Schalenhärtung mittels Hochgeschwindigkeits-Abschreckung* Teil 1
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F. Frerichs
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.
Abstract
The main goal of this work is finding general requirements of unalloyed steel grades to reach a sufficient surface hardness paired with a non core-hardened hardening profile. Next to these requirements, compressive residual stresses in the near surface area should be produced as high as possible. The experiments in this work were carried out by a device, which was especially developed for high speed quenching purposes. With that facility, high heat transfer coefficients were achievable. Based on the results of the experiments and by heat treatment simulations process areas could be detected in which the hardness requirements and compressive residual stress at the surface were received. In a final step, life-cycle of cylindrical shaped components and gearwheels were analysed. These investigations were carried out in cooperation with the Gear Research Center FZG at TU Munich and with the company Hilti. Selected results of tool design development by heat and fluid flow simulation, heat transfer determination, heat treatment simulation and service life determination will be presented.
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