<?page no="0"?> ISBN 978-3-8169-3531-5 Das Buch greift ein für die Fertigung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen - speziell aus Stahl - äußerst kostenintensives Problemfeld auf: Verzug infolge einer Wärmebehandlung. Nach einer allgemeinen Einführung in die grundsätzlichen Mechanismen der Maß- und Formänderungsentstehung, die dem abschließenden Kenntnisstand des Sonderforschungsbereichs „Distortion Engineering” entsprechen, werden die bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren auftretenden Verzüge besprochen. Daran schließt sich eine Aufarbeitung des derzeitigen Standes der rechnerischen Simulation der Verzugsentstehung an. Abschließend werden zahlreiche Verzugsbeispiele aus der Literatur und der Praxis in übersichtlich ausgearbeiteter Form vorgestellt. Durch dieses Wissen wird der Leser in die Lage versetzt, sein eigenes Verzugsproblem zu bewerten und Lösungsansätze zu finden. Der Inhalt Grundlagen - Berechnung von Maß- und Formänderungen - Literatur - Beispielsammlung - Fazit und Ausblick Die Zielgruppe Fach- und Führungskräfte aus Wärmebehandlung, Arbeitsvorbereitung, Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung; Fachleute für - Metallverarbeitung, Wärmebehandlung (Härtereifachleute), Stahlerzeugung, Arbeitsvorbereitung, Konstruktion und Qualitätssicherung - Technische Abteilungen in der Automobil-Industrie und in der Automobil-Zulieferindustrie im Bereich Maschinenbau - Produktentwicklung, Forschung und Entwicklung Die Autoren sind ausgewiesene Fachleute aus Industrie und Forschungsinstituten, die sich im Fachausschuss 15 „Maß- und Formänderung infolge von Wärmebehandlung” der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. (AWT) zusammengeschlossen haben. K ARL HEEß Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt - Grundlagen - Praxisbeispiele 6., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit ausgearbeiteten, recherchierten Literaturstellen zum Download K ARL HEEß UND 41 MITAUTOREN ISBN 978-3-8169-3531-5 Das Buch greift ein für die Fertigung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen - speziell aus Stahl - äußerst kostenintensives Problemfeld auf: Verzug infolge einer Wärmebehandlung. Nach einer allgemeinen Einführung in die grundsätzlichen Mechanismen der Maß- und Formänderungsentstehung, die dem abschließenden Kenntnisstand des Sonderforschungsbereichs „Distortion Engineering” entsprechen, werden die bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren auftretenden Verzüge besprochen. Daran schließt sich eine Aufarbeitung des derzeitigen Standes der rechnerischen Simulation der Verzugsentstehung an. Abschließend werden zahlreiche Verzugsbeispiele aus der Literatur und der Praxis in übersichtlich ausgearbeiteter Form vorgestellt. Durch dieses Wissen wird der Leser in die Lage versetzt, sein eigenes Verzugsproblem zu bewerten und Lösungsansätze zu finden. Der Inhalt Grundlagen - Berechnung von Maß- und Formänderungen - Literatur - Beispielsammlung - Fazit und Ausblick Die Zielgruppe Fach- und Führungskräfte aus Wärmebehandlung, Arbeitsvorbereitung, Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung; Fachleute für - Metallverarbeitung, Wärmebehandlung (Härtereifachleute), Stahlerzeugung, Arbeitsvorbereitung, Konstruktion und Qualitätssicherung - Technische Abteilungen in der Automobil-Industrie und in der Automobil-Zulieferindustrie im Bereich Maschinenbau - Produktentwicklung, Forschung und Entwicklung Die Autoren sind ausgewiesene Fachleute aus Industrie und Forschungsinstituten, die sich im Fachausschuss 15 „Maß- und Formänderung infolge von Wärmebehandlung” der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. (AWT) zusammengeschlossen haben. K ARL HEEß Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt - Grundlagen - Praxisbeispiele 6., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit ausgearbeiteten, recherchierten Literaturstellen zum Download K ARL HEEß UND 41 MITAUTOREN <?page no="1"?> Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen <?page no="3"?> Karl Heeß und 41 Mitautoren Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt - Grundlagen - Praxisbeispiele 6., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit ausgearbeiteten, recherchierbaren Literaturstellen zum Download <?page no="4"?> Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb.dnb.de abrufbar. © 2021 · expert verlag GmbH Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Alle Informationen in diesem Buch wurden mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autor: innen oder Herausgeber: innen übernehmen deshalb eine Gewährleistung für die Korrektheit des Inhaltes und haften nicht für fehlerhafte Angaben und deren Folgen. Diese Publikation enthält gegebenenfalls Links zu externen Inhalten Dritter, auf die weder Verlag noch Autor: innen oder Herausgeber: innen Einfluss haben. Für die Inhalte der verlinkten Seiten sind stets die jeweiligen Anbieter oder Betreibenden der Seiten verantwortlich. Internet: www.expertverlag.de eMail: info@verlag.expert Satz: pagina GmbH, Tübingen CPI books GmbH, Leck ISBN 978-3-8169-3531-5 (Print) ISBN 978-3-8169-8531-0 (e PDF ) ISBN 978-3-8169-0075-7 (ePub) <?page no="5"?> Inhaltsverzeichnis 5 Inhaltsverzeichnis Geleitworte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Vorworte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Bildnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.2.1 Volumenänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.2.2 Verformungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen . . . . . . . 44 1.3.1 Volumenänderungen durch Umwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.3.2 Maß- und Formänderungen durch thermische Spannungen . . . 46 1.3.3 Maß- und Formänderungen durch Überlagerung von thermischen Spannungen und Umwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 1.4 Vermeidbare Maß- und Formänderungen - Verzugspotenzial . . . . . . 56 1.5 Methode Distortion Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1.6.1 Durchhärten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 1.6.2 Anlassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 1.6.3 Randschichthärten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 1.6.4 Einsatzhärten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 1.6.5 Nitrieren und Nitrocarburieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 1.6.6 Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 1.7 Maß- und Formänderungen - Ursachen aus der Prozesskette . . . . . . 80 1.7.1 Grundlegende Einflussgrößen aus der Prozesskette . . . . . . . . . . . 81 1.7.2 Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen . . . . . . . 84 1.7.3 Ursachen aus der Prozesskette - Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 1.8 Verzugsprobekörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 2.1 Allgemeines zur Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 <?page no="6"?> 6 Inhaltsverzeichnis 2.2 Eingabedaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 2.2.1 Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 2.2.2 Wärmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 2.2.3 Werkstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 2.3 Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.3.1 Temperaturberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2.3.2 Umwandlungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2.3.3 Deformations- und Spannungsberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 2.3.4 Anlassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.4 Berechnungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.5 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 2.6 Aktuelle Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3 Literatur zum Grundlagen- und Berechnungsteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.1 Literatur zu den Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.2 Literatur zur Berechnung von Maß- und Formänderungen . . . . . . . . 142 4 Beispielsammlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.1 Anleitung zum Gebrauch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.2 Schlagwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 4.3 Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.4 Ausgearbeitete Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 4.5 Literaturverzeichnis „Ausgearbeitete Beispiele“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 4.6 Literaturverzeichnis „Nicht ausgearbeitete Beispiele“ . . . . . . . . . . . . . 216 5 Fazit und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 6 Aktuelle und ehemalige Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 Dipl.-Wirtsch.-Ing. Karl Heeß Dr. Mischa Bachmann Dr.-Ing. Gerhard Besserdich Dr.-Ing. Rainer Bohn Dr.-Ing. Martin Ehlers Dr.-Ing. Christoph Escher Dipl.-Ing. Michael Fiderer Dr.-Ing. Clemens Franz Dr.-Ing. Martin Göbel Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Grasemann Dipl.-Ing. Peter Haase Dipl.-Ing. Stefan Henze Dr.-Ing. Martin Hoferer Dr.-Ing. Jürgen Hoffmeister Dr.-Ing. Martin Hunkel Dr.-Ing. Ralf Jennes Dr.-Ing. Michael Jung Dipl.-Ing. Rosa Kaden Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler Rainer Klingemann † Dipl.-Ing. Sven Kunow Dr.-Ing. Michael Lohrmann Dr.-Ing. Thomas Lübben Dr.-Ing. Axel Majorek Dr.-Ing. Stefan Miskiewicz Dr.-Ing. Dieter Müller Dipl.-Ing. Harald Porzner Dr.-Ing. Patrick Reinhold Oliver Renz M. Sc. Maximilian Schaudig Dipl.-Ing. (FH) Gunther Schmitt Dr. mont. Wolfgang Schützenhöfer Dr.-Ing. Maximilian Schwenk Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Streng Prof. Dr.-Ing. Bernd Thoden Dr.-Ing. Nicolas Trapp Dipl.-Ing. Michael Vogel Dipl.-Ing. (FH) Johann Volkmuth Dipl.-Ing. Martina Wägner Dipl.-Ing. Dieter Wiedmann Dipl.-Ing. (FH) Willi Wingens Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch <?page no="7"?> Dipl.-Wirtsch.-Ing. Karl Heeß Dr. Mischa Bachmann Dr.-Ing. Gerhard Besserdich Dr.-Ing. Rainer Bohn Dr.-Ing. Martin Ehlers Dr.-Ing. Christoph Escher Dipl.-Ing. Michael Fiderer Dr.-Ing. Clemens Franz Dr.-Ing. Martin Göbel Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Grasemann Dipl.-Ing. Peter Haase Dipl.-Ing. Stefan Henze Dr.-Ing. Martin Hoferer Dr.-Ing. Jürgen Hoffmeister Dr.-Ing. Martin Hunkel Dr.-Ing. Ralf Jennes Dr.-Ing. Michael Jung Dipl.-Ing. Rosa Kaden Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler Rainer Klingemann † Dipl.-Ing. Sven Kunow Dr.-Ing. Michael Lohrmann Dr.-Ing. Thomas Lübben Dr.-Ing. Axel Majorek Dr.-Ing. Stefan Miskiewicz Dr.-Ing. Dieter Müller Dipl.-Ing. Harald Porzner Dr.-Ing. Patrick Reinhold Oliver Renz M. Sc. Maximilian Schaudig Dipl.-Ing. (FH) Gunther Schmitt Dr. mont. Wolfgang Schützenhöfer Dr.-Ing. Maximilian Schwenk Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Streng Prof. Dr.-Ing. Bernd Thoden Dr.-Ing. Nicolas Trapp Dipl.-Ing. Michael Vogel Dipl.-Ing. (FH) Johann Volkmuth Dipl.-Ing. Martina Wägner Dipl.-Ing. Dieter Wiedmann Dipl.-Ing. (FH) Willi Wingens Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch Aktuelle und ehemalige Autoren <?page no="9"?> Geleitwort zur 6. Ausgabe 9 Geleitwort zur 6. Ausgabe In die 6. Auflage der Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen - Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt“ sind neue Erkenntnisse von insgesamt 10 weiteren internationalen Tagungen und 72 neuen Veröffentlichungen, die seit dem Erscheinen der 5. Auflage im Jahre 2016 stattgefunden haben bzw. erschienen sind, eingeflossen. Durch das fleißige Recherchieren der Mitarbeiter des AWT -Fachausschusses 15 „Maß- und Formänderung“ unter der Leitung von Gunther Schmitt von der ALD Vacuum Technologies GmbH konnte auf diese Weise die 6. Auflage aufbauend auf der 5. Auflage ergänzt, erweitert und verbessert werden. Die große Anzahl von Tagungen und Veröffentlichungen, die sich mit dem Thema Maß- und Formänderungen auseinandersetzen, zeigt deutlich, wie wichtig das Verständnis für diese nicht vermeidbaren Effekte in der gesamten Fertigungskette von der Stahlerzeugung über die anschließende Weichbearbeitung und Wärmebehandlung und der abschließenden Hartbearbeitung der entsprechenden Bauteile von der Fachwelt eingeschätzt wird. Allein durch die Reduzierung von Maß- und Formänderungen können z. B. bei der Einsatzhärtung die Einsatzhärtungstiefen deutlich geringer festgelegt und damit die Aufkohlungsdauern beträchtlich verkürzt werden. Insgesamt können Bauteile so wirtschaftlicher produziert, preiswerter angeboten und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen sichergestellt werden. Unsere zahlreichen Lohn- und Betriebshärtereien können von dieser Entwicklung sicherlich profitieren. Allein durch die Tatsache, dass momentan und auch noch zukünftig eine so große Menge von Fachleuten aus der Industrie, von den Hochschulen und Instituten sich mit dem Thema Verzüge auseinandersetzen, zeigt, dass nach wie vor auf diesem Gebiet hohe Forschungspotentiale vorhanden und viele Ergebnisse nicht verstanden oder nicht schlüssig erklärbar sind. Durch die immer schneller werdende Entwicklung von Simulationssoftware, die immer leistungsfähiger wird, stehen uns allerdings Werkzeuge zur Verfügung, um diese Rätsel zukünftig schneller zu lösen. An der nun 6. Auflage haben dankenswerterweise insgesamt 42 Kolleginnen und Kollegen mitgearbeitet, von denen sich einige bereit erklärt haben, für be- <?page no="10"?> 10 Geleitwort zur 6. Ausgabe stimmte Themen als Kontaktperson zu fungieren und dem interessierten Leser bei speziellen Problemstellungen hilfreich zur Seite zu stehen. Ein Grundgedanke unserer Arbeitsgemeinschaft für Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT) liegt in der Erklärung von Grundlagen, der Weitergabe von neuen Erkenntnissen an unsere Fachkolleginnen und -kollegen und der Übertragung der wissenschaftlichen Ergebnisse in die industrielle Praxis. Alle drei Aspekte werden in dieser Monographie hervorragend und in verständlicher Weise dargestellt. Ich möchte mich in aller Form bei allen Mitautorinnen und -autoren, die uns ihre knapp bemessene Freizeit geopfert haben, bedanken und empfehle Ihnen, liebe Leser, die spannenden Inhalte dieses Werks. Dr. Winfried Gräfen Moers AWT Vorsitzender <?page no="11"?> Geleitwort zur 5. Ausgabe 11 Geleitwort zur 5. Ausgabe Dank einer kontinuierlichen Überarbeitung und Erweiterung hat diese Verzugsmonographie nicht an Interesse und Wert verloren. Dies ist die 5. Auflage und damit 4. Überarbeitung innerhalb von 19 Jahren. Im Schnitt hat sich das Wissen somit alle 5 Jahre so stark weiterentwickelt, dass eine Aufarbeitung der Verzugsmonographie sinnvoll und nötig wurde. Es gibt wahrscheinlich kein anderes Thema, welches einen Fachausschuss über so viele Jahre kontinuierlich beschäftigt hat. Das zeigt die Komplexität und das stetige Interesse dieses Themas in der Fachwelt. Den Stand der Technik ermitteln, zusammenfassen und systematisch zur Verfügung stellen, ist eine große Wertschöpfung für die Entwickler und Wärmebehandlungsexperten unserer AWT Branche. Herzlichen Dank für den nebenberuflichen Einsatz an die Fachausschuss-Mitglieder. Das Interesse an diesem Thema ist zunehmend internationaler geworden und auch die Vernetzung der Verzugsexperten hat international stattgefunden. So ist beispielsweise eine Verschmelzung der beiden internationalen Tagungen Quenching and Control of Distortion und International Distortion Engineering ab 2018 geplant. Auch die neuen aufgenommenen Veröffentlichungen in dieser 5. Auflage stammen zum Großteil von internationalen Tagungen. Für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen haben heute kurze Entwicklungszeiten, geringe Entwicklungskosten sowie robuste Produktionsprozesse und Bauteilergebnisse in der Serie die höchste Priorität. Gerade die verstandenen Zusammenhänge zum Verzug für Simulationen zu nutzen haben hierfür einen großen Wert. Können doch so in einer frühen Phase am Schreibtisch Parameter- und Designvariationen umfassend analysiert werden und somit in der späteren Serienproduktion teure Designmodifikationen oder Nacharbeitskosten vermieden werden. Diese 5. Auflage macht nochmals verstärkt deutlich, dass für robuste Prozesse und damit beherrschbare Bauteilverzüge eine passende und in sich robuste Gesamtfertigungskette nötig ist. Diese Abstimmung und Optimie- <?page no="12"?> 12 Geleitwort zur 5. Ausgabe rung der Teilprozesse aufeinander ist in der Entwicklungsphase, insbesondere in der Serienproduktionsentwicklung, zu berücksichtigen. Diese Monographie erfüllt vollstens die Intention der AWT. Dies ist hier perfekt mit der Wissensweitergabe sowie Übertragung von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Praxis der Wärmebehandlung und Werkstofftechnik gelungen. Dr. Michael Lohrmann Friedrichshafen AWT -Vorsitzender <?page no="13"?