Volume 66, Issue 4

Kurzfassung Der Sonderforschungsbereich 570 „Distortion Engineering – Verzugsbeherrschung in der Fertigung“ hat den grundlegenden Ansatz, den Verzug als Systemeigenschaft einer spezifischen Prozesskette aufzufassen, aufgegriffen und beschäftigt sich mit der Bestimmung signifikanter Einflussgrößen und Wechselwirkungen über die gesamte Fertigungskette von ausgewählten Bauteilen, um wesentliche Mechanismen der Verzugsentstehung zu identifizieren. In einem Transferprojekt mit dem Kooperationspartner ZF Achsgetriebe GmbH wurde diese systemorientierte Betrachtungsweise des Bauteilverzugs auf eine industrielle Fertigungskette übertragen. Die Untersuchungen wurden an einem bogenverzahnten Tellerrad aus dem Werkstoff ZF1 vorgenommen. Mithilfe der Statistischen Versuchsplanung wurden in mehreren Versuchsplänen aus einer Gruppe von zwölf ausgewählten Versuchsparametern die signifikanten Einflussgrößen und Wechselwirkungen auf den Verzug der Tellerräder identifiziert. In Bezug auf die Änderungen der Maß- und Formabweichungen infolge des Einsatzhärtens ergab sich eine klare Reihenfolge der relativen Häufigkeit der signifikanten Einflussgrößen: Am häufigsten bestimmen die Eigenschaften des eingekauften Rohlings den Verzug. Danach folgen die Einflussgrößen aus dem Bereich des Einsatzhärtens. Alle untersuchten Einflussgrößen aus dem Bereich der Weichbearbeitung spielen eine untergeordnete Rolle auf den Gesamtverzug des Tellerrades. Auf der Grundlage der experimentellen Arbeiten wurden weiterführende Untersuchungen durchgeführt, deren Schwerpunkt auf der Charakterisierung der verschiedenen Zustände hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Gefüge in Abhängigkeit der beiden Einflussgrößen Schmelze und Vorwärmebehandlung lag. Die Ergebnisse werden den gemessenen Maß- und Formänderungen gegenübergestellt, um ein erstes Verständnis hinsichtlich der Mechanismen der Verzugsentstehung zu gewinnen.

Kurzfassung Die gezielte Zugabe von Mikrolegierungselementen ermöglicht für Einsatzstähle eine Aufkohlung bei hohen Einsatztemperaturen. Diese Legierungszugaben werden zur Ausscheidungshärtung sowie für die Erhöhung der Feinkornbeständigkeit durch Partikel-Pinning während der Hochtemperatur-Aufkohlung ausgenutzt. In dieser Arbeit wird die Ausscheidungsentwicklung für einen mikrolegierten Stahl 25MoCr4 entlang einer exemplarischen Prozesskette für Getriebebauteile mittels STEM und EFTEM analysiert und mithilfe der Software MatCalc modelliert. Diese Prozesskette besteht aus einer FP-Glühung, einer Kaltumformung, einer weiteren FP-Glühung und einem anschließenden Einsatzhärten bei 1050 °C. Durch einen Vergleich der experimentellen mit den numerischen Simulationsergebnissen kann die Simulationskette validiert sowie der Einfluss der verschiedenen Mikrolegierungsausscheidungen auf die Zener-Kraft quantifiziert werden. Mit diesem validierten Modell wurden verschiedene Variationen dieser Prozesskette simuliert und ihr Einfluss auf die Zener-Kraft und somit die Feinkornbeständigkeit berechnet. Auf diese Weise können konkrete Optimierungshinweise formuliert werden.

Kurzfassung Das Gas-Carbonitrieren ist ein seit Jahrzehnten etabliertes Wärmebehandlungsverfahren. Im Vergleich zum reinen Aufkohlen, ermöglicht die zusätzliche Zugabe von Stickstoff eine höhere Härtbarkeit sowie eine bessere Anlass- und Verschleißbeständigkeit. Beim klassischen Verfahren besteht die Gefahr der Randoxidation der Bauteiloberflächen. In Abhängigkeit von der Bauteilbeanspruchung muss die Oxidschicht durch eine kostenintensive Nachbearbeitung entfernt werden. Bei komplexen Bauteilgeometrien, wie beispielsweise Tieflochbohrungen, ist eine Nachbearbeitung meist nicht möglich. Die Randoxidation kann durch das Niederdruck-Carbonitrieren vermieden werden. Ohne ein grundlegendes Verständnis über die Wechselwirkungen der Kohlenstoff- und Stickstoffdonatoren bei den Oberflächenvorgängen und des Kohlenstoffs und Stickstoffs beim Stofftransport in der Eisenmatrix ist jedoch eine Prozessauslegung bei diesem neuartigen Verfahren nur mit hohem zeitlichem und experimentellem Aufwand möglich. Daher soll der Stofftransport modelliert werden, um eine schnelle, simulationsgestützte Auslegung zu ermöglichen. In diesem Beitrag wird ein Modell zur vollständigen Beschreibung der Stofftransportvorgänge beim Niederdruck-Carbonitrieren vorgestellt. Ein Vergleich der mathematischen Ansätze mit den experimentellen Ergebnissen erfolgt nur bei der Beschreibung der Diffusion. Es werden die Ergebnisse zur Löslichkeit und zur Diffusion des Stickstoffs in den Einsatzstählen 20MnCr5 und 18CrNi8 präsentiert. Die Wärmebehandlung erfolgte in einem industriellen Vakuumofen. Im ersten Schritt wurde die Stickstofflöslichkeit in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung, des Drucks und der Temperatur untersucht. Im zweiten Schritt folgte die Modellierung der Diffusionsvorgänge. In erster Näherung zeigen die berechneten Verläufe der Kohlenstoff- und der Stickstoffkonzentrationen im Stahl eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen.

