung und der Austenitisierungstemperatur mit Schwankungen zu rechnen. Für den Stahl C75S wird bei 810 °C Austenitisierungstemperatur MS mit 240 °C angegeben, während sie bei 860 °C Austenitisierungstemperatur nur bei 210 °C liegt. Für den etwas höher legierten D6A-Stahl beträgt MS bei 880 °C Austenitisierungstemperatur sogar nur 190 °C. Im Widerspruch dazu stehen Angaben, die MS für 75Cr1 mit 800 °C Austenitisierungstemperatur bei 270 °C angeben, obwohl sie durch den Chromgehalt im Vergleich zum C75S eher niedriger liegen sollte. Für 80CrV2 fehlen die ZTU-Diagramme komplett.
Das zweite Problem bestand in dem wirtschaftlichen Erfordernis, die dünnen bainitisierten Bleche im Durchlauf herzustellen und damit die zur Bainitumwandlung zur Verfügung stehende Zeit stark zu beschränken. Unter Zugrundelegung der Abmessungen des zur Verfügung stehenden Durchlaufofens standen für die Bainitisierung maximal zwischen 350 und 800 s zur Verfügung. Damit steht die Dynamik der Aufheiz- und Abkühlprozesse im Fokus. Ist die Haltezeit der Bainitisierung zu kurz, entsteht beim finalen Abkühlen Martensit. In der Literatur wird ein geringer Martensitanteil als nicht schädlich angesehen [2]. Im Gegenteil ist er in der Lage, Härte, Festigkeit und Zähigkeit des Kristallgemischs zu erhöhen.
Zunächst wurde die Software mit bekannten Parametern und Ergebnissen validiert. Die Ergebnisse waren ermutigend und zeigten mit geringen Abweichungen die Gefügezusammensetzung und Eigenschaften nach der realen Wärmebehandlung. Danach wurde mit dem Entwurf der Wärmebehandlungstechnologie begonnen. Im ersten Schritt wurde das Austenitkornwachstum in Abhängigkeit von Temperatur und Haltezeit simuliert (Abbildung 3). Die Verweildauer des Bandes im Austenitisierungsofen beträgt etwa zwei Drittel der Bainitisierungszeit. Wenn man als Haltezeit etwa 50 % davon ansetzt, liegt diese bei ca. 2 bis 4,5 min.
Nach der Simulationsrechnung ist der Einfluss der unterschiedlichen Haltezeit auf die Austenitkorngröße in etwa so groß wie eine Temperaturänderung um 20 K. In dem beabsichtigten Temperaturbereich von 780 bis 820 °C werden Austenitkorngrößen von 8 bis 11 μm erwartet. Das Metallbad sollte das Band auf eine Temperatur etwa 30 bis 50 K oberhalb Ms abkühlen und wurde deshalb auf 270 bis 295 °C festgelegt. Es wurde in Erwägung gezogen, die folgende Bainitisierungsstrecke mit 300 °C zu fahren, jedoch ist JMatPro nicht geeignet, im Abkühlprozess Temperaturerhöhungen zu berücksichtigen. Die Bainitisierung erfolgte also bei den gleichen Temperaturen wie das Metallbad. Dabei kristallisierte sich heraus, dass sich in der zur Verfügung stehenden Bainitisierungszeit kein homogener Bainit erzeugen lässt, sondern ein Martensitanteil unvermeidlich ist. (Abbildung 4) Zur besseren Vergleichbarkeit der Technologie – Eigenschaft – Beziehungen wurden die Technologien so angepasst, dass einheitlich um 20 % Martensit entstehen sollten.