> Geleitwort zur 4. Auflage 13 Geleitwort zur 4. Auflage Das Thema dieses Buches steht nach wie vor im Zentrum des Interesses der Wärmebehandlungs-Fachleute. Die Experten im AWT -Fachausschuss 15 „Maß- und Formänderung“ haben ihre Sammlung von Grundlagenbetrachtungen, Untersuchungsergebnissen und Praxiserfahrungen ausgebaut, und viele neue Beiträge zeigen die aktuellen Arbeits-Schwerpunkte, aber auch die Herausforderungen, denen sich Forscher und Praktiker gegenübersehen. Verfolgen wir z. B. das Arbeitsgebiet der Modellierung und Simulation durch das 14-jährige Leben dieser Monografie, so sehen wir, wie jedes gelöste Problem ein neues auf die Tagesordnung gesetzt hat oder, weniger pointiert, aber genauer, wie sich die Schwerpunkte im Lauf der Jahre verschoben haben. In den 90er Jahren waren die verfügbaren Rechnerleistungen noch eine ernstzunehmende Grenze z. B. für die Feinheit der anwendbaren FEM -Netze und damit schon für die Genauigkeit der Modellierung der Bauteile und die Darstellung der Rechenergebnisse. Nicht dass heute Rechenzeiten und Modellgrößen gar kein Thema mehr wären, aber es ist dann doch wichtiger geworden, in den eigentlichen Algorithmen die große Anzahl der physikalischen Gesetze und der stofflichen Größen gültig einzuprogrammieren und nach und nach immer mehr Effekte mit zu berücksichtigen, die anfangs noch vereinfachend vernachlässigt werden mussten. Die Wärmebehandlung hat durch die gemeinsame Betrachtung und gegenseitige Beeinflussung der schon für sich allein umfangreichen Gebiete Mechanik, Thermik, Gefügeumwandlungen und (im Falle des induktiven Randschichthärtens) Elektromagnetismus eine enorme Komplexität im Vergleich zu anderen Arbeitsgebieten, die in dieser Zeit mit Simulationsergebnissen von sich reden gemacht haben, wie z. B. die Crashsimulation bei Autos. Wenn dann die Modelle und Gleichungen alle standen, fehlten oft die genauen Kennwerte für Werkstoffe und Medien, vor allem diejenigen, die gar nicht direkt oder zumindest einfach messbar sind, z. B. die bei hohen Temperaturen. Es ist eines der großen Verdienste des Bremer SFB 570, uns hier mit vielen Daten und Kennfeldern versorgt zu haben. Andere Arbeiten haben die erforderlichen Daten auch aus der Anpassung von parametrierten Rechnungen an passend dazu geplante Versuchsreihen gewonnen. Überhaupt scheint mir der früher manchmal zu beobachtende unselige Antagonismus von Rechnung und Ver- <?page no="14"?> 14 Geleitwort zur 4. Auflage such doch gewichen dem Bewusstsein, dass eine Rechnung nichts anderes ist als die Anwendung eines mathematisch formulierten Versuchsergebnisses, und dass gerade in dieser Anwendung der höchste Wert eines Versuchs liegen kann. Je genauer man nun die realen Material-Kennwerte gemessen hat, desto drängender wird dann die Frage, wie weit denn diese Werte auch gültig sind, da doch das nächste Werkstück, die nächste Schmelze schon wieder ein klein wenig anders ist. Will ich noch genauer rechnen als ich messen bzw. meine Prozesse regeln kann? Wieviel Aufwand muss ich vorab treiben, um meine Materialien und Prozesse zu charakterisieren, damit meine Rechenergebnisse auch für meinen konkreten Fall zutreffend sind? Die große Lösung für alle Fragen auf einmal wird noch lange auf sich warten lassen. Wir können aber in diesem Band sehen, dass Modellrechnungen mit großem Nutzen auf ganz spezifische Fragestellungen angewandt werden können, vor allem wenn sie sich mit gezielt durchgeführten Versuchen ergänzen. Ich danke den Mitgliedern des AWT -Fachausschusses „Maß- und Formänderung“ und allen, die hier mitgearbeitet haben, dafür, dass sie die vornehmste Aufgabe unseres Fachverbandes AWT tatkräftig umgesetzt und mit Leben erfüllt haben: die Weiterentwicklung unseres Fachgebietes im Austausch der Experten und die Verbreitung der Ergebnisse und Erfahrungen zum Nutzen der Anwender und unserer Nachwuchskräfte. Dr. Stefan Hock, Friedrichshafen AWT -Vorsitzender <?page no="15"?> Geleitwort zur 3. Auflage 15 Geleitwort zur 3. Auflage Dies ist bereits die dritte Auflage der „Monographie Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung“. Neun Jahre sind seit dem Erscheinen der 1. Auflage im Jahre 1997 vergangen. Das Erscheinen dieser Neuauflage im Jahre 2006 zeigt, dass das Thema nicht an Aktualität verloren hat. Im Gegenteil, die Bedeutung dieses Themas ist heute größer als je zuvor. Nachdem die Wärmebehandlungsprozesse selbst durch neue Verfahrensentwicklungen, neue Ofentechnologien, Sensoren und Prozessrechnersteuerungen immer präziser und wirtschaftlicher geworden sind, liegt das größte Kosteneinsparungspotential bei der Wärmebehandlung heute in der Reduzierung der Nacharbeitskosten. Und diese hängen nun einmal so gut wie allein von den bei der Wärmebehandlung entstehenden Maß- und Formänderungen ab. Die „Net-shape“-Wärmebehandlung, d. h. die Wärmebehandlung komplett ohne Nacharbeit, ist die große Herausforderung dieses Jahrzehntes. Sollte sie gelingen könnten Milliarden von Euros pro Jahr allein in Deutschland eingespart werden. Die Gründung des Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ ( SFB 570) am Institut für Werkstofftechnik in Bremen im Jahre 2001 zeigt die große wirtschaftliche Bedeutung, die der Aufgabenstellung der Erforschung der Ursachen für die Entstehung von Verzug und der Entwicklung von Maßnahmen zu seiner Vermeidung beigemessen wird. Durch die bisher vorliegenden Ergebnisse der Arbeiten innerhalb des SFB ist klar geworden, dass Maß- und Formänderungen eine Eigenschaft des gesamten Systems des Herstellungsprozesses eines Bauteils sind, angefangen von der Stahlherstellung, über die Konstruktion, Halbzeugfertigung, Bauteilbearbeitung bis hin zur Wärmebehandlung. Ergo dürfen Maßnahmen zur Verzugsreduzierung nicht nur bei der Wärmebehandlung ansetzen, sondern müssen alle Systemkomponenten einbeziehen. Bauteile erwerben mit jedem Durchschreiten eines Fertigungsschrittes einen bestimmten Anteil an Verzugspotential. Dieses zu erkennen und zu reduzieren, <?page no="16"?> 16 Geleitwort zur 3. Auflage ehe sich das Potential bei der Wärmebehandlung in Verzug umsetzen kann, ist eine große Herausforderung, vor der wir heute stehen. Eine andere ist, einem erkannten und definierten Verzugspotential eines Bauteils durch gezielte, gesteuerte Wärmebehandlung so entgegenzuwirken, dass es neutralisiert wird und bei der Wärmebehandlung keine Maß- und Formänderungen auslösen kann. Ehe wir diese Zielsetzungen erreicht haben werden, wird noch eine geraume Zeit vergehen. Wir sind aber auf dem richtigen Weg. Dies wird durch die Zusammenstellung der Arbeiten in dieser Monographie deutlich belegt. Sie gibt einen Überblick über die neuesten Ergebnisse der Forschungen auf diesem Gebiet und kann insbesondere dem Praktiker wertvolle Hinweise zu Ursachen der Entstehung von Maß- und Formänderungen und deren Vermeidung geben. Dr. Bernd Edenhofer, Kleve AWT -Vorsitzender <?page no="17"?> Geleitwort zur 2. Auflage 17 Geleitwort zur 2. Auflage Das Thema Maß- und Formänderung ist aus den vielen Diskussionen über Fragen der Wärmebehandlung nicht wegzudenken. Nicht nur der entstehende wirtschaftliche Schaden, der jährlich durch die Vielzahl nicht beherrschter Abläufe bei der Fertigung wärmebehandelter Bauteile entsteht, sondern der besonders in den letzten Jahren entstandene Informations- und Wissensaufbau haben das große Interesse an diesem Thema, vor allem seitens der mit der Wärmebehandlung von Bauteilen Beschäftigten, noch weiter erhöht. Dabei handelt es sich bei den Maß- und Formänderungen, die auch eng mit den Abläufen während der unterschiedlichen Wärmebehandlungsprozesse verbunden sind, um ein Ergebnis, das von vielen einzelnen Faktoren und nicht nur von der Wärmebehandlung alleine, beeinflusst wird. Neben den physikalischen und damit systematischen Größen sind es vor allem diejenigen Einflussfaktoren, die in der Fertigung der betroffenen Bauteile begründet sind und sich damit der oben genannten Systematik entziehen. Nur das Wissen über diese Zusammenhänge hilft uns bei der Beherrschung der gesamten Abläufe und erlaubt uns die Einstellung guter Ergebnisse besonders im Hinblick auf den maßlichen Endzustand. Die erste Auflage des vorliegenden Buches hat einen maßgeblichen Beitrag zur Klärung der Zusammenhänge geleistet. Die Vielzahl von Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Maß- und Formänderung wurde von der Mitgliedern des AWT -Fachausschusses 15 kritisch gesichtet, diskutiert, bewertet und geordnet. In dieser Form stellten sie für uns eine große Hilfe bei der Bewältigung der tagtäglich auftretenden Probleme bei der Fertigung der vielfältigsten - auch sehr komplizierten - Bauteile dar: sowohl im Wärmebehandlungsbetrieb, als auch im Vorfeld bei der Information und Verpflichtung aller Beteiligten an dem Gesamtprozess. Zwischenzeitlich stehen weitere Methoden zur Erforschung der Zusammenhänge in der Fertigungskette zur Verfügung. Eine sehr interessante Methode ist die Simulation. Sie stellt jene Möglichkeit dar, thermische und mechanische Abläufe während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Werkstoffeigenschaften und der wirkenden mechanischen Größen wie z. B. der im Bauteil herrschenden Eigenspannungen oder anderen Faktoren rechnerisch zu simulieren. Mit Hilfe <?page no="18"?> 18 Geleitwort zur 2. Auflage der Simulation können diese Zusammenhänge besser sichtbar und damit auch erklärbar gemacht werden. Der zweiten Auflage gebe ich den Wunsch mit, dass sie ein ebenso umfangreiches Interesse erfährt wie die erste Auflage und damit einen weiteren wichtigen Beitrag zur Minimierung und Vergleichmäßigung der Maß- und Formänderung bei der Wärmebehandlung von Bauteilen in der Praxis liefert. Mit diesem Wunsch verbinde ich meinen aufrichtigen Dank an die Mitarbeiter dieses Fachausschusses, die diese Beiträge neben ihrer beruflichen Tätigkeit und der beruflichen Anspannung im Namen der AWT geleistet haben. Helmut Mallener, Markdorf AWT -Vorsitzender <?page no="19"?> Geleitwort zur 1. Auflage 19 Geleitwort zur 1. Auflage Maß- und Formänderungen (Verzug) infolge Wärmebehandlung haben Härterei-Fachleute von jeher sehr beschäftigt, denn diese beeinflussen in schwerwiegender Weise Folgekosten durch Nacharbeit oder Ausschuss, welche die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen können. Dementsprechend ist dieses Thema in der Fachliteratur auch immer wieder und zwar vorwiegend für Einzelfälle, abgehandelt worden. Für Werkstücke aus Stahl sind grundsätzliche Zusammenhänge, wie Volumenänderungen durch Umwandlungen, Einfluss von thermischen Spannungen beim Anwärmen und besonders beim Abschrecken sowie deren Überlagerung meistens mit einfachen Modellen (Zylinder, Prismen) mehr oder weniger anschaulich dargestellt worden. Durch Einflüsse des Umwandlungsverhaltens (Härtbarkeit) des Stahls, Randschichthärten, Bildung von Diffusionsschichten, Geometrie der Werkstücke (Form und Größe), Abschreckintensität ist dieses Problem so vielschichtig, dass eine systematische Übersicht sehr erschwert wird. Es ist deshalb sehr zu begrüßen, dass der AWT -Fachausschuss „Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlungen“ seine in jahrelanger Gemeinschaftsarbeit gewonnene Übersicht über dieses komplizierte Gebiet in dieser Monographie der Öffentlichkeit zur Verfügung stellt. In einem ersten Teil werden die Grundlagen ausführlich und gut verständlich beschrieben, wobei auch kurz auf die Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung von Maß- und Formänderungen eingegangen wird. Für den Härterei-Praktiker von besonderem Nutzen dürfte die umfangreiche und systematische Sammlung von konkreten Fallbeispielen aus der Literatur und aus der Praxis von Mitgliedern des Fachausschusses sein. Die Monographie gehört deshalb in die Hand eines jeden Wärmebehandlers. Sie ist geeignet zur persönlichen Weiterbildung, als Handbuch und schließlich als Ergänzung zu Wärmebehandlungskursen. Urs Wyss, Zürich <?page no="20"?> 20 Vorwort zur 6. Auflage Vorwort zur 6. Auflage Seit der fünften Auflage besteht die Verzugsmonographie aus einem Buch (enthält die Grundlagen zur Verzugsentstehung und eine Vielzahl von Quellenangaben) und über einen Link aus dem Netz herunterladbare Ausarbeitungen von verzugsrelevanter Literatur. Dieses Konzept hat sich bewährt und wurde auch für die sechste Auflage verwendet. Im Grundlagenteil der Monographie wurden weitere Beispiele im Abschnitt „Maß- und Formänderungen - Ursachen aus der Prozesskette“ ergänzt, die dem Praktiker wichtige Hinweise geben können. Diese zeigen den Einfluss einzelner Verzugspotentialträger auf den Verzug von Wellen, Schiebemuffen, Zahnrädern und Ringen und geben Hinweise zur Verzugsreduzierung. Im Kapitel „Berechnung von Maß- und Formänderungen“ wurde der Abschnitt „Eingabedaten - Werkstoff“ an aktuelle Erkenntnisse angepasst. Ergänzend wurde eine Anleitung zur Textsuche in der gesamten Monographie erstellt. Basierend auf einigen den Autoren bekannt gewordenen Problemen beim Download wurde mit dem expert verlag eine Verbesserung dieses Schrittes abgestimmt. Im Abschnitt „Beispielsammlung-Anleitung zum Gebrauch“ werden Hinweise zu den notwendigen Einstellungen in verschiedenen Browsern für optimalen Download gegeben. Zudem wird am Ende dieses Vorworts ein Ansprechpartner benannt, den Sie bei Download-Problemen kontaktieren können. Darüber hinaus haben die Autoren in enger Zusammenarbeit mit dem Verlag sichergestellt, dass die sechste Auflage der Verzugsmonographie auf Smartphones, Tablets und Desktop- PC ’s unabhängig vom Betriebssystem genutzt werden kann. Selbstverständlich wurde auch die Literatur, die seit dem Erscheinen der 5. Auflage publiziert wurde, gesichtet. Dabei wurden 81 Veröffentlichungen zum Thema „Maß- und Formänderungen“ vorausgewählt und im Detail von den Fachausschussmitgliedern analysiert und bewertet. Zur Identifikation geeigneter Veröffentlichungen wurden dabei die Jahrgänge 2015-2019 der HTM - Journal of Heat Treatment and Materials und der Zeitschrift „Stahl und Eisen“ gesichtet. Vom Journal Comp. Mater. Science konnten die Jahrgänge 2015-2017 ausgewertet werden. Neben diesen Auswertungen wurde auch in den Fachzeitschriften Advanced Materials & Processes, Elektrowärme International, Journal of Materials Engineering and Performance, Journal of Materials Processing Technology, Journal of Microstructure and Materials Properties, Materials Science & Engineering A, Materials Science and Technology, Materialwissenschaft <?page no="21"?> Vorwort zur 6. Auflage 21 und Werkstofftechnik, Prozesswärme und Thermal Processing geeignete Veröffentlichungen identifiziert. Weiterhin wurden auch die Konferenzbände der internationalen Tagungen aus diesem Zeitraum, die sich mit dieser Thematik befasst haben, ausgewertet: • European Conference on Heat Treatment & 22 nd IFHTSE Congress, 2015, Venice, Italy. • METEC & 2nd ESTAD 2015, European Steel Technology and Application Days, 2015, Düsseldorf, Germany. • 5 th International Conference on Distortion Engineering, IDE 2015, Bremen, Germany. • European Conference on Heat Treatment & 3 rd Int. Conference on Heat Treatment and Surface Engineering in Automotive Applications, 2016, Prague, Czech Republic. • 23 rd IFHTSE Congress, 2016, Savannah, Georgia, USA . • Heat Treat 2017: 29 th ASM Heat Treating Society Conference, 2017, Columbus, Ohio, USA . • 24 th IFHTSE Congress 2017 & European Conference on Heat Treatment and Surface Engineering & A3 TS Congress, 2017, Nice, France. • 1 st International Conference on Quenching and Distortion Engineering, 2018, Nagoya, Japan. • European Conference on Heat Treatment, 2019, Bardolino, Italy. • 11 th International Conference on Tooling, 2019, Aachen, Germany. Im Ergebnis wurden 72 neue Veröffentlichungen in der bewährten standardisierten Form ausgearbeitet und in die Beispielsammlung aufgenommen. Der Umfang der Beispielsammlung steigt damit auf 391 Ausarbeitungen an. Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Maß- und Formänderungen kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar und bittet um Zusendung von Veröffentlichungen, die durch sein Raster gefallen sind. Als Kontaktpersonen stehen die im Folgenden aufgeführten Personen gerne zur Verfügung: <?page no="22"?> 22 Vorwort zur 6. Auflage Für den allgemeinen Teil Thomas Streng HEESS GmbH & Co KG Bahnhofstraße 101 68 623 Lampertheim Telefon: 06 241 / 8309-0 Email: t.streng@heess.com Für den Grundlagenteil Dr. Thomas Lübben Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT Badgasteiner Straße 3 28 359 Bremen Telefon: 0421 / 218-51 321 Email: luebben@iwt-bremen.de Für den Simulationsteil Dr. Martin Hunkel Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT Badgasteiner Straße 3 28 359 Bremen Telefon: 0421 / 218-51 341 Email: hunkel@iwt-bremen.de Michael Fiderer CENIT AG Industriestrasse 52-54 70 565 Stuttgart Telefon: +49 711 / 7825 3510 Email: m.fiderer@cenit.com Für Download-Probleme Dr. Martin Hunkel Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT Badgasteiner Straße 28 359 Bremen Telefon: 0421 / 218-51 341 Email: hunkel@iwt-bremen.de <?page no="23"?> Vorwort zur 6. Auflage 23 Leiter Fachausschuss Gunther Schmitt ALD Vacuum Technologies GmbH Otto-von-Guericke-Platz 1 63 457 Hanau Telefon: 06 181 / 307 3365 Fax: 06 181 / 307 38 3365 Email: gunther.schmitt@ald-vt.de Die Autoren danken Frau Anette Mink, Firma Heess für die Vielzahl an redaktionellen Arbeiten, die sie wieder - wie schon bei allen Auflagen zuvor - ausgeführt hat. <?page no="24"?