Volume 69, Issue 3

Kurzfassung In den letzten Jahren hat die numerische Simulation der Wärmebehandlung stark an Bedeutung gewonnen. Die meisten bekannten Anwendungen beschränken sich jedoch auf die Simulation des Härtens. Die Simulation des Anlassens wurde bisher häufig vernachlässigt oder rein phänomenologisch und in der Regel stark vereinfachend durchgeführt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Entwicklung des Verzugs und der Eigenspannungen in einem dickwandigen Bauteil aus dem Warmarbeitsstahl X40CrMoV5-1, Werkst.-Nr. 1.2344, während des Härtens und des Anlassens realitätsnah vorherzusagen. Materialmodelle der thermomechanisch-metallurgischen Vorgänge während der Wärmebehandlung des Stahls wurden in eine FEM-Software (Abaqus®) implementiert. Die für die Simulation erforderlichen Materialkennwerte wurden experimentell ermittelt. Die Verifikation des vorhergesagten Verzugs und der Eigenspannungen anhand eines dickwandigen, gehärteten und angelassenen Bauteils ergab eine gute Übereinstimmung zwischen Simulationsrechnung und den experimentell gemessenen Werten.

Kurzfassung Legierungs- und gießtechnische Neu- und Weiterentwicklungen von Gusseisen haben zur Erweiterung der Einsatzgebiete dieser Werkstoffe für Bauteile und Werkzeuge auch unter dem Aspekt des Leichtbaus geführt. Zur zusätzlichen lokalen Verbesserung der tribologischen und korrosiven Beanspruchbarkeit wurde eine Technologie zur kombinierten Randschichtbehandlung entwickelt. Dabei wird das Gusseisen lokal mittels Elektronenstrahl umgeschmolzen, sodass eine harte (650 HV 0,3), graphitfreie ledeburitische Schicht entsteht. Diese thermisch gut beständige Schicht (bis ca. 1100 °C) dient als Stützschicht für eine nachfolgend durch Plasmanitrieren erzeugte relativ dünne (< 10 μm), harte Verbindungsschicht. Es werden sowohl die werkstoffspezifischen Einflussfaktoren, wie Graphitmorphologie, chemische Zusammensetzung etc., als auch die Auswirkungen der Prozessparameter auf das Ergebnis der Einzel- und Kombinationsbehandlungen erörtert. Vergleichende Untersuchungen zum Verschleißverhalten (Kugel-Scheibe) haben gezeigt, dass insbesondere bei höheren Lasten (> 100 N) der Mehrwert der Kombinationsbehandlung gegenüber den Einzelbehandlungen voll zum Tragen kommt. Die deutliche Verbesserung des Korrosionsverhaltens nach der Kombinationsbehandlung resultiert aus der defektfreien Ausbildung der Nitrierschicht auf der graphitfreien Umschmelzschicht.

A comparative study has been carried out for an analysis of the heat transfer conditions in a gas cooling process of metallic specimens. Two different specimen geometries, namely a bevel gear and a helical gear streamed by a high-velocity cooling air flow at atmospheric pressure are investigated. Local and integral heat transfer coefficient distributions of these relevant specimen geometries have been monitored using direct and indirect measurement techniques as well as numerical simulations. It is found that the measurements of the helical gear are well correlated by classical correlations found in the literature. However the heat transfer from the bevel gear tends to be underpredicted when using standard correlations. In both cases, numerical simulations give satisfying predictions of the local heat transfer coefficient.

Kurzfassung Die Vorteile des Niederdruck-Carbonitrier-Verfahrens gegenüber dem bereits etablierten Niederdruck-Aufkohlen liegen in der Möglichkeit, durch den zusätzlich eingebrachten Stickstoff eine höhere Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit des behandelten Bauteils zu erreichen. In einer früheren Veröffentlichung [1] wurde ein Modell zur Beschreibung der Transportvorgänge von Stickstoff und Kohlenstoff im Stahl vorgestellt. Im Rahmen der weitergeführten Untersuchungen wurden nun dazu ergänzend Geschwindigkeitskoeffizienten der mathematischen Ansätze zur Beschreibung der Oberflächenkinetik, bestehend aus Ammoniakadsorption und –zerfall, Lösen, Desorbieren und Effundieren von Stickstoff, mittels thermogravimetrischer Untersuchungen (TGA) ermittelt. Somit stehen Ansätze und Daten zur Verfügung, um beim Carbonitrieren die Konzentrationsprofile von Kohlenstoff- und Stickstoff im Stahl vorherzusagen. Das vollständige Modell wurde anhand experimenteller Untersuchungen validiert. Die Übereinstimmung mit den Messergebnissen ist gut bis ausreichend.

Straightening is a manufacturing process where a component is bent, and plastically deformed, in order to reach a desired straightness. It is an unwanted but in many cases necessary process. For instance heat treatment operations such as carburizing and induction hardening may give distortions of magnitude that a straightening operation is required. The main disadvantage with straightening, apart from the extra processing step, is that it alters the residual stresses which decrease the fatigue strength of the component. In this paper, the straightening of a surface hardened shaft is simulated by FEM. The paper brings new insight into the complexity in the changes in residual stress that deviates far from the simplified views presented in literature. It will be shown that there are fundamental differences between a through hardened shaft and a surface hardened one as well as between shafts with shallow and deep surface hardening depths. The material studied is 42CrMo4 induction hardened by single shot. It is shown that the change in residual stresses is rather complex with decreased compressive residual stresses in a number of locations around the circumference while other locations have increased stresses. The amount of change in the residual stresses are largely governed by the required bending but by doing the straightening operation in an optimal way the negative effect can be reduced.

Kurzfassung Das Thema Schleifbrand war bereits Gegenstand vieler Untersuchungen in der Wissenschaft sowie der industriellen Forschung. Nach wie vor ist das Phänomen dieser thermo-mechanischen Schädigungen hartfein-bearbeiteter Werkstoffrandzonen nicht zufriedenstellend charakterisiert oder definiert. In der Industrie existiert ein großes Interesse an der Thematik, da ein zuverlässiges und serientaugliches Messverfahren für die Erfassung des Zustandes geschliffener Oberflächen fehlt. Die präsentierten Arbeiten befassen sich mit der Erzeugung und Charakterisierung thermo-mechanischer Schädigungen in einem Außenrundschleifprozess sowie der Erfassung dieser unerwünschten Veränderungen mit dem Verfahren der Barkhausenrausch-Analyse. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits vor Auftreten konventionell detektierbarer Gefügeänderungen Zugeigenspannungen durch Schleifprozesse in die Randzone eingebracht werden können. Die Barkhausenrausch-Analyse ermöglicht bei Kombination mehrerer Prüfgrößen eine zuverlässige Erfassung dieser Eigenspannungs- und Gefügeänderungen.

Kurzfassung Die genaue Temperaturführung beim Randschichthärten ist von entscheidender Bedeutung, um die Nutzeigenschaften innerhalb enger Grenzen gezielt einzustellen. Am Beispiel der Technologie Laserhärten wurden typische industriell eingesetzte Temperaturmessgeräte hinsichtlich ihrer Messunsicherheiten analysiert. Ein neues, mobil einsetzbares Kalibrierverfahren mit Hochtemperatur-Fixpunkten wird vorgestellt, mit dem sich verbesserte Kalibriergenauigkeiten erreichen lassen. Weiterhin wird der Einfluss des Emissionsgrades der Oberflächen auf die Temperaturmessung diskutiert und neue systematische Messergebnisse für Stahl und Gusseisen präsentiert.