Im ersten Wärmebehandlungstest zeigte sich, dass die berechneten und real erzielten Materialeigenschaften eng beieinander lagen. Die Härte des Bandes lag mit ca. 56/57 HRC etwas über dem erwarteten Wert, sodass die Austenitisierungs- und die Warmbadtemperatur auf 800 bzw. 300 °C leicht nach oben angepasst wurden. Danach stellte sich die Härte bei 54/55 HRC ein. Unter Berücksichtigung der Anwesenheit tetragonal verzerrten Martensits entsprach das den geplanten Werten vor einer Anlassbehandlung. Die Erprobung verschiedener Durchlaufgeschwindigkeiten zeigte,dass bei Austenitisierungszeiten unterhalb von ca. 5 min keine vollständige Austenitisierung erreicht werden konnte und die Härte unter 25 HRC abfiel. Die Bandgeschwindigkeit wurde mit diesen Erkenntnissen so festgelegt, dass die Austenitisierungszeit bei ca. 6 min und die Bainitisierungszeit bei etwa 10 min lag. Mit diesen Parametern wurde ein gleichmäßiges und ebenes Band erzeugt (Abbildung 5).
Die Ergebnisse der ersten Werkstoffprüfung sind in Tabelle 1 dargestellt.
bainitisiertes Band unmittelbar nach dem Durchlaufofen, das Band ist gleichmäßig und weitgehend eben
Gefüge des bainitisierten 80CrV2 nach der Bainitisierung, mechanisch präpariert und mit Nital geätzt, 1.000 : 1
Damit lag das Band sehr nahe an den Zielwerten. Auch das Gefüge zeigte das erwartete Bild.
Als schwierig erwies sich die Identifizierung von Gefügebestandteilen. Die gewünschte Feinkörnigkeit macht eine Ansprache einzelner Bestandteile unter dem Lichtmikroskop praktisch unmöglich. (Abbildung 6) Auch mit dem Rasterelektronenmikroskop ist es schwierig, an mechanisch präparierten und mit Nital geätzte Proben die Gefügebestandteile sicher zu identifizieren. Erst die nachträgliche Entwicklung eines Präparationsverfahrens mit elektrolytischem Polieren zeigte die unterschiedlichen Charakteristiken. Zunächst wurde davon ausgegangen, dass das Gefüge frei von Restaustenit ist. Deshalb wurde zum Entspannen des tetragonalen Martensits eine Anlassbehandlung in der ersten Anlassstufe bei 200 °C vorgenommen. Nach dem Anlassen zeigte das Material starken Verzug, der durch Biegezugrichten so weit beseitigt werden konnte, dass aus dem Material Sägeblätter gefertigt werden konnten. Die sonstigen Materialeigenschaften entsprachen weitgehend den Zielwerten.
Als Ursache der Verformung wurde „versteckter“ Restaustenit vermutet. Eine Röntgendiffraktometrieanalyse (XRD) konnte dafür keinen Beleg liefern, jedoch auch nicht ausschließen, dass ein Restaustenitanteil unter 5 % bestand. Verschiedene getestete Kombinationsätzungen konnten auch keinen sicheren Nachweis erbringen, da das Oberflächenprofil tiefer wurde und sich die Lage der Flächen optisch nicht mehr unterscheiden ließ. Zielführender war eine kalorimetrische Analyse (DSC) (Abbildung 7).
Ergebnis der kalorimetrischen Untersuchung von 4 Proben aus bainitisiertem 80CrV2, bei der zweiten Anlassstufe (ca. 300 °C) deutet sich der exotherme Zerfall eines Gefügebestandteils an, der trotz leichter Streuung der Proben als signifikant betrachtet werden kann
REM-Aufnahme eines elektrolytisch polierten und geätzten bainitischen 80CrV2 mit geringem Anteil Restaustenit
Mit einer deutlichen Abweichung der Kurven in den exothermen Bereich deutet sich bei etwa 300 °C – also der zweiten Anlassstufe – ein Zerfall von Restaustenit an. Den finalen Nachweis brachte eine Umstellung des Präparationsverfahrens. Durch elektrolytisches Polieren konnten Proben mit geringer Profiltiefe und gutem Kontrast erzeugt werden, die eine morphologische Unterscheidung der Gefügebestandteile im Rasterelektronenmikroskop möglich machte und durch eine Mikrohärteuntersuchung Bestätigung fand. (Abbildung 8) Bemerkenswert sind die geringen Abmessungen der Zementitausscheidungen im Bainit, welche die Verhältnisse in Abbildung 2 bestätigen.