> 24 Vorwort zur 5. Auflage Vorwort zur 5. Auflage Die auffälligste Änderung an der 5. Auflage der Verzugsmonographie ist der Titel. Die alte Formulierung „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen“ implizierte nicht eindeutig genug, dass das entlang der Fertigungskette kumulierte Verzugspotenzial zwar durch die Wärmebehandlung als Maß- und Formänderungen ausgelöst wird aber nicht unbedingt von ihr zu verantworten ist. Vielmehr könnte man schlussfolgern, dass die Wärmebehandlung hauptverantwortlich für die Verzugsentstehung ist. Der Zusatz „Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt“ stellt nach Meinung der Mitglieder des Fachausschusses FA 15 nun eindeutig klar, dass Verzug eine Systemeigenschaft ist und die gesamte Prozesskette dieses System darstellt. Weiter sei an dieser Stelle explizit erwähnt, dass Maß- und Formänderungen beim Schweißen nicht Thema dieser Monographie sind. Die zweite gravierende Änderung besteht im Verzicht auf die dem Buch beigefügte CD. Nach Einschätzung der Autoren ist der Download die zeitgemäßere Variante, die unabhängig von einem CD -Laufwerk arbeitet. Die Beispielsammlung sowie der gesamte Text des vorliegenden Buches können von der Homepage des Verlages heruntergeladen werden. Der Grundlagenteil der Monographie wurde noch einmal deutlich erweitert und den aktuellen Erkenntnissen angepasst. So wurden die Grundlagen der „Entstehung von Maß- und Formänderungen“ an die abschließenden Erkenntnisse des Ende 2011 ausgelaufenen Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ angepasst. Der Themenbereiche „Randschichthärten“ wurde in seiner Bedeutung für die Verzugsentstehung ebenfalls gemäß dem aktuellen Erkenntnisstand überarbeitet. Die pure Aufzählung der Einflussgrößen auf den Verzug wurde graphisch aufgearbeitet. Dabei wurde der Bezug der Prozessparameter zu den Verzugspotentialträgern herausgearbeitet. Weiter wurde ein neuer Abschnitt zum „Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen“ eingefügt, der dem Praktiker ebenfalls wichtige Hinweise geben kann. Letztlich werden anhand von Beispielen Ursachen für Maß- und Formänderungen aus der gesamten Prozesskette aufgezeigt. Das Kapitel „Berechnung von Maß- und Formänderungen“ wurde ebenfalls an den Stand der Technik angepasst. Insbesondere wurde der Anlassmodellierung ein eigenes Unterkapitel gewidmet. Die Anleitung zum Gebrauch der Monographie wurde um Screen-Shots zur besseren Verdeutlichung der Möglichkeiten und Abläufe erweitert. <?page no="25"?> Vorwort zur 5. Auflage 25 Selbstverständlich wurde auch die Literatur, die seit dem Erscheinen der 4. Auflage publiziert wurde, gesichtet. Dabei wurden 94 Veröffentlichungen zum Thema „Maß- und Formänderungen“ vorausgewählt und im Detail von den Fachausschussmitgliedern analysiert und bewertet. Zur Identifikation geeigneter Veröffentlichungen wurden dabei die Jahrgänge 2010-2014 der HTM - Journal of Heat Treatment and Materials und der Zeitschrift „Stahl und Eisen“ gesichtet. Die Zeitschrift „Computational Material Science“ wurde rückwirkend von 2007 analysiert. Weiterhin wurden die Konferenzbände der internationalen Tagungen aus diesem Zeitraum, die sich mit dieser Thematik befasst haben, ausgewertet: • 4 th International Conference on Thermal Process Modeling and Simulation, 2010, Shanghai. • 3 rd International Conference on Distortion Engineering, IDE 2011, Bremen. • 19 th Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2011, Glasgow. • 6 th International Conference on Quenching and Control of Distortion including 4 th International Conference on Distortion Engineering, 2012, Chicago. • 20 th Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2012, Peking. • European Conference on Heat Treatment and 21 st IFHTSE Congress, 2014, München. • 5 th International Conference on Thermal Process Modeling and Computer Simulation; 2014; Orlando, USA . • Rückwirkend wurde noch die • 1 st International Conference on Quenching and Control of Distortion, 1992, Chicago ausgewertet. Im Ergebnis wurden 78 neue Veröffentlichungen in der bewährten standardisierten Form ausgearbeitet und in die Beispielsammlung aufgenommen. Der Umfang der Beispielsammlung steigt damit von 242 auf 319 Ausarbeitungen an. Der ständigen Weiterentwicklung der Wärmebehandlungssimulation Rechnung tragend, sind ca. ein Drittel aller Ausarbeitungen Beispiele aus diesem Themenkreis. Dem Nutzer wird mit der 5. Auflage wieder eine Monographie zur Verfügung gestellt, die durch Suchfunktionen und Verlinkungen komfortable auf dem Computer angewendet werden kann, um aus der Vielzahl der ausgearbeiteten Veröffentlichungen gezielt die aktuell interessierenden finden zu können. Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Maß- und Formänderungen kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar und bittet um Zusendung von Veröffentlichungen, die durch sein Raster gefallen sind. <?page no="26"?> 26 Vorwort zur 4. Auflage Vorwort zur 4. Auflage Der Fachausschuss 15 hat sich zum Ziel gesetzt, etwa alle 4 Jahre neue Ausarbeitungen in die Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen“ einzubinden. Nachdem diese eigene Vorgabe bereits bei den vergangenen Auflagen erfolgreich umgesetzt werden konnte, haben die Mitglieder des FA 15 auch diesmal fleißig gearbeitet, um der Fachwelt zum HK 2011 die Neuauflage dieser Monographie präsentieren zu können. Zur Identifikation geeigneter Veröffentlichungen wurden die Jahrgänge 2004-2009 der HTM - Zeitschrift für Werkstoffe, Wärmebehandlung, Fertigung - und der Zeitschrift „Stahl und Eisen“ gesichtet. Weiterhin die Konferenzbände der internationalen Tagungen, die sich mit dieser Thematik befasst haben: • 1 st International Conference on Distortion Engineering, IDE 2005, Bremen. • 15 th Conference of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering and SMT 20, 2006, Wien. • 3 rd International Conference on Thermal Process Modeling and Simulation, 2006, Budapest. • 5 th International Conference on Quenching and Control of Distortion, 2007, Berlin. • 2 nd International Conference on Distortion Engineering IDE 2008, Bremen • 17 th Conference of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2008, Kobe. • New Challenges in Heat Treatment and Surface Engineering, Conference in Honour of Prof. B. Liscic, 2009, Dubrovnik - Cavtat. Im Rahmen einer Vorauswahl wurden insgesamt 105 Veröffentlichungen ausgewählt und im Detail analysiert und bewertet. In 91 Fällen fiel das Votum positiv aus und es erfolgte eine Auswertung der entsprechenden Arbeit in der bewährten standardisierten Form. Der Umfang der Beispielsammlung steigt damit von 153 auf 244 Ausarbeitungen an. Erneut eine Steigerung um mehr als 50 %. Der ständigen Weiterentwicklung der Wärmebehandlungssimulation Rechnung tragend, sind ca. ein Drittel aller Ausarbeitungen Beispiele aus diesem Themenkreis. Neben den neuen Ausarbeitungen wurde auch der allgemeine Teil der Monographie in einigen Punkten verbessert. So wurde die Übersicht der Ursachen für Maß- und Formänderungen den aktuellen Erkenntnissen des Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ angepasst. <?page no="27"?> Vorwort zur 4. Auflage 27 Das überarbeitete Stichwortverzeichnis enthält jetzt zahlreiche verbesserte und klarere Definitionen. Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Maß- und Formänderungen kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar und bittet um Zusendung von Veröffentlichungen, die durch sein Raster gefallen sind. <?page no="28"?> 28 Vorwort zur 3. Auflage Vorwort zur 3. Auflage Die Mitglieder des Fachausschuss 15 haben nach dem Erscheinen der zweiten Auflage im Jahr 2003 zwar zunächst einmal „kräftig durchgeatmet“, dann aber konsequent weiter an der standardisierten Ausarbeitung von relevanten Literaturstellen zum Thema Maß- und Formänderungen von Bauteilen aus Stählen gearbeitet. So wurden weitere 56 aktuelle Beispiele in die 3. Auflage aufgenommen. Eine Steigerung des Umfangs von über 50 %. Insgesamt beinhaltet sie jetzt 153 Ausarbeitungen. Der ständigen Weiterentwicklung der Wärmebehandlungssimulation Rechnung tragend, sind insgesamt 37 Beispiele aus diesem Themenkreis. Diese starke Vergrößerung des Inhalts brachte ein Problem mit sich: Die Seitenzahl der Monographie ist von 371 Seiten in der 2. Auflagen auf nunmehr über 600 Seiten angestiegen. Dieser Seitenumfang wäre nur schwerlich in einem Buch unterzubringen gewesen. Der Fachausschuss hat sich daher zur Beschreitung eines neuen Weges entschlossen: Die ausgearbeiteten Beispiele sind nur noch elektronisch auf der diesem Buch beiliegenden CD enthalten, der Grundlagenteil ist sowohl auf der CD als auch im Buch. Neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung bietet diese Form der Monographie einen drastisch verbesserten Komfort bei der Suche nach Stichworte, seien es nun die bereits in der ersten und zweiten Auflage verwendeten Schlagworte oder Autorennamen oder jedes beliebige Textsegment. Die Suchmöglichkeiten des elektronischen Zeitalters führen sehr viel schneller und sicherer zum Ziel als das bisher übliche Nachschlagen in den Schlagwort-Verzeichnissen der Monographie. Die eingearbeiteten Verknüpfungen der Schlagworte mit den Ausarbeitungen erlauben ein schnelles Sichten der gewünschten Informationen und - falls gewünscht - auch einen Ausdruck. Für alle Schlagworte wurden Definitionen in die Monographie aufgenommen, die per Mausklick abrufbar sind. Im Grundlagenteil wurden neue Erkenntnisse aus den Arbeiten des Sonderforschungsbereichs „Distortion Engineering“ eingebracht. Speziell wurde die Tendenz II der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen - verursacht durch thermische Spannungen - systematischer analysiert und die Regel von Ameen als nicht allgemeingültig erkannt. Das Kapitel „Berechnung von Maß- und Formänderungen“ wurde aktualisiert. Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Verzüge kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Die Beispiele wurden jedoch so gewählt, dass die wichtigsten Einflussfelder abgedeckt werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar. <?page no="29"?> Vorwort zur 2. Auflage 29 Vorwort zur 2. Auflage Die Autoren des Fachausschusses 15 haben sich aus unterschiedlichen Gründen zur Überarbeitung der ersten Auflage entschlossen, die sich aufgrund von Anregungen der Leser und inhaltlichen Aspekten ergeben haben. Der Titel der Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung“ wird auf Stähle eingegrenzt. Diese Einschränkung wurde bei der Erstauflage versehentlich nicht vorgenommen, obwohl sich die Inhalte nur auf dieses Thema bezogen. Wir danken den Lesern für den Hinweis zur Klarstellung. Von einer inhaltlichen Erweiterung der Monographie auf alle metallischen Werkstoffe wurde bei der Überarbeitung aufgrund des zu weitreichenden Themengebietes und der damit verbundenen erheblichen zusätzlichen Erweiterung des Umfangs bei der zweiten Auflage Abstand genommen. Der Grundlagenteil der Erstauflage wurde weitestgehend überarbeitet. So wurde die Klassifizierung des Maß- und Formänderungsverhaltens in drei Grundtendenzen nach Wyss in die vorliegende Darstellung integriert. Weiterhin wurde das Konzept des „Verzugspotentials“, das im Rahmen der Arbeiten des Sonderforschungsbereiches 570 „Distortion Engineering“ der Universität Bremen entwickelt wurde, eingearbeitet. Aufgrund der sich stetig weiterentwickelten Erkenntnisse zur Simulation von Wärmebehandlungen und dem Wunsch der Härtereibetriebe nach dem Einsatz gebrauchsfähiger Simulationssoftware zur Vorausberechnung von Maß- und Formänderungen wurde das Kapitel 2 „Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung von Maß- und Formänderungen“ neu formuliert sowie 15 ausgewählte Veröffentlichungen zur Simulation von Maß- und Formänderungen in einer standardisierten Form aufgearbeitet. Die Beispielsammlung wurde durch die Ausarbeitung der Inhalte aktueller, seit der Veröffentlichung der Erstauflage erschienener Veröffentlichungen zum Thema Maß- und Formänderungen von Stählen erweitert. Das vorliegende Buch enthält 97 aus-gearbeitete Praxisbeispiele. Damit wurde dieser Teile der Monographie nahezu verdoppelt. Die in der ersten Auflage gewählte standardisierten Form der Aufbereitung wurde konsequent beibehalten. Das zugehörige Schlagwortverzeichnis wurde gründlich überarbeitet. Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Verzüge kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Die Beispiele wurden jedoch so gewählt, dass die wichtigsten Einflussfelder abgedeckt werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar. <?page no="30"?> 30 Vorwort zur 1. Auflage Vorwort zur 1. Auflage Verzüge oder, anders ausgedrückt, Maß- und Formänderungen bei der Wärmebehandlung führen Jahr für Jahr zu beträchtlichen Kosten in der Fertigung durch Aus-schuss oder Nacharbeit. Ohne dass Summen exakt beziffert werden können, seien durch zwei Beispiele die wirtschaftlichen Auswirkungen verdeutlicht. Im einen Fall betragen die Kosten für eine Schleifbearbeitung nach der Wärmebehandlung etwa 30 % an den Fertigungskosten eines Großserienbauteils der Antriebstechnik. Ein Kunststoff-Spritzgießwerkzeug kann im zweiten Beispiel zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung bereits den Wert eines Mittelklasse-Pkw darstellen; eine hohe Wertschöpfungsstufe, die bei unzulässig großen Verzügen zu nahezu untragbaren Ausschusskosten führt. Der enormen wirtschaftlichen Bedeutung entsprechend, wurden stets große Anstrengungen unternommen, Verzüge entweder so klein wie möglich zu halten oder sie zumindest weitgehend vorhersagen zu können. Mit dem Wissen über die Grundlagen der Wärmebehandlung wuchsen in den letzten Jahrzehnten auch die Kenntnisse über das Entstehen von Verzügen, und sie gehören heute zum festen Bestandteil in der Ausbildung von Wärmebehandlungsfachleuten. Die Beherrschung der Verzüge gestaltet sich - wie die tägliche Praxis zeigt - mitunter äußerst schwierig, da das Verzugsphänomen als sog. Systemeigenschaft von einer Vielzahl sich z. T. gegenseitig beeinflussender Größen abhängt. Ausgehend von der konstruktiven Gestaltung über die Wahl des Werkstoffs, dessen umformtechnische oder spanende Verarbeitung bis zur Wärmebehandlung eines Bauteils, sind alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung am Entstehen des späteren Verzuges mitbeteiligt. Ein Beispiel aus der Produktion von Getriebekomponenten beziffert die unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die Maß- und Formänderungen zu 50-60 % (Bauteilform), 20-30 % (Werkstoffwahl) und nur zu 5-10 % für den eigentlichen Wärmebehandlungsprozess / Ber88/ . Die bereichsübergreifende Verantwortung für den entstehenden Gesamtverzug kommt inzwischen immer häufiger darin zum Ausdruck, dass zur Lösung oder vorbeugenden Vermeidung von Verzugsproblemen die modernen Arbeitsformen wie Qualitätszirkel oder Simultaneous Engineering eingesetzt werden. Als Hilfsmittel und Nachschlagewerk für Praktiker, aber auch als Informationsquelle für mit der Wärmebehandlung noch nicht so Vertraute, entstand als Gemeinschaftsarbeit des Fachausschusses 15 der AWT vorliegende Mono- <?page no="31"?> Vorwort zur 1. Auflage 31 graphie. Nach einer grundlegenden Einführung in die Gesetzmäßigkeiten des Verzugs bis hin zu den Möglichkeiten seiner Vorausberechnung - diese Teile wurden mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlages / Hof96/ entnommen - werden in einer systematischen Zusammenstellung von Literaturdaten typische Beispiele für einzelne Verzugsursachen und deren Behebung beschrieben. Diese Arbeit entstand im Zusammenwirken von Hochschulinstituten und Industrie-Wärmebehandlungs-Fachleuten für tägliche Praxis und Weiterbildung. <?page no="32"?> 32 Bildnachweis Bildnachweis Wir danken den nachfolgend aufgeführten Personen, Verlagen, Instituten und Verbänden für die Genehmigung zur Veröffentlichung von Bildmaterial: • Herr Dr. Kyozo Arimoto • Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann • Frau Dr. R. Chatterjee-Fischer • Herr Prof. Tatsuo Inoue • Herr Maciej Korecki • Herr Prof. Young-Kook Lee • Herr Dr. Scott Mackenzie • Herr Anders Olofsson • Herr Dr. Rüdiger Rentsch • Herr E. Schreiber • Herr Pavel Šuchmann • Herr Yuuki Tanaka • Frau Eva Troell • Herr Dr. W. Schützenhöfer • Frau Eva Troell • Herr Youichi Watanabe • Herr Dr. Urs Wyss • ASM International Materials Park, OH 44 073-0002 • Carl Hanser Verlag GmbH & Co, Kolbergstraße 22, 81 679 München • DGM Informationsgesellschaft • Edition Scriptar SA , Du Creux-De-Gyorsy, CH - 1093 La Conversion / Lausanne • Springer Verlag, Postfach 31 13 40, 10 643 Berlin • Springer Verlag New York, 175, 5. Avenue, NY 10 010 ( USA ) • Springer Verlag, Sachsenplatz 4-6, A - 1201 Vienna • Veitsch-Radex Aktiengesellschaft, Magnesitstraße 2, A - 8700 Leoben • Verlag Stahleisen GmbH, Postfach 10 51 64, 40 042 Düsseldorf • Verlag Moderne Industrie, Justus von Liebig Straße 1, 86 899 Landsberg • Vulkan Verlag GmbH, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45 127 Essen • Institutet för Metalforskning • Institute of Materials, 1 Carlton House Terrace, London SW 1 Y5 DB ( UK ) <?page no="33"?> Bildnachweis 33 • Iron Steel Institute, 4 Grosvenor Gardens, London SW 1 ( UK ) • Technische Hochschule Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39 106 Magdeburg • School of Materials Science & Engineering, Shanghai Jiao Tong University • Wolfson Heat Treatment Center Aston University Birmingham, Aston Triangle Birmingham B47 ET (United Kingdom) • Associazione Italiana Di Metallurgia • International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering • Austrian Society for Metallurgy and Materials • Croatian Society for Heat Treatment and Surface Engineering • Japanese Society for Heat Treatment <?page no="35"?> 1.1 Definitionen 35 1 Grundlagen Nach der Festlegung einiger zentraler Begriffe sollen im Folgenden die für die Entstehung von Maß- und Formänderungen verantwortlichen Mechanismen sowie das für einige Wärmebehandlungsverfahren typische Maß- und Formänderungsverhalten dargestellt werden. 