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Wärmebehandlung und Simulation

Prozessintegrierte Wärmebehandlung

Bild 1: Wärmebehandlung präzisionsgeschmiedeter Bauteile mittels Spraykühlung

Durch die Anwendung einer Zweiphasenströmung ist es möglich, Bauteilbereiche entsprechend ihres Beanspruchungsprofils zu härten. Es kann direkt aus der Schmiedewärme eine Randschichtvergütung im Bauteil erzeugt werden. Der Abkühlverlauf kann optimal auf eine bestimmte Einhärtungstiefe und Grundhärte abgestimmt werden. Mit den erworbenen Kenntnissen über die Spraycharakteristik konnten bereits präzisionsgeschmiedete Zahnräder aus dem Teilprojekt B1 „Prozessauslegung und Prozessführung“ integriert wärmebehandelt werden. Inzwischen wurde ein Sprayfeld aufgebaut um Langteile integriert wärmebehandeln zu können. Damit sollen Untersuchungen an einer Ritzelwelle und einer Einzylinderkurbelwelle zum Randschichtvergüten mittels Zweiphasenspray durchgeführt werden.

Ein Untersuchungsschwerpunkt liegt in der Verzugsminimierung unter Berücksichtigung der Eigenspannungen. Das Sprayfeld bietet die Möglichkeit bestimmte Düsen unterschiedlich anzusteuern. Auf diese Weise können an unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche des Bauteils differenzierte Wärmeübergangsbedingungen eingestellt werden. Gefügegradient, Verzug und Eigenspannungsverläufe können so Bauteilgerecht eingestellt werden.

Mikrostrukturentwicklung bei der Spraykühlung präzisionsgeschmiedeter Zahnräder

Zur Prozesskettenverkürzung bei der Herstellung von Hochleistungsbauteilen wie Zahnrädern oder Kurbelwellen wird an der Leibniz Universität Hannover im Rahmen des Sonderforschungsbereiches SFB 489 „Prozesskette zur Herstellung von Hochleistungs- bauteilen“ die prozessintegrierte Wärmebehandlung von Verzahnungsbauteilen aus der Schmiedewärme untersucht. Dabei werden präzisionsgeschmiedete Bauteile aus der Schmiedewärme mittels eines Wasser-Luft-Sprays kontrolliert abgekühlt mit dem Ziel einer Randschichtvergütung. Die in dem Werkstoff auftretenden mikrostrukturellen Veränderungen und die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften sind Untersuchungsgegenstand in dem Teilprojekt Modellierung und Simulation zur kontrollierten Abkühlung präzisionsgeschmiedeter Bauteile

Bild 2: Martensitanteil nach Ende der Spraykühlung (links) und Veränderung der Bauteilhärte beim Anlassen aus der Restwärme (rechts)

Induktives Randschichthärten (SDF®) unter Einsatz von Spraykühlung

Das induktive Randschichthärten mittels der Simultaneous-Dual-Frequency –Technologie (SDF®) ermöglicht eine konturgetreue Härtung von hochbeanspruchten Verzahnungsbauteilen bei gleichzeitiger Energie- und Kosteneinsparung. Dabei wird die Kurzzeitaustenitisierung konventionell mit einer Polymerabschreckung unter Einsatz von Einstoffdüsen kombiniert. Trotz der im Vergleich zur reinen Wasserkühlung gesteuerten Abschreckung mittels Polymerlösung ist dieses Abschreckverfahren z.T. mit unerwünschten Effekten behaftet. Neben der schwierigen Handhabbarkeit ist die Polymerabschreckung mit dem Problem der Weichfleckigkeit aufgrund des inhomogenen Benetzungsverhaltens verbunden. Des Weiteren sind Polymerlösungen aufwändig zu entsorgen und führen bei Hautkontakt zu Reizungen. Eine Lösung bietet in diesem Zusammenhang die Abschreckung mittels Spraykühlung auf der Basis eines Wasser-Luft-Gemisches unter Einsatz von Zweistoffdüsen zur Zerstäubung, die im Rahmen dieses Projektes in den Prozess des SDF®-Randschichthärtens integriert werden sollen. Im Vergleich zu Polymerlösungen kann mit dem Wasser-Luft-Gemisch eine langsamere, homogenere und umweltfreundliche Abschreckung durchgeführt werden, die zu einem geringeren Verzug und somit reduzierten Nacharbeitskosten führt. Aufbauend auf den Ergebnissen aus dem Teilprojekt B3 „Prozessintegrierte Wärmebehandlung mit Zweiphasenströmungen“ wird die Technologie der Spraykühlung im Prozess des induktiven Randschichthärtens etabliert, wodurch die hohe Reproduzierbarkeit der induktiven Erwärmung um die gute Kontrollierbarkeit der Wasser-Luft-Abschreckung ergänzt wird. Im Vordergrund steht die gezielte Einstellung des Gefüge- bzw. Härtegradienten und des Eigenspannungszustandes bei gleichzeitiger Verzugsminimierung und hoher Umweltfreundlichkeit.

Bild 3: Abschrecken eines SDF ®-induktionserwärmtn Zahnrades in einem Sprayfeld mittels Wasser-Luft-Gemisch

 

Ansprechpartner: Dmytro Rodman