Materialeigenschaften unmittelbar nach der Bainitisierung
| Position | Rp0.2 [MPa] | Rm [MPa] | A [%] | Ag [%] | HV | 30/HRC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Anfang | 1.478 | 1.846 | 3,0 | 2,5 | 570 | /53,5 |
| Ende | 1.557 | 1.740 | 2,9 | 2,5 | 541 | /51,9 |
Ergebnisse der Härteprüfung nach dem Anlassen (nach DIN EN ISO 6508-1)
| Prüflage | Rand | Mitte | Rand | Mittelwert |
|---|---|---|---|---|
| Bandmitte | 54 HRC | 52 HRC | 53 HRC | 53 HRC |
| Rand | 51 HRC | 50 HRC | 51 HRC | 51 HRC |
Festigkeitswerte nach dem Anlassen (Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1)
| Prüflage | Rp0,2 | Rm | A80 (Handmessung) |
|---|---|---|---|
| Bandmitte | 1.615 Mpa | 1.862 Mpa | 4,60% |
| Rand | 1.580 Mpa | 1.755 Mpa | 4,30% |
Zusammenfassung
Die Software JMatPro (Matplus, Wuppertal) ist sehr gut geeignet, ZTU-Diagramme auch für kritische Stahlsorten in Abhängigkeit vor Parametern der Austenitisierung zu berechnen. Komplexe Abkühlbedingungen, wie sie beim Bainitisieren benötigt werden, können ebenfalls mit hinreichender Genauigkeit modelliert und in brauchbare Vorhersagen der Materialeigenschaften umgesetzt werden. Abweichungen wurden im Auflösungsverhalten von Primärkarbiden und in der Indikation von Restaustenitanteilen gefunden. Bei der Auslegung von Abkühlungsprozessen ist es nicht möglich, zeitweilig steigende Temperaturen abzubilden. Das und die Trägheitswirkung von großen Bauteilvolumina muss auf anderen Wegen berücksichtigt werden. Aufgefallen ist, dass es generell nur wenige verlässliche Angaben über Abkühlgeschwindigkeiten in verschiedenen Abkühlmedien gibt, sodass auch hier Unschärfen in die Simulationsergebnisse eingetragen werden. Tendenziell sind die von Material- und Anlagenherstellern angegebenen Werte (z. B. Abkühlgeschwindigkeiten bei Start-Temperatur) zu hoch bzw. gelten nicht für größere Temperaturbereiche, da die Abkühlung nicht linear verläuft und ein fester Wert für die Abkühlgeschwindigkeit somit auch nicht für die
nicht linear sinkenden Temperaturen gelten.
Literaturverzeichnis
FGW Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. Papenberger Str. 49 42859 Remscheid Tel.: +49 2191 59210 gittel@fgw.de www.fgw.de
EndoFlex S– ein Endogasgenerator
Der neue EndoFlex S setzt nach Angaben von Nitrex neue Maßstäbe im Bereich der Erzeugung von endothermem Schutzgas und liefert kosteneffizient qualitativ hochwertiges Endogas in bedarfsgerechter Menge ohne Überproduktion oder Verschwendung von Ressourcen.
Der EndoFlex S ist das neueste Modell in der Nitrex-EndoFlex-Reihe der endothermen Gasgeneratoren. Er wurde mit Blick auf Wartungsfreundlichkeit, Sicherheit und Effizienz entwickelt und bietet dieselben Leistungsvorteile wie das Modell L, ist jedoch die praktischere Wahl für eine kosteneffiziente und nachhaltige Erzeugung von endothermem Gas in kleinen Mengen.
Der EndoFlex wird in der Regel für Glüh- und Aufkohlungsanlagen verwendet. Er steht für technische Innovationen bei Verfahren und Design und sorgt somit für ein bedarfsgerecht dosiertes Gasgemisch höchster Qualität für entsprechende Wärmebehandlungsprozesse. Eine Vielzahl von Hardware- und Softwarefunktionen sorgen dank der Sensoren, die die häufigsten Probleme bei der Gaserzeugung diagnostizieren können, bevor sie problematisch werden, für eine Verbesserung der Gasreaktionseffizienz.