1.1 Definitionen In der Norm „Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen - Begriffe“ ( DIN EN ISO 4885: 2018-07) wird Verzug als „jede Änderung der Form oder der ursprünglichen Maße eines Eisenwerkstücks, die während einer Wärmebehandlung auftritt“, definiert. Die Begriffe Maß- und Formänderung hingegen sind nicht enthalten. Nach Einschätzung der Autoren kann aber eine Monographie, die sich mit dieser Thematik befasst, nicht auf eine Definition dieser Begriffe verzichten. Daher soll in dieser Arbeit unter „Maßänderung“ gemäß der DIN 17 014 in der Ausgabe von 1975 „die Änderung der Maße eines Werkstückes ohne Formänderung“ verstanden werden. In Anlehnung an / Ber77/ soll unter Formänderung „die Veränderung von Winkelbeziehungen und Krümmungen am Bauteil“ verstanden werden. Der Begriff „Verzug“ soll hingegen rein umgangssprachlich verwendet werden, um anzudeuten, dass von Maß- und / oder Formänderungen die Rede ist. Dabei wird bewusst auf die in der DIN EN ISO 4885: 2018-07 verwendeten Einschränkungen „Eisenwerkstück“ und „während einer Wärmebehandlung“ verzichtet. Da in der Regel sowohl Änderungen in den Maßen als auch in Bezug auf Form, Richtung, Ort und Lauf auftreten, müssen die zugehörigen kennzeichnenden Größen ermittelt werden. Kriterien für die Beschreibung des Verzugs sind in DIN EN ISO 1101 zusammengefasst. Die Ermittlung der Geometrieelemente erfolgt durch geeignete Messvorschriften, die stark geometrieabhängig sind. Für die Innenbohrung von zylindrischen Ringen kann eine entsprechende Messvorschrift beispielsweise lauten: Messe Kreise in verschiedenen Höhen. Ermittle einen mittleren Innenradius durch das Einpassen eines mittleren Zylinders unter Minimierung der Summe der Abweichungsquadrate zwischen Messung und dem Standardgeometrieelement Zylinder. Wiederhole diese Prozedur vor und nach der Wärmebehandlung. Die Differenz der Zylinderradien nach und vor der Wärmebehandlung ist dann die Änderung des Maßes „Innenradius“. Als Form kann in diesem Beispiel die Zy- <?page no="36"?> 36 1 Grundlagen linderform herangezogen werden, dessen Toleranzzone durch zwei koaxiale Zylinder vom Abstand t begrenzt wird. Die Formänderung ergibt sich entsprechend aus der Differenz der Werte der Messungen nach und vor der Wärmebehandlung. Bei der Ermittlung der Formabweichungen anhand der Kriterien nach DIN EN ISO 1101 ist zu beachten, dass die eigentliche Gestalt des Elementes nicht berücksichtigt wird. Dies kann zu Fehlinterpretationen des Verzugsverhaltens aus der Differenz der Formänderungen vor und nach der Wärmebehandlung führen, wenn der Verzug durch signifikante Änderungen der Gestalt bestimmt wird. Weiterführende Konzepte zur Analysen der Gestaltsänderung unter Berücksichtigung der Form und Richtung liegen vor / bspw. Sur08, Lüb12/ . 1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen 1 Als Ursache von Maß- und Formänderungen sind heute zwei Ursachen bekannt, die sich durch die Begriffe • Volumenänderungen und • Verformungen Bild 1.1: Ursachen für Maß- und Formänderungen 1 Basierend auf der 4. Auflage dieser Monographie wurde in / Lüb12/ eine erweiterte Version dieses Kapitels publiziert. Diese Version wurde für die vorliegende Auflage mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlags verwendet. <?page no="37"?> 1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen 37 charakterisieren lassen (Bild 1.1 ). In den folgenden beiden Abschnitten werden die zugehörigen Zusammenhänge diskutiert. 1.2.1 Volumenänderungen Volumenänderungen resultieren prinzipiell aus Dichte- und / oder Masseänderungen. Letzterer Fall tritt bei jeder thermochemischen Behandlung auf, da in deren Verlauf zusätzliche Atome in den oberflächennahen Bereich eingebracht werden. Natürlich tragen auch ungewollte Veränderungen wie bspw. eine Randschichtoxidation oder eine Entkohlung zu diesem Effekt bei. Diese gewollten oder ungewollten Randschichtmodifikationen führen neben der Masseänderung in der Regel auch zu Dichteänderungen. Die Dichte wird aber auch durch Phasenumwandlungen und Ausscheidungsprozesse nachhaltig beeinflusst, die ihrerseits von der (lokalen) chemischen Zusammensetzung und dem prozessabhängigen Temperatur-Zeit-Pfad bestimmt werden. Weiterhin können Spannungen das Umwandlungsverhalten nachhaltig beeinflussen (bspw. / Ahr00/ ). Bild 1.2 zeigt die Abhängigkeit der reziproken Dichte - dem spezifischen Volumen - vom Kohlenstoffgehalt / Lem59/ . Diese Darstellung von Lement basiert auf röntgenographischen Messungen der Gitterkonstanten und enthält im Original eine Vielzahl weiterer Abschätzungen. An dieser Stelle wurde die Zahl der dargestellten Phasen bewusst begrenzt. So benötigt der Austenit das geringste Volumen pro Masseneinheit, er weist die höchste Dichte auf. Phasengemische aus Ferrit und Zementit und der Martensit benötigen mehr Volumen. Mit wachsendem Kohlenstoffgehalt steigt das spezifische Volumen für alle genannten Phasen näherungsweise linear an. Die Differenz zwischen den Geraden für Ferrit + Zementit und Martensit vergrößert sich dabei deutlich mit wachsendem C-Gehalt. Entsprechendes gilt für die Volumenänderung eines Bauteiles nach der martensitischen Härtung, das im Ausgangszustand aus Ferrit und Zementit bestand. Mit Hilfe von Bild 1.2 oder unter Verwendung der in / Lem59/ angegebenen Formeln können die resultierenden Volumenänderungen abgeschätzt werden. <?page no="38"?> 38 1 Grundlagen Bild 1.2: Der Einfluss des Gefügezustands auf das spezifische Volumen von Kohlenstoffstählen / Lem59/ Die Ursache für dieses Verhalten ist in der Atomanordnung im jeweiligen Elementargitter zu sehen. So sind die vier Atome / Elementarzelle im kubisch-flächenzentrierten Gitter des Austenits entsprechend dichter gepackt als die zwei Atome / Elementarzelle im kubisch-raumzentrierten Gitter. 1.2.1.1 Volumenänderungen durch Umwandlungen Die im Detail ablaufenden Vorgänge bei der Erwärmung und Abkühlung können mit diesen Überlegungen natürlich nicht erfasst werden. Dafür ist der Einsatz eines Dilatometers hilfreich. Bild 1.3 zeigt einen vollständigen Wärmebehandlungszyklus für eine Probe aus 20MnCr5, die im Ausgangszustand FP -geglüht war. Die Umwandlung in Austenit zeigt die aus der Verringerung des spezifischen Volumens zu erwartende Verkürzung, während die Umwandlung zu Martensit mit einer Volumenvergrößerung einhergeht resultierende Längenänderung am Ende des Zyklus ist vergleichsweise gering, aber positiv und entspricht damit den in Bild 1.2 aufgezeigten Verhältnissen bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 %. <?page no="39"?> 1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen 39 Die Rückumwandlung von Austenit zu Martensit bringt drastisch größere Maßänderungen mit sich. Beispielhaft ist die Volumenänderung in Form einer Längenänderung in der in Bild 1.3 dargestellten Dilatometerkurve für einen 20MnCr5 zu sehen. Wertet man diese Kurve bei 50 °C aus, so stellt man in diesem Beispiel eine Längenzunahme von 0,9 % des martensitischen Gefüges verglichen zum ferritisch-perlitischen Ausgangszustand fest. Erkennbar sind auch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Ferrit-Perlit und Austenit. Bild 1.3: Längenänderungen beim Blindhärten des 20MnCr5 / Lüb12/ 1.2.1.2 Volumenänderungen durch Ausscheidungen Ausscheidungen verursachen kleinere Maßänderungen, die aber im Dilatometer noch gut nachweisbar sind. Bild 1.4 zeigt dies am Beispiel der Carbidausscheidungen beim ersten Anlassen des Stahls X155CrVMo12-1. Die Abweichung vom linearen Ausdehnungsverhalten bei ca. 260 °C ist auf diesen Vorgang zurückzuführen. Weiterhin sind die Bildung von kubischem Martensit und die erneute Martensitbildung am Ende der Abkühlung von Anlasstemperatur erkennbar. <?page no="40"?> 40 1 Grundlagen Bild 1.4: Längenänderungen beim ersten Anlassen des X155Cr VM o12 - 1 nach einer Austenitisierung bei 1050 °C und Ölabschreckung / Lüb12/ 1.2.2 Verformungen Zur Verzugsentstehung beitragende Verformungen lassen sich in plastische und elastische Verformungen unterteilen. Die für die Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung relevanten elastischen Verformungen entstehen bei der Wärmebehandlung selbst und werden durch die Eigenspannungen des Bauteils hervorgerufen (s. Bild 1.1). Jede Veränderung des am fertigen Bauteil vorliegenden Eigenspannungszustandes führt dann über plastische Verformungen unvermeidbar zu Änderungen in den elastischen Verformungen und damit zu Maß- und Formänderungen. Dies kann bspw. durch thermische oder mechanische Lasten im Einsatz des Bauteils erfolgen. Auch ein mechanischer Eingriff in das Spannungsgleichgewicht z. B. durch lokale Abtragprozesse führt zu Verformungen. Zur Erzeugung von plastischen Verformungen sind Spannungen notwendig. Diese können mehrere Ursachen haben. Einerseits können es Wärme- und Umwandlungsspannungen sein, wie sie bei vielen Wärmebehandlungsprozessen aufgrund von thermischen bzw. thermischen und chemischen Gradienten entstehen. Diese werden im Detail im Abschnitt 1.3 diskutiert. Andererseits können Lastspannungen zu Maß- und Formänderungen führen. Hier sei bspw. der Einsatz von Abschreckfixturen genannt, die zur gezielten Erzeugung von Richtkräften beim Abschrecken von bestimmten Bauteilgruppen wie bspw. Synchronringen, Schiebemuffen, Kupplungskörpern und Tellerrä- <?page no="41"?> 1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen 41 dern, eingesetzt werden / Hee99/ . Aber auch durch Verspannen einer Gruppe von Führungsleisten werden Lastspannungen erzeugt, die die Einzelteile eines solchen Pakets in Form halten / Hub92/ . Nicht vergessen werden darf, dass das Eigengewicht des Bauteils als Lastspannung wirkt. Speziell für dünnwandige Teile können hier bei mangelnder mechanischer Unterstützung oder aber in Kombination mit Reibung zwischen Bauteil und Auflage, besonders bei mehrlagiger Chargierung, Lastspannungen in kritischer Höhe entstehen. Letztendlich wirken Eigenspannungen, die aus den Prozessen vor der Wärmebehandlung stammen, genauso wie die oben erwähnten Eigenspannungen nach der Wärmebehandlung. Der Unterschied liegt darin, dass bei einer Wärmebehandlung die Temperaturen zwangsläufig höher sind als im Einsatz. Entsprechend können daraus deutlich größere Maß- und Formänderungen entstehen. Details zu diesem und dem vorangegangenen Aspekt werden in / Sur12/ am Beispiel der Produktion von Wälzlagerringen vorgestellt. Aus den Spannungen können aber letztlich nur dann Maß- und Formänderungen resultieren, wenn sie zu plastischen Verformungen führen. Dies kann durch eine Überschreitung der Streckgrenze geschehen, durch Umwandlungsplastizität oder durch Kriechprozesse (Bild 1.1). Für jeden dieser Effekte ist die Ursache der Spannung unerheblich. 1.2.2.1 Plastische Deformationen durch Streckgrenzenüberschreitung Beim erstgenannten Mechanismus bedarf es einer Mindestspannung, die größer als die lokale Streckgrenze ist. Diese Größe ist u. a. abhängig von der Temperatur (Bild 1.5, links). Bei niedrigen Temperaturen können vergleichsweise große Spannungen elastisch ertragen werden. Mit steigender Temperatur sinkt dieser Widerstand gegen eine plastische Deformation aber immer weiter ab, bis er bei üblichen Haltetemperaturen nur noch wenige zig MP a beträgt. Zudem tritt bei diesen Temperaturen nur noch eine geringe Verfestigung auf, so dass geringe Überschreitungen der Streckgrenze zu großen plastischen Deformationen führen können: 65 MP a reichen bei 700 °C aus, um eine plastische Deformation von 0,2 % zu erzeugen (Bild 1.5, rechts). <?page no="42"?> 42 1 Grundlagen Bild 1.5: Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze des 100Cr6 im GKZ -geglühten Ausgangszustand (links) und zugehörige Spannungs-Dehnungskurven bei 20 und 700 °C gemessen mit einer Dehnrate von 40×10 - 4 1 / s (rechts) / Lüb12/ . 1.2.2.2 Plastische Deformationen durch Umwandlungsplastizität Im Gegensatz zum gerade besprochenen Mechanismus benötigt die Umwandlungsplastizität keine Mindestspannung für plastische Deformationen. Das umwandlungsplastische Dehnungsinkrement ist proportional zum Spannungsdeviator (im einachsigen Lastfall proportional zur wirkenden Spannung) und tritt immer dann auf, wenn ein Umwandlungsprozess und eine Spannung zeitgleich auftreten / Bes93/ . Dabei ist es gleichgültig, ob Austenit oder eine ferritische Phase gebildet wird. Die Proportionalitätskonstante zwischen der umwandlungsplastischen Dehnung und dem Spannungsdeviator hängt aber von der Art der Umwandlung ab / Dal06/ . In Bild 1.6 sind Dilatometerkurven für die Martensitbildung des 42CrMo4 dargestellt. Es zeigt sich, dass eine Spannung, die kurz vor Beginn der Umwandlung aufgebracht wird, die spannungsfreie Kurve deutlich verändert. Für die Martensitbildung beim 42CrMo4 ergab sich für die Proportionalitätskonstante ein Wert von 4,2×10 -5 mm²/ N. D. h. bei einer Spannung von 50 MP a resultiert in diesem Fall nach vollendeter Umwandlung eine umwandlungsplastische Deformation von 0,2 %. Die Umwandlungsplastizität sorgt speziell bei zeiligem Gefüge für eine Anisotropie und Ortsabhängigkeit der Umwandlungsdehnung. Insbesondere beim Erwärmen von Bauteilen im FP -geglühten Zustand mit ausgeprägten Zeilen aus Ferrit und Perlit können durch diesen Effekt auf mesoskopischer Ebene deutliche Maß- und Formänderungen der Bauteile auf makroskopischer Ebene hervorgerufen werden. Details dazu werden in / Hun12, Ren12/ vorgestellt. <?page no="43"?> 1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen 43 Bild 1.6: Einfluss von Spannungen auf das Längenänderungsverhalten bei der martensitischen Umwandlung am Beispiel des Stahls 42CrMo4 / Bes95/ 1.2.2.3 Plastische Deformationen durch Kriechen Auch der dritte verzugsrelevante Plastizitätsmechanismus - das Kriechen - bedarf keiner Mindestspannung. Er wirkt speziell bei erhöhten Temperaturen und ist ein zeitabhängiger Effekt (s. Bild 1.7). Selbst bei einer sehr moderaten Spannung von 5 MP a resultiert bei einer beim Aufkohlen üblichen Temperatur von 940 °C bereits nach einer Stunde eine plastische Deformation von 0,2 %. <?page no="44"?> 44 1 Grundlagen 1.2.2.4 Relevanz der Mechanismen • Die Umwandlungsplastizität ist sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen ein relevanter Verzugsmechanismus. • Die Streckgrenzenüberschreitung ist primär beim Abschrecken von großer Bedeutung. Beim Erwärmen spielt sie dann eine Rolle, wenn sehr große Fertigungseigenspannungen im Teil vorliegen, die bereits bei geringen Temperaturen die Streckgrenze überschreiten. • Das Kriechen spielt beim Abschrecken keine Rolle, da der für diesen Mechanismus notwendige Temperaturbereich recht schnell durchquert wird. Beim Erwärmen und Halten bzw. Aufkohlen hingegen darf dieser Mechanismus bei einer Bewertung möglicher Verzugsursachen nicht aus dem Auge verloren werden. Bild 1.7: Plastische Deformation durch Kriechen bei 940 °C am Beispiel des 20 MC r5 / Lüb12/ 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 2 Zur Ableitung der Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen und der zugehörigen Spannungen wird in den folgenden Abschnitten ein Gedankenexperiment vorgestellt. Dieses Konstrukt ist nicht realistisch, aber es 2 Basierend auf der 4. Auflage dieser Monographie wurde in / Lüb12/ eine erweiterte Version dieses Kapitels publiziert. Diese Version wurde für die vorliegende Auflage mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlags verwendet <?page no="45"?> 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 45 ermöglicht die Entstehung von unvermeidbaren Maß- und Formänderungen zu verstehen. 1.3.1 Volumenänderungen durch Umwandlung Zunächst wird angenommen, dass ein Bauteil unter idealen Bedingungen gefertigt werden kann, d. h. • es weist eine absolut homogene chemische Zusammensetzung auf, • es liegt ein homogenes Gefüge mit homogener Korngrößenverteilung vor, • es beinhaltet keinerlei Texturen und • die Vorbearbeitung kann einen völlig eigenspannungsfreien Rohling liefern. Weiterhin muss angenommen werden, dass die Wärmebehandlung unter idealisierten Bedingungen durchgeführt werden kann. Diese beinhalten: • gleichmäßige Erwärmung am Bauteil, • langsamste Erwärmgeschwindigkeit, • ideale Chargierung mit ausreichend großen Abständen zwischen den Bauteilen und • minimal mögliche Abkühlgeschwindigkeit mit • ideal homogenen Wärmeübergangsverhältnissen. Selbst diese perfekte Fertigung würde zu Maßänderungen führen, wenn durch die Wärmebehandlung eine Veränderung der Mikrostruktur bewirkt wird! Bloße Maßänderungen entstehen dann bereits ohne jede plastische Deformation und völlig unvermeidbar durch die Abhängigkeit des spezifischen Volumens vom Gefügezustand (Bild 1.2). Aus diesem Bild / Lem59/ ist bspw. zu entnehmen, dass ein martensitisch gehärtetes Bauteil aus einem Stahl mit 0,4 % Kohlenstoff durch eine Normalglühung mit sehr langsamer Abkühlung, die unter diesen Bedingungen zu einem ferritisch / perlitischen Gefüge führt, eine unvermeidbare Volumenreduzierung erfährt. Dieses Beispiel mag praktisch nicht relevant sein, aber es zeigt klar den Zusammenhang zwischen unvermeidbaren Maßänderungen und Phasenumwandlung unter den eingangs formulierten idealisierten Bedingungen. Eine von Wyss erstellte Systematisierung der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen bezeichnet diesen Fall mit „Tendenz I“ (Bild 1.8). In dieser Darstellung / Wys72/ kennzeichnen die gestrichelten Linien die Ursprungskontur und die durchgezogenen mögliche Umrisse nach der Wärmebehandlung. Die Tendenz I zeichnet sich durch reine Maßänderungen ohne Formänderungen aus, die aber anisotrop sein können. Sie sind von folgenden Größen abhängig: <?page no="46"?