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Distortion Engineering - Ursachen finden für den Verzug bei der Wärmebehandlung von Stahlbauteilen

Status abgeschlossen
Ziele

1. Gesamtziele des SFB
Im SFB 570 werden die eigentlichen Ursachen für den bei der Wärmebehandlung von Stahlbauteilen auftretenden Verzug systematisch erforscht. Dafür werden drei ausgewählte Modellbauteile, nämlich Lagerring, Welle und Zahnrad, in ihren zugehörigen Fertigungsketten untersucht. Unter Distortion Engineering wird die ingenieurmäßige Beherrschung dieser Verzugsursachen verstanden, und zwar einerseits im Sinne der verzugsgerechten Konstruktion und Fertigung der Bauteile, andererseits durch die gezielte Ausnutzung von vorhandenen Verzugspotentialen zur Kompensation der Bauteilverzüge. Bisher wurde Verzug hauptsächlich als Problem der Wärmebehandlung aufgefasst, daneben wurden gelegentlich isoliert Optimierungen in einzelnen Fertigungsschritten versucht. Dagegen verfolgt der SFB 570 das Ziel der Optimierung des Fertigungsprozesses als Ganzes. Nur die Betrachtung des Verzugs als eine Eigenschaft in der gesamten Fertigungskette (Systembetrachtung) kann erfolgreich sein. Dafür müssen auch die Wechselwirkungen der Einflussfaktoren aus den einzelnen Fertigungsschritten auf den Verzug identifiziert, hinsichtlich ihrer Wirkung verstanden und durch Zusammenarbeit der relevanten Fachdisziplinen in einen systemübergreifenden Lösungsansatz einbezogen werden.
Für die Identifikation der wesentlichen Einflussfaktoren und deren Wechselwirkungen wird im Rahmen des SFB 570 eine statistische Versuchsplanung eingesetzt. Die diesbezüglichen Experimente werden dabei aufgrund der Vielzahl möglicher Einflussparameter durch umfangreiche Prozesssimulationen ergänzt. Für die Ermittlung der Verzugsursachen bedarf es der umfassenden Messung und Dokumentation der entscheidenden Einflussfaktoren. Die Maßnahmen zur Verzugsbeherrschung schließen den Einsatz alternativer Prozesse sowie spezieller Vorrichtungen und angepasster Messtechnik zur kontinuierlichen Prozesssteuerung und gezielten Einflussnahme auf die als bedeutsam erkannten Einflussfaktoren ein. Für die Realisierung einer optimierten Fertigungskette kommt dabei der Kommunikation zwischen allen an der Fertigung eines Bauteils beteiligten Bereichen eine herausragende Bedeutung zu.

2. A1: Schmelzmetallurgische Werkstoffherstellung
Aufgabe des Teilprojekts A1, ist zunächst die Bereitstellung von Stählen mit definiertem Seigerungszustand und Reinheitsgrad für den SFB 570 (20MnCr5 und 100Cr6). Die Vorgänge bei der Erschmelzung und Erstarrung von Stahl in Verbindung mit den nachfolgenden Umformprozessen bestimmen örtliche Inhomogenitäten z.B. bzgl. der lokalen chemischen Zusammensetzung, die zu örtlich unterschiedlichem Umwandlungsverhalten führen. Aus einem lokal und zeitlich variierenden Umwandlungsverhalten folgen, aufgrund der damit verbundenen Volumenänderung, Maß- und Formänderungen bis hin zur Rissbildung. In Zusammenarbeit mit den beteiligten Stahlherstellern sollen Strategien zur Entwicklung verzugsarmer Werkstoffe aus dem Teilprojekt hervorgehen.