Der EndoFlex S ist mit der patentierten EndoInjector Verhältnis-/ Mengenregelung und mit der hocheffizienten ReactionCore-Technologie ausgestattet. Damit lassen sich die Betriebs- und Wartungskosten im Zusammenhang mit der Erzeugung von hochwertigem, bedarfsgerecht dosiertem endothermischem Gas für Wärmebehandlungsanlagen senken. Der Generator ist zudem mit den neuesten Sensoren zur Überwachung von Taupunkt, nicht umgesetztem Methan und Energieverbrauch ausgestattet.
Beim revolutionären Generatordesign der ReactionCore-Technologie wird eine einzelne große Retorte durch mehrere kleinere Schleuderguß-Retorten ersetzt. Dank dieser Lösung mit ökologisch neuem Design wird die nutzbare Oberfläche vergrößert, die Heizeffizienz der Reaktionskammer verbessert und die für die Erzeugung von endothermem Gas erforderliche Heizenergie reduziert. Zudem werden durch den Einsatz mehrerer kleiner Retorten die Auswirkungen von Ausfällen gemindert und die Zuverlässigkeit sowie Verfügbarkeit des EndoFlex verbessert. Somit gibt es keine Single Point of Failure und der Generator ist seltener wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb. Wenn eine Retorte ausfällt, bleiben die beiden anderen Retorten voll funktionsfähig.
Zusammenfassung
• Geringere Betriebskosten ohne Überproduktion oder Ressourcenverschwendung.
• Die automatische Verhältnis-/Mengenregelung macht manuelle Eingriffe überflüssig.
• Das Design mit mehreren Retorten reduziert die Kosten und ermöglicht einen schnellen Austausch von Komponenten.
• optionale Methansensoren machen den Retortenausbrand planbar;
• Die Filterwechselanzeige verbessert die Systemeffizienz und die Betriebszeit.
• Die integrierte Software ermöglicht eine einfache Planung, Wartung und papierlose Datenerfassung.
• EndoFlex kann sowohl mit Erdgas als auch mit Propan betrieben werden; das flexible Design erleichtert eine spätere Umstellung.
NITREX 3474 Poirier Blvd Saint-Laurent QC H4R 2J5 Canada Tel.: +1 514 335 7191 paul.gofas@nitrex.com www.nitrex.com
Inserentenverzeichnis
Advanced Energy Industries, Inc. A44
Aichelin Holding GmbH A2
ATM Qness GmbH A31
BURGDORF GmbH & Co. KG A1, A3
Econox SA A43
Friedr. Lohmann GmbH A33
Härtha – Weissenburg GmbH A49
Industrieofen- und Härtereizubehör GmbH A37
Institut Dr. Förster A55
Ipsen International GmbH A58
IVA Schmetz GmbH A35
Mitutoyo Deutschland GmbH A51
OPTRIS GmbH A53
PVA Industrial Vacuum Systems GmbH A39
Stiefelmayer-Lasertechnik GmbH & Co. KG A45
TAV Vacuum Furnaces SPA A47
Wickert Maschinenbau GmbH A57
WS Wärmeprozesstechnik GmbH A41
Virtuelles Werkstoffexpertensystem
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden wollen gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Wirtschaft den „Digitalen Wandel in der Werkstoffprüfung“ (Projekt DIWan) gestalten. DiWan vereint neueste Erkenntnisse aus wissenschaftlichen Aufsätzen und die Standards in der Werkstoffprüfung mit dem Praxiswissen von Erfahrungsträgern. Der digitale Assisent soll das Arbeiten in den Werkstoff- und Metallographielaboren auf eine neue Stufe stellen.
Unter Federführung des Fraunhofer IWS sollen ein elektronisches Laborbuch und eine Wissensdatenbank erarbeitet und ein digitales Labormanagement in das neue System integriert werden. Aus diesen Komponenten entsteht schließlich der virtuelle Werkstoffexperte, der dann die Informationen durchgängig zur Verfügung stellt. Dazu gehören beispielsweise Daten über Festigkeiten und Härten oder das Korrosionsverhalten und die Verarbeitbarkeit von Werkstoffen. Es fließt darüber hinaus Know-how über die in den Labors verwendeten Präparations- und Prüfmethoden ein.