> 46 1 Grundlagen • chemische Zusammensetzung (speziell Kohlenstoff) • Ausgangsgefüge • Austenitisierbedingungen • Art der Umwandlung • Grad der Umwandlung (anteilig, vollständig) Bild 1.8: Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen / Wys72/ 1.3.2 Maß- und Formänderungen durch thermische Spannungen Im nächsten Schritt des Gedankenexperiments wird die Forderung nach beliebig langsamer Abkühlung fallen gelassen, um sich den realen Verhältnissen bei einem Härteprozess anzunähern. Im ersten Schritt soll aber von einem umwandlungsfreien Prozess ausgegangen werden. 1.3.2.1 Spannungsentwicklung und Eigenspannungszustand Grundsätzlich gilt dann, dass bei jedem Abschreckprozess zwangsläufig die Oberfläche zunächst schneller abkühlt als die innen liegenden Bereiche. Dadurch versucht der randnahe Bereich zu kontrahieren. Diesem Bestreben stellt sich aber der noch warme Kern entgegen. Entsprechend kommt es zunächst zur Ausbildung von Zugspannungen am Rand und kompensierenden Druckspannungen im Kern (Bild 1.9, / Ros66/ ). Mit fortschreitender Abkühlung wächst die Temperaturdifferenz zwischen Rand und Kern an, bis sie ein Maximum erreicht. <?page no="47"?> 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 47 Zu diesem Zeitpunkt (Punkt W in Bild 1.9) haben sich maximale Zugspannungen eingestellt. Im weiteren Verlauf gehen diese kontinuierlich zurück. Bei rein elastischem Verhalten würde nach Temperaturausgleich ein eigenspannungsfreier Zylinder resultieren (Kurve a). In der Realität wird aber bei einem Abschreckprozess die (temperaturabhängige) Warmstreckgrenze des Werkstoffs in der Regel überschritten und die resultierenden plastischen Deformationen (schraffierte Bereiche) verschieben die Spannungen im oberflächennahen Bereich in Richtung Druck. Am Ende resultiert ein typischer Abschreck-Eigenspannungs-Zustand: Druckeigenspannungen im Randbereich und Zugeigenspannungen im Kern. Bild 1.9: Entstehung von Wärmeeigenspannungen / Ros66/ 1.3.2.2 Maß- und Formänderungen Aus diesen Ausführungen wird deutlich, dass die Ursache für die Maßänderungen in diesem Fall letztendlich in den lokalen Überschreitungen der Warmstreckgrenze und den damit verbundenen plastischen Verformungen zu finden ist. Vor Beginn der Arbeiten des Sonderforschungsbereichs Distortion Engineering ( SFB 570) im Jahre 2001 ging man davon aus, dass die zugehörigen Maß- und Formänderungen durch die Regel von Ameen beschrieben werden können. Diese besagt, dass beim Vorliegen von reinen Wärmespannungen wäh- <?page no="48"?> 48 1 Grundlagen rend des Abschreckens alle Werkstücke Maß- und Formänderungen erfahren, welche ihre Gestalt der Kugelform näher bringen / Ame40/ . Ergo verkürzt sich die größere Abmessung und die kleinere vergrößert sich. Die Systematisierung nach Wyss bezeichnet diesen Fall mit Tendenz II (Bild 1.8). Bild 1.10 zeigt dies eindrucksvoll am Beispiel eines ehemals Vierkantknüppel-Ballastkörpers aus 100CrMn6 nach einigen hundert Härtezyklen mit Salzbadabschreckung. Bild 1.10: Ursprünglich Vierkant-Ballastkörper aus 100CrMn6 nach mehreren hundert Salzbadabschreckungen / Lüb12/ Die aus reinen Wärmespannungen resultierenden Maßänderungen steigen mit wachsenden Spannungen und sinkender Streckgrenze an. Entsprechend gelten folgende Aussagen / Cha73/ , die sinngemäß auch auf den Erwärmvorgang übertragen werden können: Es ergeben sich ansteigende Maßänderungen mit • wachsender Abschrecktemperatur, • wachsender Abschreckgeschwindigkeit, • sinkender Wärmeleitfähigkeit, • wachsender Wärmeausdehnung, • sinkender Warmfestigkeit und • wachsenden Abmessungen. <?page no="49"?> 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 49 1.3.2.3 Einfluss der Biot-Zahl auf die Maßänderungen Ein Studium noch älterer Veröffentlichungen zu diesem Thema, wie es von Berns durchgeführt wurde / Ber04/ , zeigt aber, dass diese Regel nicht in der oben formulierten Allgemeinheit gültig ist. So wurde bereits 1927 von Portevin und Sourdillon festgestellt, dass schlanke Stahlzylinder (∅ 25 × 125 mm), die von einer Temperatur unterhalb von A c1 in Wasser abgeschreckt wurden, nur bei Abschrecktemperaturen oberhalb eines bestimmten Mindestwertes eine Reduzierung der Länge erfahren und damit der Regel von Ameen entsprechen. Für kleinere Abschrecktemperaturen und für die langsamere Ölabschreckung ergab sich hingegen eine Verlängerung der Zylinder (Bild 1.11, / Por27/ ). Diese beiden Aspekte sind gleichbedeutend mit einem geringeren Temperaturgradienten während der Abkühlung. Eine Steigerung der Festigkeit der Zylinder durch eine Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes im Stahl verschiebt zudem den Beginn der Gültigkeit der Ameen’schen Regel zu höheren Abschrecktemperaturen. Bild 1.11: Längenänderung von schlanken Stahlzylindern in Abhängigkeit von der Abschrecktemperatur (< A c 1 ), dem Kohlenstoffgehalt des Stahls und dem Abschreckmedium / Por27/ Der SFB 570 hatte diese Thematik aufgegriffen und dabei auch geringere Wärmeübergangskoeffizienten, wie sie bei der Abschreckung in Gasen resultieren, in die Untersuchungen mit einbezogen. In einer Vielzahl von Versuchen und Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine dimensionslose Kenngröße, die nach dem französischen Physiker und Mathematiker Jean-Baptiste Biot <?page no="50"?> 50 1 Grundlagen (1774-1862) benannt ist, der Schlüssel zum Verständnis dieses Sachverhalts ist. Die aus der Thermodynamik bekannte Biot-Zahl berechnet sich als Verhältnis des Wärmeübergangs zur Wärmeleitung eines Körpers aus drei Parametern, die • den Prozess über den Wärmeübergangskoeffizienten α, • den Werkstoff über die Wärmeleitfähigkeit λ und • das Bauteil über eine charakteristische Länge - hier Durchmesser D charakterisieren: Gleichung (1) Die Maßänderungen von umwandlungsfreien, langen Zylindern (Verhältnis von Länge zu Durchmesser > 3) infolge eines Abschreckprozesses sind nur vom Wert dieser Zahl und nicht von den Werten der drei Einzelgrößen abhängig / Fre05, Fre07/ . In Bild 1.12 sind eine Vielzahl von Simulationen mit verschiedenen Kombinationen dieser drei Parameter zusammengefasst. Es zeigt sich dabei, dass unterhalb einer Mindest-Biot-Zahl von 0,4 keine Maßänderungen resultieren. Unter diesen Bedingungen treten ausschließlich elastische Verformungen auf. Bis zu einer Biot-Zahl von etwa 3,2 kommt es zu einer Bauteilverlängerung mit einer Verringerung des Durchmessers. Erst oberhalb dieses Wertes resultieren Maßänderungen, die der Ameen’schen Regel folgen. <?page no="51"?> 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 51 Bild 1.12: Maßänderung von langen Zylindern aus dem austenitischen Stahl X8CrNiS 18 - 9 in Abhängigkeit der Biot-Zahl / Lüb12/ 1.3.2.4 Einfluss der plastischen Dehnungen auf Maß- und Formänderungen Was ist nun der Grund für diese Umkehrung des Maßänderungsverhaltens? Bild 1.13 zeigt für verschiedene Werte der Biot-Zahl die Verteilung der Axialkomponente des plastischen Dehnungstensors. Bis zur maximalen Längenänderung in Bild 1.12 überwiegen über den Querschnitt gesehen positive Werte dieser Größe. Danach nimmt der Querschnittsanteil mit negativen plastischen Dehnungen in Axialrichtung kontinuierlich zu und führt so zu der beobachteten Kontraktion der Länge oberhalb der genannten Biot-Zahl von 3,2. Die Eigenspannungen in Axialrichtung weisen den gleichen Trend auf: Hier steigt mit wachsender Biot-Zahl der Querschnittsanteil mit Zugspannungen in Axialrichtung. <?page no="52"?> 52 1 Grundlagen Bild 1.13: Konturänderung mit zugehörigen Verteilungen von plastischer Dehnung und Eigenspannung in axialer Richtung für verschiedene Biot-Zahlen (gezeigt ist jeweils ein Viertel des Zylinderquerschnitts) / Lüb12/ Es ist zu beachten, dass die oben genannten Werte der Biot-Zahl von 0,4 bzw. 3,2 nur für den der Untersuchung zugrundeliegenden Werkstoff X8CrNiS18-9 gelten. Qualitativ sind aber für alle Werkstoffe, die keine Phasenumwandlungen während einer Wärmebehandlung aufweisen, ähnliche Abhängigkeiten zu erwarten. In / Fre07/ wurden Simulationen mit systematischen Parametervariationen durchgeführt, die den prinzipiellen Einfluss der einzelnen Größen zeigen. Dabei wurde gezeigt, dass insgesamt neben der Biot-Zahl lediglich fünf weitere dimensionslose Kennzahlen zur vollständigen Charakterisierung des Maßänderungsverhaltens von langen Zylindern ohne Phasenumwandlung benötig werden: Gleichung (2) <?page no="53"?> 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 53 V, O: Volumen und Oberfläche der Zylinder α th : thermischer Ausdehnungskoeffizient T o , T q : Abschreck- und Badtemperatur ν, E: elastisch Eigenschaften (Querkontraktionszahl und E-Modul) σ 0 , K, n: plastische Eigenschaften (Streckgrenze und Parameter eines modifizierten Ramberg-Osgood Modells / Fre07/ ) Die Untersuchungen konnten allerdings die Funktionen f und g prinzipiell nicht vorhersagen. Ein erster Ansatz zu einer geschlossenen Beschreibung wurde von Landek entwickelt / Lan08/ . Er benutzte gemittelte Materialparameter von 28 repräsentativ ausgewählten austenitischen Stählen und die zugehörigen Standardabweichungen für die Durchführung von Wärmebehandlungssimulationen. Die resultierenden Längenänderungen wurden durch ein nichtlineares Regressionsmodell mit den sechs dimensionslosen Kenngrößen als Parametern gefittet. Bild 1.14 zeigt den Vergleich zwischen Ergebnissen der Wärmebehandlungssimulation und dem Regressionsmodell. Die Übereinstimmung ist nicht perfekt, aber das Regressionsmodell bietet die Möglichkeit, die Längenänderungen abzuschätzen, wenn die Material- und Prozessparameter aus Gleichung 2 bekannt sind. Bild 1.14: Gegenüberstellung der Längenänderungen von umwandlungsfreien Zylindern aus austenitischem Stahl berechnet mittels Wärmebehandlungssimulation bzw. mittels Regressionsmodell / Lan08/ ] <?page no="54"?> 54 1 Grundlagen 1.3.3 Maß- und Formänderungen durch Überlagerung von thermischen Spannungen und Umwandlungen Im letzten Schritt des Gedankenexperiments muss bedacht werden, dass ein Härteprozess zwingend Phasenumwandlungen benötigt. Ferner gibt es klare Anforderungen an die lokalen Abkühlraten, wenn eine vorgegebene Gefügezusammensetzung eingestellt werden soll. Daher werden im allgemeinen Fall im Bauteil Temperaturgradienten und die zugehörigen thermischen Spannungen vorliegen, die von Phasenumwandlungen überlagert werden, die ihrerseits von der lokalen Abkühlkurve bestimmt werden. Im Gegensatz zur Situation aus Abschnitt 1.3.1 liegen hier Gradienten in der Phasenumwandlung vor, die zu Umwandlungsspannungen führen. Die Überlagerung der Spannungen aus diesen beiden Quellen führt zu einem komplexen zeitabhängigen Spannungsprofil im Bauteil. Die Maß- und Formänderungen ergeben sich dann aus den umwandlungsbedingten Dichteänderungen und den plastischen Deformationen, die während des Abschreckens aus Streckenüberschreitungen und Umwandlungsplastizität resultieren. In Bild 1.15 / Srö84/ sind im oberen Bildteil drei hypothetische Abkühlverläufe für Rand und Kern eines Vollzylinders in ein charakteristisches ZTU -Diagramm eingetragen. Der untere Bildteil zeigt die zugehörigen berechneten Wärmespannungen (dünne Linien) und Gesamtspannungen (dicke Linien) für den Rand (durchgezogene Linien) und den Kern (gestrichelte Linien). Die Zeitintervalle mit plastischen Deformationen sind durch ein Raster unterlegt. Die Fälle a), b) und c) stellen typische Wechselwirkungen zwischen dem Abkühlprozess und dem Umwandlungsverhalten eines Stahls dar. Der in Teilbild a dargestellte Abkühlverlauf repräsentiert den Fall einer durchgreifenden martensitischen Härtung, bei der die Umwandlung des Randes vor der Umkehr der reinen Wärmespannungen erfolgt (Zeitpunkt tu). Durch den Beginn der martensitischen Randumwandlung und der damit verbundenen Volumenvergrößerung gerät der Rand unter eine zusätzlich wirkende Druckspannung. Durch diese werden die plastischen Deformationen vorzeitig gestoppt und die Spannung fällt ab. Der Vorzeichenwechsel der Spannungen wird dadurch insgesamt zu kleineren Zeiten hin verschoben. Im weiteren Verlauf wurde angenommen, dass die Zugspannungen im Kern aufgrund der dort relativ hohen Temperatur die Warmstreckgrenze überschreiten, was zu einer umwandlungsbedingten plastischen Verlängerung des Kerns führt. Die anschließende martensitische Kernumwandlung erzeugt eine weitere Spannungsumkehr, so dass nach vollständigem Temperaturausgleich Zugspannungen im Rand und Druckspannungen im Kern vorliegen. Die Umwandlungsvorgänge beeinflussen <?page no="55"?> 1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen 55 hier maßgeblich den Spannungsverlauf und bestimmen damit die Eigenspannungsverteilung Bild 1.15a / Srö84/ ). Zum Teilbild b wurde davon ausgegangen, dass die Umwandlungsvorgänge erst nach der Umkehr der Wärmespannungen ablaufen. Dies hat zur Folge, dass die umwandlungsbedingte Volumenvergrößerung des Randes die dort vorhandenen Wärmedruckspannungen verstärkt und aus Gleichgewichtsgründen auch vergrößerte Kernzugspannungen auftreten. Im Gegensatz zu Teilbild a wurde in diesem Fall davon ausgegangen, dass keine umwandlungsbedingten plastischen Verformungen auftreten. Somit wurde der Spannungsverlauf während der Abkühlung zwar durch die Umwandlungsvorgänge beeinflusst, qualitativ gesehen entsteht aber ein Eigenspannungszustand, wie er auch in Abwesenheit von Umwandlungsvorgängen entstehen würde. Entsprechend führt die abschließende Kernumwandlung zu einem Spannungsabbau in Rand und Kern, so dass ein typischer Abkühleigenspannungsverlauf zurückbleibt (vergl. auch Bild 1.9). Im Teilbild c wurde der Fall skizziert, dass die Umwandlung des Kerns später beginnt und eher endet als die Randumwandlung. In diesem Fall kommt es zu einer dreimaligen Spannungsumkehr, die letztendlich wieder zu einem typischen Abkühleigenspannungsverlauf führt, d. h. Druckeigenspannungen im Rand und Zugeigenspannungen im Kern. Bild 1.15: Schematische ZTU -Schaubilder mit Abkühlverläufen für Rand und Kern (oben) sowie berechnete Verläufe der zugehörigen thermischen Spannung und der Gesamtspannung / Srö84/ <?page no="56"?> 56 1 Grundlagen Die vorgestellten Abläufe zeigen, dass die Spannungsentwicklung in komplexer Art und Weise von den Wechselwirkungen zwischen Umwandlung und Abkühlverhalten abhängen. Die zugehörigen Maß- und Formänderungen eines Zylinders oder Rings können in der Systematik nach Wyss zwischen Tendenz I (reine Maßänderungen, Tendenz II (Tonnenbzw. Kugelform) oder Tendenz III (Fadenspulenform) liegen (Bild 1.8). Wenn dabei große thermische Spannungen und Umwandlungsprozesse zeitlich getrennt auftreten, liegt das Verzugsergebnis zwischen reinen Maßänderungen und der Tonnenform. Die umwandlungsbedingten Maßänderungen und die Maß- und Formänderungen, die aus thermischen Spannungen resultieren, werden praktisch addiert. Die Fadenspulenform hingegen tritt auf, wenn thermische Spannungen und Umwandlungsprozesse zeitgleich auftreten / Ber77, Wys69/ . 1.4 Vermeidbare Maß- und Formänderungen-- Verzugspotenzial 3 Das im vorangegangenen Abschnitt durchgeführte Gedankenmodell ist in seinen Annahmen natürlich weit von der industriellen Praxis entfernt. Selbst die Versuchsbedingungen, die im Rahmen der Grundlagenforschung des SFB 570 eingestellt wurden, sind von den idealisierten Fertigungsbedingungen noch weit entfernt gewesen. Aber was sind die Aspekte, die unter realen Fertigungsbedingungen zu beachten sind? Bild 1.8 zeigt einige Beispiele aus der Praxis. So führt die Wärmebehandlung von Tellerrädern in der Regel zu so großen Verzügen, dass diese Teilefamilie normalerweise in Härtepressen abgeschreckt werden muss. Aber was ist die Hauptursache dafür? Es ist leicht zu sehen, dass im Bereich der Verzahnung die Oberfläche größer und das zugehörige Volumen kleiner ist als im unteren Teil des Rades. Entsprechend kühlt der verzahnte Bereich sehr viel schneller ab. Die Konsequenz daraus sind thermische Spannungen zwischen oberem und unterem Bauteilbereich, die zu einer Verkippung des gesamten Rades führen können, selbst wenn alle anderen Parameter exakt dem Gedankenexperiment aus Abschnitt 1.3 entsprechen würden. Der Grund für diese Formänderung wäre allein die Asymmetrie in der Masseverteilung des Tellerrades, seine Geometrie. Im zweiten Beispiel aus Bild 1.8 war die Wälzlagerkugel nach der Wärmebehandlung nicht mehr sphärisch sondern ein Ellipsoid. Nach dem Trennen und metallographischer Präparation wurde die gezeigte inhomogene, asymme- 3 Dieser Abschnitt wurde mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlags im Wesentlichen / Lüb12/ entnommen <?page no="57"?