Kurzfassung Auf dem Gebiet des Plasmanitrierens von Al-Knet-bzw. Gusslegierungen wurden in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Das Nitrierverhalten wird in entscheidendem Maße von den Legierungselementen bestimmt. Für Al-Knet-bzw. Gusslegierungen ist bekannt, dass Mg-Anteile das Nitridschichtwachstum befördern, wogegen es durch höhere Si-Konzentrationen gehemmt wird. Sprühkompaktierte Al-Si-Legierungen weisen, bedingt durch den speziellen Herstellungsprozess, typischerweise hohe Si-Gehalte (15…35%) zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit sowie für eine gute Warmfestigkeit hohe Anteile an Fe, Ni, Co u. a. auf. Erstmalig durchgeführte Untersuchungen zum Plasmanitrieren derartiger Werkstoffe ergaben in Abhängigkeit von den Nitrierparametern rissfreie AlN-Schichten mit einer Dicke von bis zu 6 μm. Diese ausgezeichnete Nitrierbarkeit, trotz hoher Si-Gehalte, ist offensichtlich auf die werkstofftypischen ausschließlich primär erstarrten, fein verteilten, kleinen (2…5 μm) Si-Ausscheidungen zurückzuführen. Es wurden verschiedene Legierungszusammensetzungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Schichtausbildung und -eigenschaften (Härte, Verschleiß) untersucht. Durch den sprunghaften Wechsel der Eigenschaften von sehr hart (AlN-Schicht) zu weich (Al-Grundwerkstoff) ist die Tragfähigkeit der Nitridschicht im Belastungsfall eingeschränkt. Aus diesem Grund wurden die Möglichkeiten und Grenzen einer Nachbehandlung (Aushärtung) untersucht.

Kurzfassung Für das optimale Härteergebnis in Polymerlösungen sind die Polymerkonzentration und die Temperatur entscheidend. Zur Qualitätssicherung ist eine automatische Überwachung dieser Parameter zu empfehlen. Hierfür wurde ein neues Inline-Überwachungsverfahren auf Basis einer Messung der Temperatur und elektrischer Leitfähigkeit entwickelt. Die Polymerkonzentration wird anhand von Inline-Messdaten mithilfe eines mathematischen Modells berechnet. Die absolute Abweichung der Messwerte wurde in Betriebsversuchen mit kleiner +/−1% ermittelt. Das entwickelte Inline-Messverfahren vermindert den Arbeitsaufwand und ermöglicht eine Sicherung der Werkstückqualität sowie eine Zertifizierung des Betriebes.

Kurzfassung Mit dem Ziel, die Lebensdauer von Werkzeugen oder Bauteilen zu verlängern, gewann die Cryobehandlung von Werkzeugstählen in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung. Dabei handelt es sich um einen einmaligen Zusatzprozess zur konventionellen Wärmebehandlung, bei dem das Werkzeug bis weit unterhalb von Raumtemperatur (−150 °C bis −196 °C) gekühlt wird. In zahlreichen Untersuchungen wird berichtet, dass eine deutliche Steigerung der Werkzeugstandzeit bzw. der Bauteillebensdauer durch diese Art der Behandlung erzielt werden kann. Trotz vieler Veröffentlichungen zu diesem Thema sind gerade die metallkundlichen Vorgänge während dieser Behandlung und die mikrostrukturellen Veränderungen noch nicht vollständig verstanden. In dieser Studie werden die Auswirkungen einer Cryobehandlung insbesondere auf die tribologischen Eigenschaften des Kaltarbeitsstahls 1.2379 untersucht. Neben Laborversuchen wurden zusätzlich Standzeitversuche unter praxisnahen Bedingungen durchgeführt.