an definierten Stellen im Bauteil während des Spray-Quench-Prozesses. Bei der Sprayabkühlung ist eine starke Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von der Oberflächentemperatur des Bauteils gegeben 2. Die Ableitung von Wärmeübergangskoeffizienten erfolgte durch Betrachtung des Temperaturverlaufs im gesamten Bauteil auf der Basis der Lumped-Capacitance-Methode. Auch Wärmestromsensoren an der Bauteiloberfläche oder die nicht-taktile Bestimmung der Oberflächentemperaturen mittels der Thermografie wurden eingesetzt 3. Eine bauteil- und materialangepasste Abkühlstrategie für das Modell-Bauteil Common Rail ist in Bild 4 in das UZTU-Diagramm für den HDB-Stahl eingetragen. Kritische Stellen wurden gezielt aus der Simulation ausgewertet (Rand bis Kern) und mit Messpunkten zwischen Rand und Kern verglichen. Damit wurde die Simulation qualitativ validiert und die Effekte einer isothermen Wärmebehandlung, zum 24 SchmiedeJOURNAL September 2014 Beispiel mit einer Isolierung um das Bauteil, mitbetrachtet. Auf diese Weise ergibt sich eine Reduzierung des Martensitanteils von 25 auf größer als 5 Prozent. Die Abkühlstrategie wurde mittels Härteprüfung (IWT Bremen Werkstofftechnik) und Lichtmikroskopie (IEHK Aachen) validiert, wie in Bild 4 rechts und 5 gezeigt. Mit einer zwei- bis vierstufigen Abkühlstrategie wurden Bauteil-Serien an der Schmiedelinie des IFUM hergestellt und kontrolliert abgeschreckt. Am IW Hannover wurden auf Basis der Wirbelstromtechnik unter Nutzung der Harmonischen Analyse Bainitsensoren entwickelt, die eine berührungslose und zerstörungsfreie Erfassung der Werkstoffumwandlung im Prozessablauf während der Abkühl- und isothermen Haltephasen ermöglichen. Die Bainitsensoren für den Einsatz im Salzbad sind aus hochtemperaturbeständigen Materialien aufgebaut und bis zirka 500 °C einsetzbar, während die Bauteiltemperatur bei den aktiv gekühlten Bainitsensoren bis zu 1.250 °C betragen darf. Das eingesetzte Messsystem ermöglicht eine Mehrfrequenzprüfung mit bis zu vier Frequenzen gleichzeitig. Durch die Variation der Prüffrequenz lässt sich die Eindringtiefe anpassen, sodass die Werkstoffumwandlung im Kernbereich und in der Bauteilrandzone differenziert voneinander betrachtet werden können. Unter Nutzung der Fast Fourier Transformation werden sowohl die Grundwelle als auch die Höherharmonischen des Messsignals, die mit der magnetischen Hysterese und daher mit mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit und Härte korrelieren, in Echtzeit ausgewertet 4-5. Die Amplitude der 1. Harmonischen nimmt aufgrund der wachsenden Anteile von ferromagnetischem Material bei der Abkühlung aus dem Austenitgebiet während der Werkstoffumwandlung stetig zu und erreicht zum Ende der Werkstoffumwandlung ihren Maximalwert. Damit liefert die Amplitude der 1. Harmonischen im zeitlichen Verlauf zuverlässige Informationen über den Umwandlungsbeginn und -verlauf sowie das Ende der Werkstoffumwandlung. Der Verlauf des Arbeitspunkts in der Impedanzebene der 3. Harmonischen beschreibt während der Werkstoffumwandlung eine charakteristische Schleife. Die Phasenlage dieser Schleife ändert sich in Abhängigkeit der Phasen- und Gefügeausbildung und ermöglicht eine Unterscheidung der Ferrit-, Bainit- und Martensitbildung. Kommt es während der Werkstoffumwandlung zur Ausbildung unterschiedlicher Gefüge, dann ist dies in einer Überlagerung der entsprechenden Schleifen in der Impedanzebene der 3. Harmonischen zu erkennen. Durch die kombinierte Auswertung der 1. und 3. Harmonischen wird eine Quantifizierung der gebildeten Gefüge- und Phasenanteile ermöglicht. Da die Messergebnisse bereits während der Abkühlphase am Mess-PC dargestellt werden, ermöglicht der Einsatz der Bainitsensortechnik eine gezielte Steuerung der Wärmebehandlung. Bild 6 zeigt die sensorkontrollierte Abkühlung der „abgesetzten Welle“ im Sprayfeld des IWT Bremen (Verfahrenstechnik), wobei die Abkühlung solange erfolgte, bis die Martensit- Starttemperatur (MS) in der Randzone unterschritten wurde und eine Umwandlung (UW) im Messsignal erkennbar war. Die im Fokus des Projekts EcoForge stehenden hochfesten Stähle, wie der HDB – High Strength Ductile Bainite, weisen mit ihren bainitischen Gefügen und der Kombination von Festigkeits und Zähigkeitseigenschaften 6 hohe Anforderungen an die Material- und Gefügecharakterisierung auf. Am IEHK Aachen wurden die Gefügeumwandlungen im Bainit-Phasenfeld und die resultierenden Mikrostrukturen in den Stählen analysiert. Neben der Betrachtung der Kinetik der Umwandlungsvorgänge mit im DilatoReport Bild 4: Vergleich zwischen Messung und Simulation für die Auswertung der Abkühlstrategie des „Common Rail“ mit Isolierung in der Haltephase (links) und Ergebnisse der Härteprüfung und Lichtmikroskopie (rechts) für den HDB-Stahl. Bild 5: Wärmeübergangskoeffizient (WÜK)-Verläufe und HV30-Werte für das Bauteil „Common Rail“ bei unterschiedlichen Abkühlstrategien.
SchmiedeJOURNAL
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