> 1.4 Vermeidbare Maß- und Formänderungen-- Verzugspotenzial 57 trische Gefügeverteilung gefunden. Diese Asymmetrie resultiert aus einer entsprechenden Asymmetrie in der Verteilung der chemischen Zusammensetzung und dem Umformvorgang des Kugelrohlings. Diese beiden Verteilungen verursachen komplexe Wechselwirkungen während der Wärmebehandlung: Die Unterschiede im Gefüge führen zu asymmetrischen ortsabhängigen Volumenänderungen während der Erwärmung, die ihrerseits Umwandlungsspannungen erzeugen. Die Variationen in der chemischen Zusammensetzung erzeugen ein asymmetrisches ortsabhängiges Umwandlungsverhalten mit entsprechend komplexen Zeitentwicklungen der Spannungs- und Dehnungsverteilungen. Der Ring im dritten Beispiel wies nach der Wärmebehandlung eine ausgeprägte Dreieckigkeit auf. Die röntgenographisch ermittelte Eigenspannungsverteilung nach der Zerspanung zeigt eine ähnliche Dreieckigkeit. Sie resultiert aus der Wechselwirkung des Einspannens und Zerspanens der Ringe im Dreibackenfutter. Während des Erwärmens werden die Eigenspannungen durch plastische Verformungen partiell abgebaut. Dieser Prozess führt dann zu den angesprochenen Maß- und Formänderungen / Sur12/ . Bild 1.16: Ausgewählte Träger des Verzugspotentials: Bauteilgeometrie (Massenverteilung), Seigerungs-, Gefüge- und Eigenspannungsverteilung / Hof02/ Folgt man den letzten beiden Beispielen, dann wird klar, dass nicht nur die sichtbare Asymmetrie oder Inhomogenität der Masseverteilung Verzug erzeugt. Auch die zerstörungsfrei nicht zugänglichen Asymmetrien in den Verteilungen anderer Eigenschaften können über komplizierte Wechselwirkungen, die durch die Wärmebehandlung lediglich ausgelöst werden, Verzug erzeugen. Wenn ein Bauteil entsprechende unsichtbare Asymmetrien beinhaltet, dann enthält es ein Potenzial für Verzug, dass während der Wärmebehandlung frei wird und die messbaren Maß- und Formänderungen verursacht. Dieses Potenzial wird „Verzugspotenzial“ genannt und kann selber nicht gemessen werden. Messbare <?page no="58"?> 58 1 Grundlagen Größen jedoch sind die „Träger des Verzugspotenzials“. Diese Träger sind die ortsabhängigen Verteilungen von • Masse (Geometrie), • allen relevanten Legierungselementen, • Gefüge inklusive Korngröße, • (Eigen-) Spannungen, • mechanischer Vorgeschichte und • Temperatur. Die Rolle der mechanischen Vorgeschichte besteht aus dem Einfluss von plastischen Verformungen auf Effekte, die nach der Plastifizierung auftreten. So wird bspw. das Verfestigungsverhalten einer Spannungs-Dehnungs-Kurve durch eine vorangegangene plastische Deformation modifiziert (Bauschinger-Effekt, bspw. / Sim10-1/ ). Während eines Umformprozesses können sehr große Umformgrade auftreten. Im Anschluss daran resultieren Rekristallisationsvorgänge, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen. Auch auf das Umwandlungsverhalten kann die mechanische Vorgeschichte einen Einfluss ausüben. Die extrem wichtige Rolle der Temperaturverteilung wurde schon während der Diskussion der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen betont. In Bezug auf den vermeidbaren Verzug müssen Inhomogenitäten und Asymmetrien in der Temperaturverteilung, die nicht aus der Masseverteilung, sondern aus dem Wärmeübergang im Prozess herrühren, betrachtet werden. Hierin ist die Verantwortung der Wärmebehandlung für vermeidbare Verzüge u. a. begründet. Die Geometrie bzw. Massenverteilung spielt unter den Verzugspotenzialträgern eine besondere Rolle. Einerseits können Asymmetrien in ihr sogar unter ansonsten idealen Bedingungen gemäß Abschnitt 1.3 zu Verzug führen. Aus diesem Grund wird oftmals ein beachtlicher Anteil des Verzugspotenzials bereits in der Konstruktion erzeugt. Nach / Ber88/ erreicht dieser Anteil bei einsatzgehärteten Zahnrädern etwa 60 % des Verzugspotenzials. Andererseits sind die Träger des Verzugspotenzials nur innerhalb des von der Geometrie definierten Volumens definiert, und die Prozessparameter wie Wärme- und Massenströme (bspw. Kohlenstoffstrom) agieren über die Oberfläche auf das Volumen des Bauteils. Weiterhin spielt die Geometrie eine aktive Rolle bei der Verzugsentstehung, weil Spannungs- und Dehnungsverteilungen von ihr abhängen. So muss speziell die Spannungskomponente, die parallel zur Oberflächennormalen ist, an der Oberfläche Null sein. Daher hat jede Geometrie eine Art „Übertragungsfunktion“, die den Verzug als Reaktion auf Inhomogenitäten in einem der anderen Verzugspotenzialträger beschreibt. Für Ringe mit rechteckigem Querschnitt sind entsprechende Details in / Fre12/ aufgeführt. <?page no="59"?> 1.4 Vermeidbare Maß- und Formänderungen-- Verzugspotenzial 59 Vom Standpunkt der Prozesskettensimulation sind die Träger des Verzugspotenzials - mit Ausnahme der Geometrie - die Verteilungen der Zustandsvariablen am Ende eines Prozesses innerhalb der Prozesskette. Sie müssen als Anfangsbedingung in die Berechnung des nächsten Prozesses eingespeist werden. Für das Verständnis der Verzugsentstehung müssen nicht nur die Veränderungen, sondern auch die Wechselwirkungen der Zustandsvariablen entlang der Prozesskette in jedem einzelnen Prozessschritt analysiert werden. Dies gelingt heute allerdings erst ansatzweise (z. B. / Schu11, Pra11, Sim12/ ). Bei der realen Weitergabe des Verzugspotenzials fungiert das Bauteil quasi als „Informationsspeicher“, das z. B. den Seigerungszustand eines Stranggussriegels über das Stabstahlwalzen, den Schmiede- und ggf. Walzvorgang weiterreicht bis zur Zerspanung des Schmiederohlings in einem Spannfutter, wobei die jeweilige Orientierung des Verzugspotenzialträgers (Seigerungssymmetrie) in der Regel nicht erhalten bleibt. Einzelne Prozessschritte können dabei Verzugspotenzialträger auslösen - wie das Erwärmen zum Austenitisieren im gedrehten Bauteil vorliegende Eigenspannungen. Andererseits können auch neue Verzugspotenzialträger eingebracht werden wie z. B. ein unsymmetrischer Faserverlauf durch einen Umformvorgang / Zoc10/ . Bild 1.17 zeigt schematisch einige mögliche Wechselwirkungen der Verzugspotenzialträger entlang einer Prozesskette für die Fertigung von Ringen. So werden die Verteilungen der Legierungselemente beim Urformen erzeugt. Umformprozesse modifizieren diese Ortsabhängigkeiten und der Abschreckprozess erzeugt in Wechselwirkung mit dem resultierenden ortsabhängigen Umwandlungsverhalten die im Allgemeinen ebenfalls ortsabhängige Gefügeverteilung und löst dabei Maß- und Formänderungen aus. Parallel wird durch Umformprozesse die Verteilung der mechanischen Historie entwickelt. Die Zerspanung modifiziert einerseits durch die Abnahme von plastisch verformten Bereichen die Eigenspannungsverteilung, andererseits werden neue plastische Deformationen und Eigenspannungen durch die Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Bauteiloberfläche erzeugt. Die Erwärmung modifiziert diese beiden Verzugspotenzialträger ebenfalls und löst dabei auch Maß- und Formänderungen aus. <?page no="60"?> 60 1 Grundlagen Bild 1.17: Mögliche Veränderungen und Wechselwirkungen der Verzugspotenzialträger entlang der Prozesskette „Ring“ / Zoc10/ Aus Bild 1.17 und den vorangegangenen Argumenten folgt unmittelbar, dass die Verzugspotenzialträger in jedem Teilschritt der Fertigung eines Bauteils modifiziert werden können. Beginnend mit der Konstruktion, über die Erzeugung und den Gießprozess des Stahls, bei der Umformung zum Halbzeug, ggf. bei der Rohlingsherstellung durch Schmieden, durch die Weichbearbeitung, durch die Wärmebehandlung und letztlich durch die Hartbearbeitung. Abhängig vom jeweiligen Prozess und vom Bauteil können völlig unterschiedliche Modifikationen der Verzugspotenzialträger erfolgen. Während eines Umformprozesses erfolgen drastische Veränderungen der Verteilungen der Legierungselemente und des Gefüges bzw. der Korngröße. Beim Zerspanen werden diese Verteilungen nur in oberflächennahen Bereichen verändert. Zusätzlich wird die Eigenspannungsverteilung beeinflusst. In einem Wärmebehandlungsprozess können der gesamte Spannungszustand und die Gefügeverteilung modifiziert werden. Zusätzlich können in oberflächennahen Bereichen die Verteilungen der Legierungselemente durch gewollte (Aufkohlen, Nitrieren, …) oder ungewollte Prozesse (Entkohlung, Mangan-Effusion, Randoxidation, …) verändert werden. Aus diesen Ausführungen folgt zwingend, dass Verzug kein Problem der Wärmebehandlung allein ist. Veränderungen der Verzugspotenzialträger können in jedem Teilschritt einer Prozesskette auftreten. Daher ist Verzug eine Systemeigenschaft und Verzugsbeherrschung muss einem systemorientierten Ansatz folgen! Das zugehörige System ist die vollständige Prozesskette. <?page no="61"?> 1.5 Methode Distortion Engineering 61 1.5 Methode Distortion Engineering 4 Wie gelingt es nun, den Verzug unter realen Bedingungen zu beherrschen? Zur Beantwortung dieser Frage hat der SFB 570 die Methode Distortion Engineering entwickelt. Diese gliedert sich in eine dreistufige Vorgehensweise (Bild 1.18). Auf der ersten Stufe bedarf es zunächst einer genauen Analyse der vollständigen zugrundeliegenden Prozesskette, um die relevanten Einflussgrößen zu identifizieren. Da die Anzahl der potenziellen Kandidaten hierfür nach bisherigen Erfahrungen eher groß ist, sollten hierzu zweckmäßigerweise Methoden der statistischen Versuchsplanung eingesetzt werden. Details zum Vorgehen und die zugehörigen Ergebnisse sind in / Cla04, Kes06, Cla06/ für Wälzlagerringe, in / Cla09-1, Cla09-2/ für gelochte Scheiben und in / Koh12, Ste12/ für Zahnräder beschrieben. Ergebnisse für Wellen werden in / Hun12/ präsentiert. In der industriellen Praxis laufen in aller Regel Ursachenforschungen bei Verzugsproblemen auf dieser ersten Stufe des Distortion Engineering ab, wobei in den meisten Fällen auch nicht die gesamte Prozesskette analysiert wird. Bild 1.18: Methode “Distortion Engineering” / Lüb12/ Nach der Identifikation der wesentlichen Einflussgrößen, wird auf der zweiten Stufe der Fokus auf das Verständnis der Verzugsmechanismen unter Nutzung des Konzepts des Verzugspotenzials und der zugehörigen Träger gelegt. Dabei sind Modellierung und Simulation hilfreiche, in vielen Fällen notwendige 4 Dieser Abschnitt wurde mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlags im Wesentlichen / Lüb12/ entnommen <?page no="62"?> 62 1 Grundlagen Werkzeuge für das vollständige Durchdringen der Wechselwirkungen, die die Verzugsentstehung regeln (bspw. / Sur12, Hun12, Ren12/ ). Auf der höchsten Stufe des Distortion Engineering wird versucht, Maß- und Formänderungen durch die Nutzung des sogenannten Kompensationspotenzials zu kompensieren. Dieses Potenzial ist wie das Verzugspotenzial über die gesamte Prozesskette verteilt. Einerseits nutzt es den konventionellen Ansatz, die Homogenität bzw. die Symmetrie der Verzugspotenzialträger zu erhöhen. Andererseits können aber auch zusätzliche, wohl dosierte und orientierte Inhomogenitäten bzw. Asymmetrien in einen oder mehrere der Verzugspotenzialträger zur Kompensation des Verzuges aufgrund der bestehenden Asymmetrien eingebracht werden. So kann z. B. ein gezielt inhomogener Abschreckprozess zur Kompensation von Formänderungen angewendet werden. Lütjens et al. haben dies z. B. für Wälzlagerringe erfolgreich durchgeführt, in dem sie in einer Vorversuchsreihe das mittlere Verzugsverhalten der zugrundeliegenden Prozesskette ermittelt und durch gezielt inhomogene Gas-Düsenfeld-Abschreckung diesen Verzug kompensiert haben / Lüt12/ . Brinksmeier et al. haben ebenfalls in einer Vorversuchsreihe die mittlere Verkippung von Scheiben (Dishing, s. Bild 1.19, links) ermittelt. Unter Ausnutzung eines gefundenen linearen Zusammenhangs zwischen dieser Formänderung und der Aufmaßverteilung zwischen Ober- und Unterseite der Scheiben, konnten sie eine Zerspanstrategie finden, die im Mittel zu keinem Dishing führte / Ren12, Bri11/ . Als Resultat blieben dann die unvermeidbaren Maß- und Formänderungen übrig (s. Bild 1.19, rechts). Bild 1.19: Gesamtverzug einer einsatzgehärteten Scheibe mit Bohrung in Höhenrichtung (links) und nach Korrektur des Dishing (rechts) In jedem Fall ist die Anwendbarkeit einer derartigen Strategie, in der die Kompensation bereits in der Arbeitsplanung erfolgt, von der Größe der Verzugsstreuungen abhängig. Falls ein um Null zentrierter Streubereich die Toleranz- <?page no="63"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 63 grenzen überschreitet, bedarf es zunächst einer Homogenisierung der für die Streuung verantwortlichen Prozesse. Alternativ ist auch eine „individuelle“ Bauteilkompensation möglich. In diesem Fall sind eine in-Prozess Messung der zu kompensierenden Formänderung und entsprechende Regelungstechniken nötig / Dij09/ . Bei all diesen Ansätzen ist aber zu beachten, dass die sonstigen Qualitätsmerkmale wie bspw. die Soll-Härte und -Gefügeverteilung aus Produktsicht ebenfalls erfüllt werden müssen. Anwendbar ist die Methode ferner nur bei Teilevereinzelung in der Großserienfertigung (one-piece-flow production). Die Grundkenntnisse zur Verzugsbeherrschung sind natürlich auch bei der Einzelteilfertigung anwendbar. 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren In diesem Abschnitt werden typische Maß- und Formänderungen einiger ausgewählter Wärmebehandlungsverfahren beschrieben. Grundsätzlich sei zu dieser Thematik angemerkt, dass der Ausgangsgefügezustand und der Erwärmprozess einen erheblichen Anteil an den resultierenden Maß- und Formänderungen einer Wärmebehandlung haben können. Wenn der Ausgangsgefügezustand von Teil zu Teil oder von Schmelzcharge zu Schmelzcharge schwankt, entstehen einfach durch die zugehörigen Unterschiede im spezifischen Volumen entsprechende Streuungen in den Maßänderungen. Während des Erwärmprozesses bei durchgreifenden Wärmebehandlungen sind die Temperaturunterschiede in der Regel deutlich kleiner als beim Abschrecken. Daher spielen hier Überschreitungen der Streckgrenze eine untergeordnete Rolle. Aber die Umwandlungsplastizität und Kriechprozesse können ggf. einen nicht vernachlässigbaren Einfluss haben. 1.6.1 Durchhärten Die Volumenänderungen eines Werkstücks durchs Härten hängen unter anderem von der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs - insbesondere von seinem Kohlenstoffgehalt (vgl. Bild 1.20) - von der Einhärtungstiefe (Definition nach EN 10 052: Senkrechter Abstand von der Oberfläche eines Werkstückes bis zu der Dicke einer gehärteten Schicht kennzeichnenden Grenze ) und von der Härtetemperatur ab. Bild 1.20 / Fre57/ zeigt zwei Stirnabschreckkurven von einem bis ca. 20-25 mm Stirnabstand durchhärtenden Stahl 90MnV8 (heutige Normenbezeichnung 90MnCrV8) und einem nicht durchhärtenden Stahl 145CrV6 (Definition der <?page no="64"?> 64 1 Grundlagen Durchhärtung nach EN 10 052: Härtung bei der die Einhärtungstiefe mindestens dem Abstand zwischen Oberfläche und Kern des Werkstückes entspricht. ). Beim 90MnV8 ist die umwandlungsbedingte relative Volumenzunahme unabhängig von den Werkstückabmessungen (bei diesen Bedingungen), während diese beim 145CrV6 mit wachsender Werkstückabmessung abnimmt, d. h. bei Reduzierung der Einhärtetiefe ist auch eine Verringerung der relativen Volumenzunahme zu erwarten. Bild 1.20: Stirnabschreckkurven der Stähle 90MnV8 und 145CrV6 und Volumenzunahme beim Härten quadratischer Prismen aus diesen Stählen in Abhängigkeit von der Prismengröße / Fre57/ <?page no="65"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 65 Bild 1.21: Abhängigkeit der Volumenzunahme von der Härtetemperatur beim Härten von Proben verschiedener Abmessungen aus den Stählen 90MnV8 und 145CrV6 / Fre57/ Ursächlich für dieses unterschiedliche Verhalten ist die Gefügeumwandlung. Ist für den 90MnV8 unter den angegebenen Bedingungen die Abkühlgeschwindigkeit ausreichend schnell für eine rein martensitische Härtung, so reicht diese beim 145CrV6 nicht aus. Hier bildet sich in größerem Stirnabstand ein Mischgefüge mit bainitischem und / oder ferritisch / perlitischem Anteil, dessen Volumenzunahme im Vergleich zum Martensit geringer ist. In Bild 1.21 / Fre57/ ist der Einfluss der Härtetemperatur auf die relative Volumenänderung aufgezeigt. Beim Stahl 90MnV8 ergibt sich bei der geringeren Härtetemperatur ein Abfall der Volumenänderung ab einer Probendicke von 50 mm. Dies ist auf das Erreichen der unter den gegebenen Bedingungen maximal durchhärtbaren Abmessung zurückzuführen (s. Bild 1.20). Bei der Härtetemperatur 800 °C, die bereits in Bild 1.20 diskutiert wurde, ist vergleichsweise mehr Kohlenstoff in Lösung gebracht worden. Daher ergibt sich hier eine größere durchhärtbare Dicke. Andererseits führt dies zu größeren Restaustenitanteilen. Diese weisen wiederum ein geringeres spezifisches Volumen auf (s. Bild 1.2). Daher ergibt sich bei einer größeren Härtetemperatur in diesem Fall über einen weiten Abmessungsbereich eine geringere Volumenvergrößerung. Beim 145CrV6 bewirkt eine erhöhte Härtetemperatur unter den gegebenen Bedingungen eine stärkere Einhärtung, die aufgrund des größeren spezifischen Volumens des mehrgebildeten Martensits zu einer Steigerung der Volumenvergrößerung führt. <?page no="66"?