Das signifikante Verzugspotential, das der Werkstoff bereits als Halbzeug aufweist (siehe Bilder) soll im Rahmen des Teilprojekts A1 insbesondere anhand folgender Einflussgrößen bei Stahlherstellung und Weiterbearbeitung untersucht werden: - Chemische Zusammensetzung der Schmelze (Legierungselemente, Begleitelemente, Härtbarkeit, Reinheitsgrad) - Erstarrung / Ausgangsseigerungen (Strangguss, Blockguss, Gießformat) - Umformen zum Halbzeug (Faserverlauf, Texturen, Eigenspannungsverteilung) Durch Variation ausgewählter Fertigungsparameter sollen dann, neben der Bereitstellung definierter Stahlchargen für die anderen Teilprojekte des SFB 570, zum einen die Grenzen der heute angewendeten Technologien aufgezeigt, zum anderen Optimierungsstrategien zur Stahlherstellung erarbeitet werden.

3. A3: Numerische und experimentelle Untersuchung des Verzugspotentials beim Umformen
Das übergeordnete Ziel der Arbeiten des Teilprojekts A3 ist es, die bei der Umformung von Lagerringen und Zahnrädern entstehenden Seigerungsverläufe und die Eigenspannungen im Bauteil so zu beherrschen, dass das bei der Umformung generierte Verzugspotential bestimmt und an die Bedürfnisse nachfolgender Fertigungsschritte angepasst werden kann. Zu diesem Zweck sollen durch numerische und experimentelle Untersuchungen die wesentlichen Zusammenhänge zwischen den Umformparametern und den resultierenden Werkstückeigenschaften bzw. dem Verzug ermittelt werden. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen sollen Rückschlüsse für eine Auslegung der Umformprozesse gezogen werden, um die nach dem Umformen verbleibenden Seigerungsverläufe und Eigenspannungen und damit den Verzug gezielt zu beeinflussen. Die zu berücksichtigenden Einflussgrößen sind dabei der Stofffluss (mechanisch), Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge (metallographisch) und Wärmebehandlungen (thermisch). Die Anwendung numerischer Methoden soll dabei die durchgehende Beschreibung der Prozessgrößen zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort des Werkstückes ermöglichen. Analysiert und verifiziert werden die Simulationsergebnisse anhand von Umformversuchen an realen Bauteilen. Mittel- bis langfristig wird eine Kombination der makroskopischen FEM und der mikroskopischen molekulardynamischen Simulation (MD) zur Beschreibung und Analyse von umformtechnischen Prozessen angestrebt. Bilderfolge Simulation des Schmiedens von Lagerringen mit DEFORM:

4. A7: Einfluss der Aufkohlung auf das Maß- und Formänderungsverhalten
Das Aufkohlen von Bauteilen verändert die chemische Zusammensetzung der Randschicht. Da Härtbarkeit und Martensitstarttemperatur maßgeblich vom Kohlenstoffgehalt abhängig sind, entsteht durch das Aufkohlen ein Umwandlungseigenschaftsgradient in der Randzone. Abhängig von Legierungszusammensetzung, Bauteilabmessungen, Abkühlbedingungen, Aufkohlungsparametern und Zeichnungsvorgaben stellt sich ein charakteristisches Maß- und Formänderungsverhalten ein. Die zahlreichen Wechselwirkungen des Einsatzhärtens mit verfahrenseigenen Variablen und anderen Verfahrensschritten macht die Untersuchung der Einflüsse kompliziert. Durch den Einsatz der statistischen Versuchsplanung sollen daher die Haupteffekte und die teilprojektübergreifenden Wechselwirkungen (2FWW) erkannt und bewertet werden. Weiterhin wird die Simulation des Aufkohlungsvorgangs unter Ausnutzung vorhandener Software und der experimentellen Ergebnisse verbessert und in die im SFB bereits zusammengestellte Simulation des Wärmebehandlungsprozesses implementiert. Um die Simulationsrechnungen verifizieren und von den Einflüssen der Abschreckung trennen zu können, ist es erforderlich, die Verformungen einfacher Modellproben während der Aufkohlung zu messen. Zur weiteren Modellverbesserung werden die experimentell durchgeführten Parametervariationen in Zusammenarbeit mit A5 und A6 nachvollzogen. Schließlich sollen weitere Parametervariation für die Aufkohlung zur Unterstützung der Auswahl der signifikanten Einflussfaktoren simuliert werden.


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