Eine zentrale Rolle spielt die Ontologie der Werkstoffwissenschaft: ein Begriffsnetzwerk, das dabei über eine bloße Verwaltung von Daten hinausgeht, indem es auch deren Beziehungen untereinander beschreibt. In der Perspektive können solche digitalen Expertensysteme die Qualität und das Tempo von Werkstoffuntersuchungen verbessern. Auch ist nicht ausgeschlossen, dass DiWan neue Querverbindungen aus bisher verstreuten Wissensquellen herstellt, die für den einzelnen Werkstoffprüfer kaum überschaubar sind. Nicht zuletzt unterstützt der virtuelle Experte Wissenskonzepte in Wissenschaft und Wirtschaft. Denn selbst wenn ein Erfahrungsträger ein Unternehmen verlässt, geht künftig dessen Expertise dank DiWan nicht verloren.
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Prof. Dr. Martina Zimmermann Winterbergstr. 28 01277 Dresden Tel.: +49 351 83391-3573 martina.zimmermann@iws.fraunhofer.de www.iws.fraunhofer.de
Primetals modernisiert Leitsystem bei voestalpine
Im Juni dieses Jahres hat die voestalpine Stahl GmbH den ersten Teil des komplett modernisierten Leitsystems von Primetals Technologies im Stahlwerk LD 3 in Linz in Betrieb genommen.
Die erste Phase des Modernisierungsprojekts umfasste die Steuerungen der drei Konverterlinien sowie den übergeordneten Konverterbetrieb. Die Hochrüstung der Steuerungen von der Sekundärmetallurgie, der Brammenbehandlungen und des Entstaubungsaggregats folgt in weiteren Phasen, die Ende des Jahres abgeschlossen sein sollen. Bevor eine neue Steuerung in Betrieb geht, wird ein Systemtest mittels eines „Digital Twins“ durchgeführt, der eine digitale Test- und Simulationsumgebung mit allen Funktionen des Produktionssystems zur Verfügung stellt.
Das alte Leitsystem des Linzer Stahlwerks ist auf SIMATIC PCS-7 mit einer großen Anzahl an Softwarebibliotheken aufgebaut. Diese Prozesssteuerung ist einer der größten PCS-7-Installationen weltweit. Primetals übernimmt im Rahmen der Aktualisierung des gesamten Leitsystems die bestehenden Bibliotheken. Damit können in allen Aggregaten umfangreiche Tests wichtiger Funktionen eingespart und lange Anlagenstillstände vermieden werden.
Die Aktualisierung bringt das in die Jahre gekommene Leitsystem auf den neuesten Stand. Die neue Prozesstechnik sichert die Verfügbarkeit von elektronischen Ersatzteilen, verbessert die Betriebssicherheit der Steuerungen und sichert langfristig die Kompatibilität mit neuester Hard- und Software. Während des gesamten Projekts wird durch eine detaillierte Dokumentation sichergestellt, dass bestehende TÜV-Zertifikate des Leitsystems auch nach der Umstellung gültig sind.
Primetals Ltd. 566 Chiswick High Road Building 11, Chiswick Park W4 5YA London Tel.: +44 2089964300 contact@primetals.com www.primetals.com
© 2022 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany
Artikel in diesem Heft
- Contents / Inhalt
- Challenges of Numerical Simulation Models for Induction Surface Hardening of Large Bearing Rings
- Rapid Screening of the Mechanical Properties of 13 wt%Cr Steels with Uncharted Combinations of C and N Contents
- Influences on Quantitative Nitriding Layer Thickness Measurements using Model-Based Photothermal Radiometry
- Influence of Plasma Power and Oxygen-Containing Process Gases in Active Screen Plasma Nitrocarburizing with Carbon Solid Source*
- Impressum / Imprint
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- From and for Practice / Praxis-Informationen
- AWT-Info / HTM 05-2022
- HTM Praxis
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