Volume 59, Issue 4

Kurzfassung Das heißisostatische Pressen (HIP) hat das Beschichten von Bauteilen mit dicken Schichten möglich gemacht und findet in der Verschleißschutztechnologie bereits praktische Anwendung. Nach dem HIP-Vorgang werden die gewünschten Eigenschaften des Verbundbauteiles durch eine abgestimmte Wärmebehandlung eingestellt. Insbesondere das Abschrecken von Härtetemperatur stellt dabei eine nennenswerte Beanspruchung dar. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schicht- und Grundwerkstoff sowie große Temperaturdifferenzen zwischen Rand und Kern erzeugen thermische Spannungen. Diese werden durch Umwandlungsspannungen überlagert. Ziel der Untersuchungen ist die Vorhersage der Gefügeverteilung sowie des Spannungszustandes während des Abschreckvorgangs. Hierzu wird die Methode der Finiten Elemente verwendet. Simuliert werden Ringe mit aufgepanzerten Verschleißschutzschichten. Aufbauend auf ersten Ergebnissen sollen optimierte Parameter für die Wärmeführung in der industriellen Praxis erarbeitet werden, um rissfreie und spannungsarme Bauteile zu gewährleisten.

Kurzfassung Zur Bewertung von Vorgängen während einer industriellen Wärmebehandlung, bspw. der Warmbadhärtung von Wälzlagern, können Simulationsrechnungen wertvolle Hinweise liefern. Dazu sind zahlreiche Stoffwerte und Randbedingungen nötig, die in unterschiedlicher Güte in der Literatur vorliegen. In diesem Artikel wird der Einfluss von Stoffwerten und Randbedingungen auf die Simulation der Spannungsentwicklung und des Verzugsverhaltens verzugsempfindlicher Bauteile während des Warmbadhärtens dargestellt. Die dafür notwendigen Stoffwerte und Randbedingungen wurden zunächst aus der Literatur entnommen bzw. abgeschätzt. Die als Referenz dienende Wärmebehandlung von Kegelrollenlager-Innenringen aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 wurde bei industriellen Partnern durchgeführt. Diese Bauteile wurden hinsichtlich der Zielgrößen Gefüge, Maß- und Formänderungen sowie Eigenspannungen charakterisiert. Aufgrund der Trennung von Abschreckspannungen und Umwandlungsspannungen beim Warmbadhärten können detaillierte Aussagen über den Einfluss von Kennwerten (Umwandlungsplastizität, Wärmeübergang etc.) auf die Spannungsentwicklung gemacht werden.

Kurzfassung Das Maß- und Formänderungsverhalten von Bauteilen während des Abschreckens wird – neben dem Abschreckprozess selbst – durch die Bauteilvorgeschichte und dem dabei aufgebauten Verzugspotenzial festgelegt. Dabei wird der Anteil der Bauteilvorgeschichte durch Asymmetrien der Massenverteilung und Inhomogenitäten in der chemischen Zusammensetzung, des Gefüges und der Eigenspannungen gebildet. Im Prinzip gibt es zwei grundlegende Methoden zur Untersuchung der o. g. Einflussfaktoren. Erstens können entsprechende Asymmetrien und Inhomogenitäten gezielt in die Bauteile einbracht werden. Die konkrete experimentelle Umsetzung ist u.U. aber schwierig bzw. aufwändig. Zweitens können Bauteile, die nach der Abschreckung Verzüge aufweisen, auf ungewollte Asymmetrien bzw. Inhomogenitäten hin untersucht werden. Hierbei kann es im Einzelfall aber schwierig sein, die Wirkung gefundener Asymmetrien zu beurteilen. Für beide Methoden stellt die Simulation ein hilfreiches Werkzeug dar, die genannten Untersuchungen zu begleiten bzw. gezielt zu lenken. In der vorliegenden Arbeit wird über Versuche und zugehörige Wärmebehandlungssimulationen unter Verwendung des kommerziellen Finite-Elemente-Programms SYSWELD berichtet. Untersucht wurden inhomogene Verzugspotenziale. Diese wurden entweder während des Fertigungsprozesses gezielt eingestellt oder nach erfolgter Abschreckung und Messung des Verzuges gezielt gesucht. Der Einfluss inhomogener Abschreckungen auf den Verzug wurde durch die Verwendung von hoch symmetrischen Gasdüsenfeldern (Abschreckung mit Stickstoff) weitgehend minimiert.

Kurzfassung Im Vergleich zu den wohl bekanntesten mechanischen Oberflächenbehandlungsverfahren, dem Kugelstrahlen und dem Festwalzen, werden andere alternative Verfahren, wie etwa die Laserschockverfestigung, das Kugelstrahlen bzw. Festwalzen bei erhöhten Temperaturen, das Ultraschallkugelstrahlen, das Wasserstrahlen oder konsekutive mechanisch-thermische Verfahren, bisher nur sehr zögerlich oder lediglich in speziellen Anwendungsfällen eingesetzt. Die grundlegenden Mechanismen der mechanischen Oberflächenbehandlungen sind sehr wohl bekannt: In allen Fällen führen lokale elastisch-plastische Deformationen zur Ausbildung von Druckeigenspannungen und zur Erzeugung charakteristischer Mikrostrukturen. Diese erhöhen den Werkstoffwiderstand gegen Rissbildung und -ausbreitung, insbesondere bei schwingender Beanspruchung. In einigen Fällen treten zusätzliche Effekte wie z. B. Rauheitsverminderungen oder beanspruchungsinduzierte Phasenumwandlungen auf. Weil es jedoch in zunehmendem Maße durch systematische Untersuchungen gelingt, die randnahen Werkstoffeigenschaften beanspruchungsangepasst zu optimieren, gewinnen auch die alternativen Verfahren an Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund der erzielbaren bemerkenswerten Eigenschaftsverbesserungen sowie sinkender Prozesskosten.