> 66 1 Grundlagen Für die Maß- und Formänderungen, welche aufgrund von Streckgrenzenüberschreitungen durch die Umwandlungs- und Wärmespannungen verursacht werden, sind das Umwandlungsverhalten des Stahls und der Abkühlverlauf des Werkstücks maßgebend. Diese werden am besten veranschaulicht, wenn man die Abkühlkurven von Kern und Rand in das kontinuierliche ZTU -Schaubild des betreffenden Stahles einzeichnet. Maß- und Formänderungen beim Härten durch Zusammenwirken von Wärme- und Umwandlungsspannungen / Ber77/ zeigt anhand von zylindrischen Werkstücken vier typische Fälle des Zusammenwirkens von Umwandlungsverhalten und Abkühlverlauf. Der Punkt W stellt jeweils den Zeitpunkt der größten Temperaturdifferenz zwischen Rand und Kern des Werkstücks dar. Entscheidend für die Maß- und Formänderungen ist, ob große Temperaturunterschiede im Bauteil und Umwandlungsvorgänge gleichzeitig oder ob sie zeitlich getrennt auftreten (vergl. Bild 1.2). In Bild 1.22 / Ber77/ sind vier Fälle mit unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen thermischen Spannungen und Phasenumwandlungen gezeigt. Im Fall a wird die Situation für einen Zylinder mit einem Durchmesser von 100 mm aus Ck15 bei einer Ölabschreckung analysiert. Die maximale Temperaturdifferenz zwischen Rand und Kern tritt auf, nachdem die Umwandlung über dem gesamten Querschnitt vollständig abgeschlossen ist. Aufgrund dieser zeitlichen Trennung ergibt sich eine Annäherung an die Tonnenform. Wenn dasselbe Experiment bei einem umwandlungsträgeren Stahl wie dem X40Cr13 wiederholt wird (Fall b), dann wird der maximale Temperaturunterschied vor Beginn der Umwandlung erreicht und das Verzugsverhalten ist ähnlich wie im ersten Fall, wobei die Maß- und Formänderungen hier aber sehr gering ausfallen. Im Fall c wird ein dünnerer Zylinder mit 30 mm Durchmesser aus dem Stahl C130 in Wasser abgeschreckt. Unter diesen Bedingungen tritt die maximale Temperaturdifferenz während der Kernumwandlung, aber vor dem Beginn der Randumwandlung auf. Aus der Systematik nach Wyss wären fadenspulenförmige Maß- und Formänderungen zu erwarten. Die resultierende Annäherung an die Kugelform kann aber durch eine Analyse der Spannungsentwicklung verstanden werden. Zum Zeitpunkt des Umwandlungsbeginns im Kern liegt eine rein thermische Spannungsverteilung im Bauteil vor: Zugspannungen am Rand und Druckspannungen im Kern (vergl. Bild 1.9). Die einsetzende Kernumwandlung erzeugt dort zusätzliche Druckspannungen, so dass in diesem Fall ein verstärkter thermischer Spannungszustand mit der entsprechenden Annäherung an die Kugelform resultiert. Im letzten Beispiel wird die Wasserabschreckung eines Zylinders aus 14NiCr14 mit einem Durchmesser von 100 mm analysiert. In diesem Fall lau- <?page no="67"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 67 fen zum Zeitpunkt des maximalen Temperaturunterschieds praktisch über dem gesamten Querschnitt Umwandlungen ab. Das Zusammenwirken von thermischen Spannungen und Volumenänderungen ist unter diesen Bedingungen äußerst komplex und die resultierenden Maß- und Formänderungen entsprechen der Fadenspulenform (Bild 1.22). Im allgemeinen Fall sind die Maß- und Formänderungen durch das oben verwendete einfache Zweischalenmodell nicht mehr zwingend ableitbar, wie bereits der Fall d gezeigt hat. Selbst im einfachsten Fall einer rein martensitischen Härtung eines Rings mit einem rechteckigen Querschnitt beeinflussen 30 Parameter die Verzugsentstehung während des Abschreckens und 26 dimensionslose Kennzahlen sind zur Beschreibung des Problems notwendig / Sim10-2/ . Wenn weiterhin diffusionsgesteuerte Umwandlungen oder gar Einsatzhärteprozesse analysiert werden sollen, steigt die Anzahl der einflussnehmenden Parameter dramatisch an. Unter diesen Umständen kann nur eine Wärmebehandlungssimulation eine Vorstellung von den Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Mechanismen vermitteln (s. Abschnitt 2). Bild 1.22: Maß- und Formänderungen beim Härten durch Zusammenwirken von Wärme-und Umwandlungsspannungen / Ber77/ <?page no="68"?> 68 1 Grundlagen 1.6.2 Anlassen „In gewissem Sinne kann der Vorgang des Anlassens verglichen werden mit Auftauen oder Nachholen der beim Abschrecken eingefrorenen oder unterdrückten Umwandlungen, was mit zunehmender Anlasstemperatur rascher und vollständiger erfolgt.“ (Urs Wyss in / Ben78/ ). Maßänderungen beim Anlassen von gehärteten Stählen können verschiedene Ursachen haben. Oberhalb von 100 °C wird im Martensit eingelagerter Kohlenstoff normalerweise in Form von Carbiden ausgeschieden, wobei sich das spezifische Volumen des Stahles verringert, d. h. es erfolgt ein Entspannen des tetragonal verzerrten krz-Gefüges (Martensit) durch Abbau von zwangsgelöstem Kohlenstoff. Oberhalb von bspw. 200 °C bei niedrig- und unlegierten Stählen wandelt der Restaustenit, der in Stählen mit Kohlenstoffgehalten größer als 0,5 Masseprozent enthalten ist, in α-Eisen und Carbide (Bainit) um, was zu einer relativen Volumenvergrößerung führt. Weiterhin kann es durch die Abnahme des Kohlenstoffgehaltes der Grundmatrix nach dem Anlassen zu nachträglicher Umwandlung des Restaustenits in Martensit kommen, was ebenfalls mit einer Volumenvergrößerung verbunden ist (Sekundärhärtung). In Maßänderung und Restaustenitgehalt von Proben aus 100Cr6 in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur / Sre81/ sind Maßänderungen eines Stahles mit 1 Masseprozent Kohlenstoff als Funktion der Anlasstemperatur dargestellt. Diese Darstellung verdeutlicht den gegenläufigen Einfluss von Kohlenstoffausscheidung und Restaustenitumwandlung auf das Maßänderungsverhalten. <?page no="69"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 69 Bild 1.23: Maßänderung und Restaustenitgehalt von Proben aus 100Cr6 in Abhängigkeit von der Anlasstemperatur / Sre81/ Weitere Effekte, die zu Maßänderungen beim Anlassen führen können, mögen der Abbau von Eigenspannungen infolge von Erholungsvorgängen und plastische Deformationen durch die temperaturbedingte Streckgrenzenerniedrigung sein. 1.6.3 Randschichthärten Gemäß DIN Norm 17 022-5 werden neben dem Flamm- und Induktionshärten auch die Verfahren höherer Leistungsdichte wie das HF -Impuls-, Laser- und Elektronenstrahlhärten zu den Randschichthärteverfahren gezählt. Einen Sonderfall stellt das Schalenhärten, d. h. begrenzte Einhärtung nach vorheriger <?page no="70"?> 70 1 Grundlagen Durcherwärmung aufgrund limitierter Härtbarkeit dar, auf den nicht näher eingegangen wird. Kennzeichnendes Merkmal ist die im Allgemeinen rasche Erwärmung der Bauteiloberfläche oder Teilen davon, gefolgt von einer meist ähnlich raschen Abkühlung. Im Bauteil bauen sich daher bei Erwärmung und Abkühlung große Temperaturgradienten auf, die ebenso große örtliche Dehnungen zur Folge haben. Die einzelnen Mechanismen, welche zu Eigenspannungsentstehung und Verzug führen, entsprechen denen einer Durchhärtung. Wird örtlich die Fließgrenze des Werkstoffs überschritten, treten plastische Verformungen auf. Martensitische Umwandlungen ergeben Volumenresp. Längenzunahmen gegenüber eines nichtmartensitischen Ausgangszustandes und erzeugen umwandlungsplastische Dehnungen. Die örtliche und zeitliche Überlagerung dieser Teilvorgänge führt dann zum resultierenden Eigenspannungszustand und Maß- und Formänderungsgeschehen (vergl. Kap. 1.6.1). Bereits beim ersten Prozessschritt „Erwärmen“ treten aufgrund der hohen Erwärmungsgeschwindigkeit große Spannungen auf, die in der erwärmten Randschicht als Druckspannungen (Wärmeausdehnung), im noch kalten Kern des Bauteils als Zug-spannungen (als Gleichgewichtsreaktion) wirken. Je nach Warmstreckgrenze, Kernfestigkeit und dem Verhältnis von Wärmeeindringzone zu Restquerschnitt können Fließvorgänge im Rand- und / oder Kernbereich ausgelöst werden, die zu einer bleibenden Maß- und Formänderung führen. Beim „Abschrecken“ als zweitem Teilschritt zieht sich z. B. bei Brauseabkühlung die Bauteilrandschicht zusammen und kann plastisch gedehnt werden. Wird dort Martensitbildung erreicht, kann deren Volumenzunahme zu einem weiteren Stauchbetrag führen, so dass resultierend Druckeigenspannungen in der randnahen Zone typisch für randschichtgehärtete Bauteile sind / Ros70/ . Bild 1.24 beschreibt schematisch die Spannungsentwicklung der oberflächennahen Randschicht während des Härtens und gilt prinzipiell für alle eingangs genannten Verfahren. Bei den Randschichthärteverfahren hoher Leistungsdichten erfolgt die Abkühlung ohne nennenswerte externe Kühlung im Wesentlichen durch Wärmefluss ins Bauteilinnere (Selbstabschreckung). Beim Flamm- und Induktionshärten kommt zusätzlich eine externe Kühlung zum Einsatz. Dies hat einen direkten Einfluss auf die maximal erreichbaren Druckeigenspannungen im Randbereich, da die Kernwärme bzw. Temperaturdifferenz zwischen bereits martensitisch umgewandelter Randschicht und umwandlungsfreiem Kernbereich zur Erhöhung der Druckspannungen beitragen / Mar09/ . <?page no="71"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 71 Bild 1.24: Schema zur Spannungsentwicklung im randschichtnahen Bereich ohne Berücksichtigung des Kerneinflusses beim Randschichthärten Der resultierende Eigenspannungszustand sowie auch das Maß- und Formänderungsverhalten hängen unmittelbar davon ab, in welchem Umfang die beschriebenen Teilvorgänge zum Endzustand beitragen. Hierbei sollte jedoch auch angemerkt werden, dass der plastische Dehnungsanteil aufgrund der Umwandlungsplastizität eine wichtige Rolle spielt, wie die Ergebnisse in Bild 1.25 am Beispiel der relativen Durchmesseränderung induktiv schussgehärteter (nicht im Vorschubverfahren), zylindrischer Proben aus 42CrMo4 zeigen. <?page no="72"?> 72 1 Grundlagen Bild 1.25: Einfluss der umwandlungsplastischen Dehnung, hervorgerufen durch unterschiedliche Modellansätze, auf die relative Durchmesseränderung induktiv schussgehärteter Proben (Ø 16-× 32 mm) / Schw14/ Bild 1.26 zeigt Ergebnisse des Längenänderungsverhaltens induktiv schussgehärteter Wellen aus dem Werkstoff 100Cr6 mit unterschiedlicher Einhärtungstiefe und Abkühlung / Fah89/ . Bild 1.26: Relative Längenänderungen induktiv schussgehärteter Wellen (Ø 16-× 98 mm) / Fah89/ <?page no="73"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 73 Das Verzugsgeschehen wird durch eine weitere Besonderheit der Randschichthärte-verfahren nachhaltig beeinflusst. Diese Verfahren besitzen die - geradezu gewünschte - Eigenschaft, selektiv anwendbar zu sein, d. h. Bauteile partiell randschicht zu härten. Hier kommen neben zeitlich veränderlichen auch örtlich veränderliche Temperaturgradienten zur Wirkung. Den Einfluss auf das Maßänderungsverhalten der Proben aus Bild 1.26 zeigt Bild 1.27 / Fah89/ . Bild 1.27: Relative Längenänderung induktiv vorschubgehärteter Wellen (Ø 16-× 98 mm) / Fah89/ Die unterschiedliche Aufheizrate der vorschubgegenüber den schussgehärteten Wellen führt zu veränderten Längendehnungen. Der Effekt wird anhand der verwendeten unterschiedlichen Induktoren (Leistungsdichte) zusätzlich verdeutlicht. Die Einflussfelder Bauteilgeometrie und Härtezonengestaltung sind bei der partiellen Wärmebehandlung so komplex, dass allgemeingültige Prinzipien der Maß- und Formänderung nicht angegeben werden können. Auch die Auswahl des Verfahrens (z. B. Stand-, Umlauf- oder Vorschubhärtung) beeinflusst den Verzug. Die Formänderungen durch das Randschichthärten können auch zu Richtoperationen genutzt werden, um z. B. bei asymmetrisch angeordneten Härtezonen die Verzüge aus der vorangehenden Härtung durch geeignet angebrachte Ausgleichserwärmungen oder -härtungen zu korrigieren. <?page no="74"?> 74 1 Grundlagen Zusammenfassend hängen die entstehenden Maß- und Formänderungen neben den Temperaturgradienten beim Erwärmen und Abschrecken stark vom Verhältnis der Wärmeeinwirktiefe zum Restquerschnitt sowie der Symmetrie der Härtezonenlage im Bauteil ab. Im Unterschied zur Durcherwärmung liegen bereits auf Härtetemperatur nennenswerte Spannungen im Bauteil durch die lokale Erwärmung vor. Der Grundwerkstoff spielt durch seine Ausgangsfestigkeit eine für die resultierende Maß- und Formänderung wichtige Rolle. Liegt er im vorvergüteten Zustand vor, sind ggf. Maßänderungen durch Anlassvorgänge bei der Randschichterwärmung zu berücksichtigen. 1.6.4 Einsatzhärten Die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Teilen werden durch das Verhalten des Grundwerkstoffs und durch die Aufkohlungstiefe bestimmt. Als Grenzfall ist das oben besprochene Blindhärten (Aufkohlungstiefe = 0 mm) anzusehen, bei dem lediglich das Verhalten des nicht aufgekohlten Grundwerkstoffs für die Maßänderungen entscheidend ist (s. Kapitel 1.3). Je nach Härtbarkeit, Werkstückgeometrie und Abkühlmittel ist dabei die Tendenz II oder III der Systematisierung von Wyss (s. Bild 1.8) zu erwarten. Mit zunehmender Einsatzhärtungstiefe kommt das Umwandlungsverhalten der aufgekohlten Schicht, die martensitisch umwandelt, zum Tragen. Ein Werkstück, welches nach Bild 1.22 d) blindhärtet (Fadenspulenform), zeigt mit zunehmender Einsatzhärtungstiefe immer mehr eine Umwandlung nach Bild 1.22 c) (Tonnenform), da der Kohlenstoff einerseits die Martensitstarttemperatur absenkt und andererseits die diffusionsgesteuerten Umwandlungen zu größeren Zeiten verschiebt. Das in Bild 1.28 / Wys84/ skizzierte Beispiel eines Zylinders mit 100 mm Durchmesser aus dem Stahls 15CrNi6 und Wasserabschreckung entspricht in etwa diesen Verhältnissen. Demnach ergibt sich beim Blindhärten eine Verlängerung des Zylinders und sein Durchmesser schrumpft entsprechend der Fadenspulenform der Tendenz III . Die zunehmende Aufkohlungstiefe schwächt die Verlängerung sehr stark ab, während die Durchmesserschrumpfung aufgehoben und bei größeren Aufkohlungstiefen in eine Durchmesserzunahme verwandelt wird. Damit ergibt sich mit wachsender Aufkohlungstiefe eine kontinuierliche Annäherung an die Tonnenform gemäß Tendenz II . Das Volumen des Zylinders steigt mit wachsender Aufkohlungstiefe an. Dieses Verhalten ist auf den im gleichen Maß steigenden Volumenanteil des Martensits aufgrund dessen größerem spezifischen Volumen (vergl. Bild 1.2) zurückzuführen. Dieses Verhalten darf aber nicht beliebig extrapoliert werden. Es gilt so nur für kleine Verhältnisse von Aufkohlungstiefe zu Wandstärke (hier Durchmes- <?page no="75"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 75 ser). Wenn die Aufkohlungstiefe weiter gesteigert wird, dann kann es zu einer Umkehrung des eben geschilderten Trends der Längenänderung kommen. Bild 1.28: Maß- und Volumenänderungen eines Zylinders mit 100 mm Durchmesser aus 15CrNi6 in Abhängigkeit von der Aufkohlungstiefe / Wys84/ Es ist dann sogar möglich, dass bei großen Aufkohlungstiefen wiederum eine Probenverlängerung resultiert, wie sie in / Cha58/ beobachtet wurde (Bild 1.29). <?page no="76"?> 76 1 Grundlagen Bild 1.29: Längenänderung einsatzgehärteter Flachstäbe (200 x 10 x 1,5 mm) aus C10 in Abhängigkeit von der Aufkohlungsdauer (Streuband aus vier Einzelmessungen) / Cha58/ 1.6.5 Nitrieren und Nitrocarburieren Das Nitrieren und Nitrocarburieren wird üblicherweise im Temperaturbereich von 500-600 °C durchgeführt. Bei diesen Temperaturen treten im Grundwerkstoff keine Phasenumwandlungen auf. Zusätzlich ist die Festigkeit des Stahles bei Nitriertemperatur wesentlich höher als bei den üblichen Aufkohlungstemperaturen, so dass daraus wesentlich kleinere Maß- und Formänderungen resultieren / Ben78/ . Eine schroffe Abkühlung von Nitriertemperatur in Öl oder Wasser bzw. wässrigen Polymerlösungen ist nur erforderlich, wenn Teile aus unlegierten Stählen zur Erhöhung der Dauerschwingfestigkeit nitriert bzw. nitrocarburiert werden. Daraus folgt, dass Maß- und Formänderungen aufgrund von Umwandlungs- und Wärmespannungen im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungsverfahren gering sind; im Allgemeinen kann das Nitrieren „verzugsarm“ durchgeführt werden. Maßänderungen entstehen beim Nitrieren und Nitrocarburieren durch die Ausbildung der Verbindungsschicht und durch die Volumenvergrößerung in der Diffusionszone. Bild 1.30 / Fin65/ zeigt, in welcher Größenordnung sich diese Maßänderungen bewegen. Der Durchmesser von Bolzen oder Wellen nimmt danach je nach <?page no="77"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 77 Werkstoff und Behandlungsdauer um bis zu 30 µm zu, Bohrungen werden um diesen Betrag enger. Da diese Zusammenhänge gut reproduzierbar sind (bei thermisch stabilen Gefügen), können die entsprechenden Maßänderungen weitgehend vorgehalten werden. Bild 1.30: Zusammenhang zwischen der Durchmesserzunahme von Rundproben aus einem legierten und einem unlegierten Vergütungsstahl und der Behandlungsdauer beim Salzbadnitrocarburieren / Fin65/ Zylindrische Bauteile mit einer zentralen Bohrung weisen im allgemeinen Maß- und Formänderungen auf, die hier entsprechend einer Aufstellung von Hoffmann und Mallener / Hof86/ wiedergegeben werden sollen: • Bauteile mit einer im Verhältnis zum Außendurchmesser sehr kleinen Bohrung weisen zunächst die übliche Vergrößerung des Außendurchmessers auf. Die Bohrung geht um fast denselben Betrag zu. • Bei Bauteilen, deren Wandstärke etwa dem Innendurchmesser entspricht, ändert sich der Innendurchmesser kaum. Der Außendurchmesser wird größer. • Bei ringförmigen Teilen mit einer im Verhältnis zum Außendurchmesser großen Bohrung vergrößern sich beide Durchmesser. Schwerwiegendere Maß- und Formänderungen treten auf, wenn das Bauteil vor dem Nitrieren unsymmetrische Eigenspannungszustände aufweist, die bei Behandlungstemperatur zum Teil durch plastische Verformung abgebaut werden. Dies führt, besonders bei kompliziert geformten Bauteilen oder Werkzeugen, <?page no="78"?> 78 1 Grundlagen zu teilweise gravierenden Verzügen. Einige Beispiele und auch entsprechende Abhilfemaßnahmen werden von Huber-Gomman / Hub91/ dargestellt. In vielen Fällen wird ein Spannungsarmglühen (s. Kap. 1.6.6.1) vor dem Nitrieren notwendig sein, um unerwünschte Maß- und Formänderungen zu vermeiden. Selbstverständlich muss die Glühtemperatur immer oberhalb der Nitriertemperatur liegen. Um beim Nitrieren möglichst geringe Maß- und Formänderungen zu erzielen, ist man auf Folgendes angewiesen / Ben78/ : • dass nicht zu dünne Querschnitte vorliegen, • bzw. nicht zu tiefe Nitrierschichten vorgeschrieben werden, • möglichst symmetrische Querschnittsformen vorhanden sind und • allseitiges Nitrieren möglich ist, oder wenigstens nur örtlich begrenzte Stellen, die unbedingt weich bleiben müssen, vor dem Nitrieren geschützt werden müssen. Eine sehr tiefgehende Darstellung der wesentlichen Einflussgrößen auf das Maßänderungsverhalten für die verschiedenen Nitrierverfahren und eine Fülle von Ergebnisdarstellungen für ein breites Spektrum von Stählen wird in / Srö97/ gegeben. 