Volume 62, Issue 4

A conventional low alloy steel (SAE 5120, EN 20MnCr5) was investigated to determine length change and curvature during heat treatment due to segregations. Long cylindrical shafts were used to minimize the influence of the geometry. The shafts were taken eccentrically from semifinished bars with two different degrees of deformation. Two sets of multiple heat treatments were done for each deforming degree. One of them started with two slow cooling cycles and had a final blank hardening cycle. The other set was a slow cooling cycle and afterwards a case hardening cycle. Coordinate measurements were done before and after each heat treatment cycle. Significant differences in the length change as well as in the magnitude and direction of the curvature could be detected.

Kurzfassung In dieser Arbeit wird der Effekt einer ungleichmäßigen Erwärmung auf die Änderung der Rundheitsabweichungen von Wälzlagerringen untersucht. Hierfür kam eine speziell konstruierte Wärmebehandlungsanlage zum Einsatz, mit der gezielt verschiedene ungleichmäßige Temperaturverteilungen in Umfangsrichtung der Ringe eingestellt werden konnten. Aus der Messung der Temperaturverteilung im Ring und den korrespondierenden Verzugsmessungen wurde der Einfluss auf die Rundheitsabweichungen infolge einer ungleichmäßigen Erwärmung analysiert. Die möglichen Verzugsmechanismen werden anhand eines einfachen Modells erläutert. Der größte Einfluss auf den Verzug erscheint von den Wärmespannungen infolge des inhomogenen Temperaturfeldes auszugehen. Große Einflüsse auf die Rundheitsänderungen werden aber auch während der Phasenumwandlung von Ferrit zu Austenit durch die auftretenden Umwandlungsspannungen und den Effekten der Umwandlungsplastizität erwartet.

This paper presents an ultrasonic method to measure the movement of workpiece surfaces during quenching processes in liquids in order to estimate the time-dependent in-process distortion of the workpiece. The movement is determined by the time-of-flight of the ultrasonic signals from the transducer to the surface and back again (impuls-echo-method). As the simulation of quenching processes depends on several assumptions of the model parameters and almost no experimental intermediate geometry data for quenching processes exist, the in-process-measurements of the surface movement can be used to improve the simulation models and also to extend the knowledge about model parameters. The paper shows an analysis of the ultrasonic data for measurements on cylindrical discs of 20MnCr5 steel and compares the ultrasonic in-process results with simulated data. Additionally, coordinate measurements carried out before and after the heat treatment are presented as a reference and the uncertainty of the ultrasonic measurements is discussed.

The practice of using large open tanks filled with oil for heat treatment can be consigned to history thanks to the development of new technology. Today FEROQUENCH, a water-based quenchant, is widely used to replace open oil quench tanks and this trend is accelerating. Comprehensive practical experience is now available to prove that a water-based polymer quenchant with oil-like quenching properties is capable of providing excellent performance over many years of service. In many cases the conversion of an oil-quenching system is straightforward, although quenchants with a high waterconcentration always require good agitation due to the lower boiling temperature of these fluids compared with oil. The quenching properties of water-based polymer quenchants are much more influenced by the bath-temperature than those of oils. Therefore the temperature has to be controlled to reach constant and homogenous cooling properties. The paper details properties of water-based quenchants together with application parameters and examples of working systems.

The distortion behaviour of a workpiece within the heat treatment process can be controlled by applying inhomogeneous quenching conditions. Locally variable heat transfer conditions at the workpiece surface within the quenching process are realizable by impressing and regulation of adjustable (spatially and/or timewise varying) flexible flow fields on the basis of jet arrays inside the quenching media. With the use of these adapted jet fields it is possible to generate various asymmetric quenching conditions for the heat treatment process. The asymmetric jet quenching process of workpieces originally has been developed in gaseous flow. By controlled quenching in liquid media like water or hardening oil and by means of jet or spray cooling with these media, the heat transfer process can be heavily increased thereby controlling the non-available boiling process and the establishing of the rewetting front on the workpiece surface. This e.g. can be realized by the use of impinging jet cooling by means of a flexible array of liquid jets.