Kurzfassung Basierend auf der Sekundärionenmassenspektrometrie als mikrochemische Analysemethode wird ein neues Messverfahren zur Bestimmung von Kohlenstofftiefenverläufen in Eisenwerkstoffen mit hoher Genauigkeit und Ortsauflösung in die Laborpraxis eingeführt. Die Untersuchung erfolgt an metallografisch präparierten Probenquerschnitten. Nach einer detaillierten Verfahrensbeschreibung werden typische Anwendungsfälle aus der Schadensanalyse, Wärmebehandlungstechnologie und Materialforschung diskutiert. Dabei wird u. a. auch eine neue experimentelle Technik zur Messung des Diffusionskoeffizienten von Kohlenstoff in der Austenitphase niedriglegierter Stähle vorgestellt.

Kurzfassung Einkristalline Diamantwerkzeuge sind für die Mikrozerspanung von Eisenbasis-Werkstoffen aufgrund des hohen chemischen Verschleißes nicht einsetzbar. Um die Diamantwerkzeuge vor dem chemischen Verschleiß zu schützen, können die Schneidwerkzeuge mit Hartstoffen beschichtet werden, sodass ein direkter Kontakt des Diamanten mit dem Werkstoff verhindert wird. In der vorliegenden Arbeit wurden TiN, TiAlN und AlN mittels des reaktiven Magnetron-Sputtern-Verfahrens auf Diamantwerkzeuge aufgebracht. Bei optimierten Prozessparametern wiesen die abgeschiedenen Schichten eine nahezu stöchiometrische, chemische Zusammensetzung, eine sehr glatte, feinkörnige Oberfläche, eine hohe Härte und gute Haftung auf. Die geringfügige Zunahme des Schneidkantenradius infolge der Beschichtungen ist für die Mikrozerspanung noch tolerierbar. Unter den Versuchsbedingungen wurde der Verschleiß der TiAlN-beschichteten Diamantwerkzeuge im Vergleich zu unbeschichteten Referenzdiamantwerkzeugen um bis zu 50% reduziert.

Kurzfassung Die Herstellung hochpräziser optischer Abformwerkzeuge ist zentraler Schwerpunkt des transregionalen Sonderforschungsbereiches SFB/TR4 “Prozessketten zur Replikation komplexer Optikkomponenten“ an der Universität Bremen, der RWTH Aachen und der Oklahoma State University, Stillwater, USA, in dessen Rahmen diese Arbeit entstanden ist. Die Abformung optischer Bauteile wie z.B. von Linsen durch Spritzgießen, Heißprägen oder Heißpressen stellt im Hinblick auf die Funktionsflächen der Formeinsätze hohe Ansprüche. Während des Abformungsprozesses sind diese Funktionsflächen hohen thermischen, korrosiven und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Zur Erhöhung der Standzeiten und zur Verbesserung des Entformungsverhaltens werden Formeinsätze mit oxidations- und verschleißbeständigen Hartstoffen beschichtet. Die Eigenschaften der beschichteten Formeinsätze sind für optische Bauteile jedoch oft nicht ausreichend, sodass eine Nachbearbei-tung zur Herstellung der optischen Funktionsflächen notwendig wird.

Kurzfassung In diesem Beitrag stellen wir einen universellen Gasgenerator für Wärmebehandlung vor, welcher sowohl für die Durchflussrate als auch für die chemische Zusammensetzung vollständig regelbar ist. Dieser Generator wird in einem Zwei-Stufen-Prozess gesteuert. In einer ersten Stufe wird ein mathematisches Modell für den Prozess herangezogen, um die verschiedenen Reaktanden so zu dosieren, dass die erwünschte Durchflussrate und die chemische Zusammensetzung ungefähr erreicht werden. Die erhaltenen Resultate werden dann verfeinert und unter Einsatz einer klassischen PID-Regeleinrichtung gegen umgebungsbedingte Fluktuationen stabilisiert. Der Generator kann in zwei verschiedenen Arten regeln, erstens durch Methan-Aufbereitung und zweitens durch partielle Oxidation. Unter Einsatz eines Membran-Systems, das Anteile des Stickstoffgehaltes der Luft, die in das System eingebracht wird, entfernt, kann der CO-Gehalt des hergestellten Gases in größerem Maße erhöht werden als vergleichsweise in konventionellen Systemen. Dadurch können mit beiden Arbeitsweisen CO-Anteile, die von ∼0% bis ∼30% reichen, erzielt werden. Das steht im Vergleich zu den ∼17% CO (Methan-Aufbereitung) und ∼20% CO (partielle Oxidation), die in bisher üblichen Generatoren erreichbar sind. Auch können Durchflussraten in der Größenordnung von einigen Nm 3 /h bis zu einigen hundert Nm 3 /h erreicht werden.