Volume 70, Issue 3

Kurzfassung Nahezu alle Fertigungsverfahren führen durch inhomogene plastische Verformungen oder lokal unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zur Ausbildung von Eigenspannungen. Wenn diese aufgrund ihres Vorzeichens die Bauteileigenschaften ungünstig beeinflussen würden, müssen sie nachträglich abgebaut werden. Durch Einstellung geeigneter Prozessführungen können allerdings auch günstige Beeinflussungen der Bauteileigenschaften erreicht werden, sodass diese Prozessvarianten gezielt zur Optimierung von Bauteilzuständen, dem sogenannten Surface Engineering, eingesetzt werden können. Die Zusammenhänge zwischen dem Eigenspannungszustand sind Gegenstand der Arbeit. Dabei wird auf alle Hauptgruppen der Fertigungstechnik eingegangen.

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 sind. 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 diesen experimentellen Untersuchungen an Wellen werden in dieser Arbeit auch ausgewählte Ergebnisse aus den Bereichen Werkzeugauslegung mittels Strömungssimulation, Wärmeübergangsbestimmung, Wärmebehandlungssimulation und Lebensdaueruntersuchungen vorgestellt.

Kurzfassung Korrosionsbeständige Stähle weisen eine stark eingeschränkte Verschleißbeständigkeit auf. Der vorliegende Beitrag stellt eine Möglichkeit vor, durch Elektronenstrahl(EB)-Auftragen von Fe- bzw. Co-Basisschichten insbesondere das abrasive Verschleißverhalten der Stähle X6CrNiMoTi17-12-2 (austenitisch) sowie X2CrNiMoN22-5-3 (austentisch-ferritisch) zu verbessern. Die Korrosionsbeständigkeit bleibt dabei erhalten. Es wird gezeigt, wie sich die chemische Zusammensetzung und das Gefüge der Randzone in einer zweiten Auftragslage im Vergleich zur ersten Auftragslage verändern und welche Auswirkungen das auf relevante Eigenschaften hat. Durch eine optimierte EB-Auftragstechnologie wurde die Härte um das 1,5- bis 2-fache erhöht und der Verschleißkoeffizient (k) mit Fe-Basisdraht um den Faktor 100 und mit Co-Basisdraht um den Faktor 10 gegenüber den Grundwerkstoffen verbessert. Mittels Stromdichte-Potenzial-Messung wurde nachgewiesen, dass sich die Korrosionsbeständigkeit der Fe-Basisschichten im Vergleich zu den Grundwerkstoffen nicht ändert. Die Co-Basisschichten weisen sogar eine um den Faktor 3 geringere Passivstromdichte auf.

Kurzfassung Wälzlagerkomponenten sind im Betrieb im Bereich der Kontaktzonen hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. Übersteigen diese Belastungen werkstofftypische Grenzen, so können von den Zonen maximaler Materialbeanspruchung Ermüdungsvorgänge ausgehen, die die Lebensdauer der Lager begrenzen. Durch gezieltes Einbringen von oberflächennahen Eigenspannungen kann die Lebensdauer von Wälzlagerkomponenten merklich erhöht werden. Hierzu wurden bei FAG Aerospace umfangreiche Prüfstandsversuche mit Lagerkomponenten aus dem warmfesten Stahl M50 (80MoCrV42-16) durchgeführt. Neben statistischen Auswertungen von Prüfstandsversuchen erfolgte auch eine Untersuchung gelaufener Teile mittels metallografischer und röntgenografischer Methoden. Durch die Anwendung röntgenografischer Untersuchungsmethoden können strukturelle Veränderungen mit hoher Empfindlichkeit erkannt und die Wirksamkeit lebensdauersteigender Maßnahmen schon nach relativ kurzen Testläufen abgeschätzt werden.

Kurzfassung In der AiF-Initiative „Leittechnologien für Morgen – Ressourceneffiziente Prozesskette für Hochleistungsbauteile – EcoForge“ wurde unter der Zielsetzung der Steigerung der Energieeffizienz und Ressourcenschonung eine verkürzte Schmiedeprozesskette für Hochleistungsbauteile, ausgerichtet auf den Leichtbau und eine inhärente Bauteilsicherheit, entwickelt. Ein Aspekt im Hinblick auf die Verkürzung der Prozesskette war dabei die sensorkontrollierte und gesteuerte bainitische Umwandlung hochfester, duktiler, bainitischer Stähle (HDB) direkt aus der Schmiedewärme. Im Rahmen des Teilprojektes „Sensorkontrollierte Werkstoffumwandlung“ wurde ein Bainitsensor-Prüfsystem mit einer speziell ausgerichteten, robusten Sensortechnik entwickelt, das die zerstörungsfreie und berührungslose In-situ-Erfassung der Werkstoffumwandlung sowie der Phasen- und Gefügeausbildung von Hochleistungsbauteilen aus Stahlwerkstoffen während der Abkühlung aus dem Austenitgebiet ermöglicht. In Kombination mit einer Abkühlung im Wasser-Luft-Sprayfeld konnte eine gesteuerte und individuell angepasste Abkühlung von Schmiedebauteilen direkt aus der Schmiedewärme und die gezielte Einstellung von Gefügen und Bauteileigenschaften realisiert werden. Durch den Einsatz des Bainitsensor-Prüfsystems lassen sich der Umwandlungsbeginn, der aktuelle Umwandlungsgrad und das Umwandlungsende – auch unter industriellen Randbedingungen – zuverlässig erfassen, die Gefügeausbildung von Ferrit-Perlit, Bainit und Martensit bereits im Abkühlpfad anhand charakteristischer Signalverläufe unterscheiden und klassifizieren sowie eine Quantifizierung der Gefügeanteile in Mischgefügen vornehmen. Aufgrund seiner Robustheit sowie der Möglichkeit, Messsignalverläufe online im Prozessablauf auszuwerten und Effekte wie Randentkohlung oder Verzunderung empfindlich nachzuweisen, ist das Prüfsystem neben der Erfassung der Werkstoffumwandlung zudem zur Online-Qualitätssicherung in industriellen Schmiede- und Wärmebehandlungslinien geeignet.