Kurzfassung Um das Kompensationspotenzial der Gasabschreckung für Verzüge optimal anzuwenden, wurde eine aus zwei kaskadierten Rückführungen bestehende Regelungsstrategie entwickelt. Diese Strategie wurde bei der Abschreckung von Ringen umgesetzt. Für eine automatische Kompensation von Rundheitsabweichungen konnte ein analytischer Ansatz hergeleitet werden, der als Basis für ein Radial-Basis-Functions-Netz dient. Simulationen zeigen, dass sich Rundheitsabweichungen um mehr als 50 Prozent reduzieren lassen, wenn das Kompensationspotenzial des Abschreckprozesses entsprechend angewandt wird.

Kurzfassung Entlang der Prozesskette wird im Bauteil bei jedem Schritt des Prozesses ein Verzugspotenzial eingebracht. Dieses Verzugspotenzial wird am Ende der Prozesskette, nämlich bei der Wärmebehandlung, gelöst. Auf diesem Weg werden im Bauteil ständig Spannungen, die örtlich auch die Streckgrenze überschreiten können, erzeugt. Betrachtet man die Prozessstufe Wärmebehandlung, so hat man es mit Spannungen, die während der Erwärm- und der Abkühlphase aufgrund der Temperaturgradienten entstehen, zu tun. Während der Abkühlung werden Spannungen zusätzlich aufgrund der zeitlich und örtlich unterschiedlich stattfindenden Umwandlungen und damit einhergehenden Volumenänderungen generiert. Überschreiten diese Spannungen die Streckgrenze des Austenits, so führen diese Spannungen zu plastischen Dehnungen. Außerdem beeinflussen diese Spannungen das Umwandlungsverhalten. Bei bainitischer und martensitischer Umwandlung unter Spannung findet ein Scherprozess statt, der zusätzliche Dehnungen hervorruft. Zugspannungen führen dabei im Allgemeinen zu einer Beschleunigung der Umwandlung und gleichzeitig zu einer Zunahme der Dehnung in Spannungsrichtung durch die sog. Umwandlungsplastizität. Um den durch die Wärmebehandlung verursachten Verzug zu beheben, wird in der Regel eine Hartbearbeitung durchgeführt, die zusätzliche Kosten verursacht. Möchte man diese Kosten minimieren, so ist eine Vorhersage des Verzugs durch Simulationsrechnungen notwendig, um erforderliche Gegenmaßnahmen zur Verzugskompensation zu treffen. Dies bedingt aber, dass das Werkstoffverhalten bekannt sein muss. Idealerweise werden Werkstoffeigenschaften und -verhalten durch geeignete Modelle beschrieben, die wiederum in Finite-Elemente-Programme implementiert werden können. Für eine realistische Simulation ist es notwendig, Modelle zu entwickeln, die den Einfluss von Spannungen auf die Umwandlungsplastizität und die Umwandlungskinetik beschreiben. Dafür werden auf einem Gleeble-Umformdilatometer die inneren Spannungen durch äußere mechanische Spannungen simuliert, wobei sowohl diffusionsgesteuerte als auch diffusionslose Umwandlungen unter dem Einfluss äußerer Spannungen untersucht werden. Der Einfluss innerer Spannungen, simuliert durch mechanische äußere Spannung, wurde für bainitsche und martensitische Umwandlung an dem Einsatzstahl 20MnCr5 mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten untersucht. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den aus der Literatur bekannten Modellen verglichen.

Kurzfassung Das Laserstrahlschweißen ist ein wichtiges Verfahren, das die Position der Metalle (insbesondere Aluminium) im zivilen Flugzeugbau stärkt. Obwohl das Laserstrahlschweißen im Vergleich zu anderen Schweißverfahren für seine geringen Verzüge bekannt ist, können sich die auftretenden Konturabweichungen dennoch negativ, z.B. auf die Montagefähigkeit und das aerodynamische Verhalten der geschweißten Bauteile, auswirken. Daher ist derzeit ein beachtlicher Aufwand notwendig, um die auftretenden Verzüge rückzuformen. Aus diesem Grund ist die Minimierung oder gar Vermeidung dieser Verzüge ein Ziel heutiger Entwicklungen. Bereits laufende Untersuchungen haben gezeigt, dass die Komplexität der Fertigungskette beim Laserstrahlschweißen eine systemorientierte Betrachtung erfordert. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Herstellung zylindrischer Hautfelder kritischer ist als die Herstellung sphärischer Hautfelder. Dies wurde zunächst aus den Ergebnissen der Prozessanalyse abgeleitet und konnte später durch Verzugsmessungen nachgewiesen werden, die entlang der gesamten Prozesskette durchgeführt wurden.