Numerical Determination of Target Values and Process Parameters of Case Hardening, Taking into Account the Local Stress State of Failure-Relevant Construction Details
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Abstract
Through the thermochemical process of case hardening, the local material strength of steel components can be increased. In addition to the increase in stress due to the notch effect, the shape of construction details also has an effect on key component properties after case hardening, such as edge hardness and case hardening depth. The component-related specification of target values for case hardening is currently based on empirical values or expert knowledge. In addition, the effect of design details during case hardening is not taken into account when specifying process parameters in the control and regulation software of case hardening systems. This article presents a concept for the numerical determination of target values and process parameters for case hardening based on the stress state of the component. Compared to the empirically based determination of target values and process parameters for case hardening, the application of the concept makes it possible to adapt the case hardening of components to their stress in the failure range and thus significantly increase the energy and resource efficiency of case hardening.
Kurzfassung
Durch das thermochemische Verfahren Einsatzhärten kann die lokale Werkstofffestigkeit von Stahlbauteilen erhöht werden. Neben der Beanspruchungserhöhung infolge Kerbwirkung besitzt die Form von Konstruktionsdetails auch eine Wirkung auf wesentliche Bauteileigenschaften nach dem Einsatzhärten, wie Randhärte und Einsatzhärtungstiefe. Die bauteilbezogene Vorgabe von Zielgrößen des Einsatzhärtens erfolgt derzeit auf der Grundlage von Erfahrungswerten oder Expertenwissen. Darüber hinaus wird die Wirkung von Konstruktionsdetails beim Einsatzhärten innerhalb der Festlegung von Prozessparametern durch die Steuerungs- und Regelungssoftware von Anlagen zum Einsatzhärten nicht berücksichtigt. Im Beitrag wird ein Konzept zur numerischen Ermittlung von Zielgrößen und Prozessparametern des Einsatzhärtens auf der Grundlage des Beanspruchungszustandes des Bauteils vorgestellt. Im Vergleich zur empirisch basierten Festlegung von Zielgrößen und Prozessparametern für das Einsatzhärten ist es durch die Anwendung des Konzepts möglich, die Einsatzhärtung von Bauteilen auf deren Beanspruchung im versagensmaßgebenden Bereich abzustimmen und somit die Energie- und Ressourceneffizienz des Einsatzhärtens signifikant zu steigern.
* Lecture held at the HeatTreatingCongress HK2022, 11.–13. October 2022, Cologne
Funding information and acknowledgements
The IGF project “Increasing material and resource efficiency in case hardening through stress-controlled carbon and hardness profiles”, IGF project no. 51 EWBR, of FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, was funded via the AiF as part of the program for the promotion of joint industrial research (IGF) by the Federal Ministry of Economics and Climate Protection on the basis of a resolution of the German Bundestag. The project was carried out at the Materials Research and Testing Institute Weimar (MFPA Weimar). The authors are grateful for the financial support.
We would also like to thank the members of the project committee under the leadership of Dipl.-Ing. Rainer Salomon (FOSTA) for their technical support. In particular, we would like to thank the company Lech-Stahlwerke GmbH (Meitingen) for providing the semi-finished steel products and the company H+W Härte- und Werkstofftechnik GmbH (Eppingen) for carrying out the case hardening of the shaft samples.
Förderhinweis und Danksagung
Das IGF-Vorhaben „Steigerung der Werkstoff- und Ressourceneffizienz beim Einsatzhärten durch beanspruchungskontrollierte Kohlenstoff- und Härteprofile“, IGF-Projekt Nr. 51 EWBR, der FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde an der Materialforschungs- und -prüfanstalt Weimar (MFPA Weimar) durchgeführt. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung.
Weiterhin gilt unser Dank den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses unter der Leitung von Herrn Dipl.-Ing. Rainer Salomon (FOSTA) für die fachliche Unterstützung. Insbesondere gilt unser Dank der Firma Lech-Stahlwerke GmbH (Meitingen) für die Bereitstellung der Stahlhalbzeuge sowie der Firma H+W Härte- und Werkstofftechnik GmbH (Eppingen) für die Durchführung des Einsatzhärtens der Wellenproben.
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Dedication: We would like to dedicate this article to our esteemed colleague Dr.-Ing. Uwe Gerth, who sadly passed away far too early this year.
Dr. Gerth was a long-time colleague, a researcher with passion and a person with a warm and open character. This article covers many of his scientific interests and topics in the field of material and product qualification as well as the improvement of material and component properties through heat treatment processes.
We will honor his memory and never forget him as a colleague, researcher and friend.
Andreas Diemar, Tom Lahmer, Gerd Teichert, Carsten Könke
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Widmung: Diesen Artikel möchten wir unserem geschätzten Kollegen Dr.-Ing. Uwe Gerth widmen, der in diesem Jahr leider viel zu früh von uns gegangen ist.
Herr Dr. Gerth war ein langjähriger Kollege, ein Forscher mit Leidenschaft und ein Mensch mit einem herzlichen und offenen Charakter. Dieser Artikel deckt in vielen Punkten seine wissenschaftlichen Interessen und Themengebiete im Bereich der Material- und Produktqualifizierung sowie der Verbesserung von Werkstoff- und Bauteileigenschaften durch Wärmebehandlungsprozesse ab.
Wir werden sein Andenken ehren und ihn als Kollegen, Forscher und Freund nicht vergessen.
Andreas Diemar, Tom Lahmer, Gerd Teichert, Carsten Könke
References
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