1.6.6 Glühen Von den technisch angewandten Glühverfahren sollen in diesem Zusammenhang nur das Normalglühen und das Spannungsarmglühen behandelt werden. Das Normalglühen ist in einigen Fällen die abschließende Wärmebehandlung eines Bauteils, das Spannungsarmglühen wird i. a. vor der eigentlichen Endwärmebehandlung durchgeführt. Definitionen nach DIN 17 014: Spannungsarmglühen : Glühen mit dem Ziel, die Eigenspannungen ohne wesentliche Änderung des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften zu verringern. Normalglühen : Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren bei Temperaturen etwa 50 °C oberhalb A c3 und anschließendem Abkühlen an ruhender Luft. <?page no="79"?> 1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren 79 1.6.6.1 Spannungsarmglühen Eigenspannungen können im Stahl bis zur Höhe der Fließgrenze in unsymmetrischer Verteilung vorliegen. Sie entstehen als Folge einer ungleichmäßigen Abkühlung z. B. nach dem Schweißen oder nach dem Umformen; ebenso bei der spanenden Bearbeitung wie Drehen, Fräsen, Schleifen usw. Die Überlagerung dieser inneren Spannungen mit Beanspruchungsspannungen kann zu unerwünschter Formänderung oder sogar zum Bruch führen. Un- und niedriglegierte Stähle werden zwischen etwa 450-650 °C spannungsarmgeglüht, die Glühdauer sollte nach vollständiger Durchwärmung mindestens 20-30 min. betragen. Weitere praktische Hinweise gibt / Eck87/ . Wenn Spannungsarmglühungen an Schweißkonstruktionen durchgeführt werden sollen, müssen ggf. die der betreffenden Fertigung zugrunde liegenden Regelwerke (z. B. Vd TÜV -Merkblätter) beachtet werden. In dem genannten Temperaturbereich wird die Streckgrenze so weit erniedrigt, dass ein Teil der Spannungen durch das Auslösen von plastischen Verformungen im Mikrobereich abgebaut wird. Die früher übliche Bezeichnung „Spannungsfreiglühen“ ist folglich nicht korrekt, da ein vollständiger Spannungsabbau nicht eintreten kann. Ausschlaggebend für den Erfolg des Spannungsarmglühens ist die Einhaltung zweckentsprechender Anwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten. Sie sollten so niedrig sein, dass einerseits vorhandene Eigenspannungen nicht durch zusätzliche Erwärmspannungen verstärkt und andererseits nicht wieder neue unzulässig hohe (evtl. sogar höhere als im Ausgangszustand) Abkühlspannungen entstehen. Eine Abkühlgeschwindigkeit von 50-100 K / h garantiert in vielen Fällen einen guten Erfolg. Die Spannungsarmglühung wird der eigentlichen Endwärmebehandlung vorgeschaltet, um Formänderungen beim Aufheizen auf Wärmebehandlungstemperatur zu minimieren. Dies ist besonders wichtig bei langen, schlanken Teilen, an die hohe Anforderungen in Bezug auf Geradheit gestellt werden. So wird z. B. das Stangenmaterial aus dem Stahl 42CrMo4 für LKW -Hinterachswellen, die als Einzelteil zu vergüten und auf der ganzen Länge induktiv zu härten sind, nach dem Richten sehr sorgfältig spannungsarmgeglüht. Erst danach erfolgt die spanende Bearbeitung und die weitere Wärmebehandlung. Bei großen Wälzlagerringen konnten die Ovalitäten, ausgelöst durch die Erwärmung zum induktiven Randschichthärten der Laufbahnen, durch ein vorheriges Spannungsarmglühen wesentlich vermindert werden / Fah89/ . Bei der Wärmebehandlung von Werkzeugen wird bei hohen Anforderungen an die Maß- und Formgenauigkeit ein Spannungsarmglühen knapp unterhalb der Umwandlungstemperatur A c1 empfohlen ( DIN 17 022, T2). <?page no="80"?> 80 1 Grundlagen Auch beim Nitrieren kann es durch den Abbau von Eigenspannungen zu unzulässigen Maß- und Formänderungen kommen. Ein Spannungsarmglühen muss bei zu nitrierenden Bauteilen immer oberhalb der Nitriertemperatur vorgenommen werden (s. Kap. 1.6.5). Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Spannungsarmglühen bis auf wenige Ausnahmen (z. B. nach dem Schweißen) keine Endwärmebehandlung darstellt, sondern durch den Abbau von unsymmetrischen Eigenspannungszuständen dazu beitragen soll, die Formänderung durch die abschließende Wärmebehandlung zu minimieren. 1.6.6.2 Normalglühen Mit dem Normalglühen soll ein gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge mit Perlit eingestellt werden. Es wird beispielsweise angewandt, um • ein stark zeiliges Ferrit-Perlit-Gefüge in ein Gefüge mit möglichst gleichmäßiger Ferrit-Perlit-Verteilung umzuwandeln, • nach einer kritischen Kaltverformung Grobkornbildung durch Rekristallisation zu vermeiden, • ein grobkörniges Gefüge feinkörniger zu machen. Durch eine isotherme Umwandlung des Stahls in der Perlitstufe werden die gleichen Effekte erzielt. Bezüglich des Verzugsverhaltens bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung wird sich das Normalglühen grundsätzlich positiv auswirken, da es in jedem Fall zu gleichmäßigeren Gefügezuständen führt. Das Normalglühen ist dem Spannungsarmglühen vorzuziehen, wenn bei kaltverformten Bauteilen infolge Rekristallisation eine Grobkornbildung eintreten kann. Es ist aber anzumerken, dass bei Stählen, die Aluminiumnitride zur Feinkornstabilisierung beinhalten, die Gefahr einer Mischkornbildung besteht, wenn die Aluminiumnitride durch eine vorangegangene Wärmebehandlung inhomogen verteilt wurden. 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette Durchlaufen Bauteile aus Stahl Prozessketten mit Wärmebehandlungen, sind Maß- und / oder Formänderungen unvermeidbar. Dies wurde bereits in den vorangegangenen Abschnitten ausführlich dargestellt. In der industriellen Praxis wird das Phänomen Verzug immer wieder pauschal behandelt, d. h. Ursachen und Lösungen spezieller Fragestellungen werden auf <?page no="81"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 81 Fälle übertragen, die gar keine Übertragung zulassen. So werden beispielsweise die beiden in der Literatur oftmals genannten Einflussgrößen „Härtbarkeit“ und „Feinkörnigkeit“ als „Allzweckwaffe“ für Problemstellungen missbraucht, die sie nicht lösen können. Es fehlt der kausale Zusammenhang zwischen der „Allzweckwaffe“ als Kompensationsmöglichkeit und dem Verursacher, dem sog. Verzugspotenzialträger. So werden als Konsequenz in der betrieblichen Praxis Verzugspotenziale oft nicht erkannt und Kompensationsmöglichkeiten bleiben ungenutzt. Am Anfang aller Fragestellungen und Problemlösungen steht die messtechnische Ermittlung der Maß- und Formänderungen. Nur wenn diese zuverlässig erfolgt, können • einzelne Prozessschritte oder gesamte Prozessketten ausgelegt, • Prozesse in der Serienfertigung gelenkt, • Probleme analysiert und • Optimierungen erfolgreich umgesetzt werden. Basis für alle Aktivitäten ist also die Ermittlung von Daten mit fähigen Prüfprozessen sowie die Aufbereitung in entsprechendem Umfang und Detaillierungsgrad. Nur bei der genauen Erfassung und Beschreibung des Problems lassen sich präventiv bzw. reaktiv Lösungen erarbeiten. In diesem Kapitel wird zunächst die Sammlung von „Einflussgrößen auf Maß- und Formänderungen“ der bisherigen Auflagen der Monografie in einer neuen strukturierten Darstellung vorgenommen. Dann werden einige grundlegende, z. T. trivial erscheinende und selbstverständliche Aspekte zum Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen ausgeführt. Daneben gibt es Hinweise und Methodentipps, die sinnvollerweise beachtet werden sollten, um Fragestellungen zielgerichtet bei möglichst geringem Aufwand zu beantworten. Fallweise erfolgt dies anhand von Beispielen aus der industriellen Praxis sowie anhand von Vorgehensweisen, die sich in der Forschungsarbeit bewährt haben. 1.7.1 Grundlegende Einflussgrößen aus der Prozesskette Maß- und Formänderungen sind eine Systemeigenschaft und nicht ein alleiniges Problem der Härterei. Oftmals liegen die Ursachen für die nach der Wärmebehandlung vorliegenden Maß- und Formänderungen bereits in der Bauteilkonstruktion und / oder werden durch vielfältige Faktoren innerhalb der gesamten Fertigungsprozesskette vom Stahlwerk bis hin zur Härterei beeinflusst. Bild 1.31 zeigt die Schritte des Produktentstehungsprozesses von der Produktentwicklung über die Fertigungsprozesskette bis hin zum Gebrauch beim Kunden. Die Fertigungsprozesskette zeigt den Ablauf der wesentlichen Prozess- <?page no="82"?> 82 1 Grundlagen schritte von der Stahlherstellung bis zur Wärmebehandlung. Jedem Prozessschritt sind • verzugsbeeinflussende Größen des jeweiligen Prozessschrittes sowie • die verzugsrelevanten Merkmale des Halbzeugs / Bauteils zugeordnet, die nach dem jeweiligen Prozessschritt vorliegen. Diese wären grundsätzlich überprüfbar. Die Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit bei den Einflussgrößen der dargestellten Prozessschritte. Auch könnte die Fertigungsprozesskette durchaus anders abgebildet werden, wenn bspw. Zwischenwärmebehandlungsschritte mit aufgeführt würden. In der betrieblichen Praxis ist es unerlässlich, dass Konstrukteure, Einkauf, Planungs- und Fertigungsverantwortliche mit Anlagen- und Betriebsmittelherstellern sowie Forschungsinstituten zusammenarbeiten. Die Nutzung des Wissens und der Erfahrung aller Beteiligten ist die Grundlage für eine verzugsoptimierte Produktentstehung und damit Voraussetzung für die prozesssichere Herstellung qualitativ einwandfreier Bauteile bei Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte. <?page no="83"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 83 Bild 1.31: Produktentstehungsprozess von der Produktentwicklung über die Fertigungsprozesskette bis hin zum Gebrauch beim Kunden: verzugsbeeinflussende Größen des jeweiligen Prozessschrittes (in der Pfeildarstellung des jeweiligen Prozessschrittes) sowie der verzugsrelevanten Merkmale des Halbzeugs / Bauteils (dargestellt im rechteckigen Kästchen nach dem jeweiligen Prozessschritt). <?page no="84"?> 84 1 Grundlagen 1.7.2 Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen Es gibt unterschiedliche Auslöser, warum Maß- und Formänderungen ermittelt werden. Die erfahrenen Praktiker kennen diese. Maß- und Formänderungen dürfen nicht pauschal betrachtet werden. Fallweise sind die relevanten Kenngrößen der Maß- und Formänderungen genau festzulegen, zu priorisieren, und es ist zu klären, ob systematische Abweichungen und / oder Streuungen der Kenngrößen für die Beurteilung des vorliegenden Falls von Bedeutung sind. Zwingend notwendig ist die Ermittlung sogenannter Vorhaltemaße für die Weichbearbeitung im Rahmen eines Weich-/ Hart-Vergleichs. Ändert sich bspw. der abschließende Wärmebehandlungsschritt oder wird ein anderer Werkstoff oder ein Material mit anderen verzugsbeeinflussenden Eigenschaften eingesetzt, muss geklärt werden, ob es systematische Einflüsse auf das Verzugsverhalten gibt. Die Bewertung erfolgt anhand der Mittelwerte der verzugsrelevanten Kenngrößen. Zur Beurteilung der Prozessstabilität in der Serienfertigung können Mittelwert und Kenngrößen, die die Prozessstreuung bewerten, bzw. die üblichen Prozessfähigkeitskennwerte C P und C PK verwendet werden. Diese Kennwerte liefern eine erste globale Aussage beim Vergleich von Wärmebehandlungsanlagen oder Prozessketten. Sollen Wärmebehandlungsanlagen oder Prozessketten genauer miteinander verglichen oder die Gleichmäßigkeit einer Wärmebehandlungsanlage beurteilt werden, ist eine detailliertere Analyse nötig. D. h. in der Praxis, dass alle Messergebnisse jedem einzelnen Bauteil in den einzelnen Prozessschritten zuordenbar sein sollten. Deshalb steht am Anfang der Untersuchungen eine eindeutige Kennzeichnung der Bauteile. Ggf. ist eine Markierung am Bauteil vorzunehmen, um die Bauteile lageorientiert durch die Prozesse zu steuern und um Orientierungszusammenhänge zwischen den Messergebnissen und Einflüssen aus dem Prozess herstellen zu können. Vor allem bei Problemen und Optimierungen ist es sinnvoll, neben den Kennwerten, die die reine Maßänderung, wie bspw. den Bohrungsdurchmesser, beschreiben, Informationen zur Formänderung der Bauteile zu ermitteln. Durch die Ausprägung von Ovalitäten, Dreieckigkeiten oder anderen Formänderungen können mögliche Ursachen aus der Fertigungsprozesskette identifiziert werden. Demzufolge sind entsprechende Messeinrichtungen einzusetzen. Der messtechnische Aufwand ist ggf. über Messungen mit Koordinatenmessgeräten zu erbringen. Um Formänderungen qualitativ und quantitativ zu bewerten, hat sich die Fourier-Analyse ( FFT ) von Messdaten wie bspw. Rundheitsschrieben bewährt. Der Grundgedanke dabei ist, die Messergebnisse in Anteile zu zerlegen, die aufgrund von auftretenden Regelmäßigkeiten konkreten Formänderungen zuordenbar sind. Diese werden bei der FFT durch die entsprechenden Ordnungen <?page no="85"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 85 ausgedrückt. Kommerzielle EDV-Programme wie Office Excel bieten solche Auswertemöglichkeiten. Einzelheiten zu den mathematischen Grundlagen und dem „handwerklichen Auswerten“ mit Office Excel sind bspw. / Lüb12/ zu entnehmen. Der Hintergrund der Fourier-Analyse wird in Bild 1.32 verdeutlicht. Der Rundheitsschrieb im linken Teilbild wurde durch die Überlagerung von drei einfachen Cosinus-Funktionen mit unterschiedlicher Ordnung (2, 3 und 6), Amplitude und Phasenlage synthetisch gebildet (mittlere Bildreihe). Das zugehörige Amplitudenspektrum im rechten unteren Teilbild zeigt Amplituden / hohe Beträge für die Ordnungen 2 (Ovalität), 3 (Dreieckigkeit) und 6. Neben der Information zu Regelmäßigkeiten der Formänderung und deren quantitativer Bewertung sind mit Hilfe der Fourier-Analyse auch Richtung / Orientierung der aufgetretenen Formänderungen bewertbar / Sur08/ . Bild 1.32: Synthetisierter Rundheitsschrieb (links), erzeugende Rundheitsschriebe 2., 3. und 6. Ordnung (Mitte) und Fourier-Koeffizienten in der komplexen Ebene (rechts) sowie Amplitudenspektrum (rechts unten) 1.7.3 Ursachen aus der Prozesskette- - Beispiele Im Folgenden werden anhand von Beispielen aus der Literatur bzw. aus der industriellen Praxis unterschiedliche „Verursacher“ vorgestellt / ermittelt, die für die nach der Wärmebehandlung vorliegenden Maß- und Formänderungen verantwortlich sind. In den Beispielen gibt es auch konkrete Angaben zu Aspekten, die das eigentliche Messen und (methodische) Bewerten von Maß- und Formänderungen betreffen. <?page no="86"?> 86 1 Grundlagen 1.7.3.1 Einfluss von Bohrungen auf die Unrundheit von einsatzgehärteten Zahnrädern <?page no="87"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 87 Problem: Im Rahmen des Forschungsprojektes „Leichtbauzahnräder“ / Lüb15, Sur15/ wurde u. a. der Einfluss von Bohrungen, die in unterschiedlicher Anzahl in Umfangsrichtung des Zahnrades eingebracht wurden, auf die Maß- und vor allem Formänderungen nach einer Einsatzhärtung untersucht. Geometrievariante G hat 3, Geometrievariante H 7 Bohrungen in Umfangsrichtung. Bild 1.33 rechts zeigt die Änderungen des Außenradius von gasabgeschreckten Pkw-Zahnrädern in Abhängigkeit der Ordnungen der FFT -Analyse. Es zeigen sich signifikante Änderungen des Außenradius in Abhängigkeit der Bohrungsanzahl. Für die Variante P-Gas- GX (3 Bohrungen) und die Variante P-Gas- HX (7 Bohrungen) sind deutliche Radiusänderungen für die Ordnungen 3 bzw. Vielfaches (6) und 7 der FFT -analysierten Ergebnisse zu erkennen. Die Amplitude der 7. Ordnung ist dabei deutlich kleiner als die der 3. Ordnung. Bild 1.33: Einfluss der Bauteilgeometrie auf experimentell ermittelte Änderungen von Innen- und Außenradius gasabgeschreckter Pkw-Zahnräder, dargestellt als Funktion der Ordnungen der FFT -Analyse. Ursache: konstruktive Gestaltung der Bohrungen <?page no="88"?> 88 1 Grundlagen Kompensationsmöglichkeit: Viele kleine Bohrungen dämpfen den Effekt der Unregelmäßigkeit in Umfangsrichtung. Ggf. sind andere konstruktive Maßnahmen zur Gewichtsreduzierung in Erwägung zu ziehen. 1.7.3.2 Einfluss der Konstruktion auf die Formänderung von Zahnradbohrungen <?page no="89"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 89 Problem: Bei der Hartbearbeitung der Bohrung einsatzgehärteter Zahnräder gab es in der Serienfertigung vermehrt Stellen, die „unbearbeitete Flecken“ aus der Weichbearbeitung aufwiesen. Ursache: Unabhängig von Einflussgrößen aus der Fertigungsprozesskette stellte sich die Bauteilkonstruktion als der alles dominierende Einfluss auf das Verzugsverhalten der Bohrung heraus. Messungen auf mehreren Höhen der Bohrung auf einem Koordinatenmessgerät ergaben die Formänderung gemäß Bild 1.34. Der Hals des Zahnrades schrumpft deutlich stärker als der Bereich der Verzahnung. Die Formänderung, die durch die sog. Zylinderform beschrieben wird, liegt bei Werten von ca. 100-120 µm. Bild 1.34: Formänderung der Bohrung eines einsatzgehärteten Pkw-Zahnrades „mit Hals“. Kompensationsmöglichkeit: Der konstruktiv bedingte Bohrungsverzug kann ggf. durch eine konische Vorhaltung in der Weichbearbeitung kompensiert werden. Weitergehende Untersuchungen haben gezeigt, dass der Abschreckprozess, hier insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit in axialer Richtung der Bohrung, zu einem geringen Anteil (ca. 10 %) die Zylinderform beeinflussen kann. <?page no="90"?> 90 1 Grundlagen 1.7.3.3 Einfluss der Härtbarkeit auf die Maßänderungen von einsatzgehärteten Zahnrädern <?page no="91"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 91 Problem: Nach der Einsatzhärtung von Zahnrädern verschiedener Schmelzen streuen die Bohrungsdurchmesser stark. Mit steigender Härtbarkeit der jeweiligen Schmelze ist eine Abnahme des Bohrungsdurchmessers zu beobachten. Die Bohrung schrumpft in den meisten Fällen, es kommt aber auch vor, dass die Bohrung „aufgeht“, s. Bild 1.35. Bild 1.35: Einfluss der Härtbarkeit (dargestellt als Jominy-Härte im Stirnabstand von 10 mm für die Stahlgüten ZF 7 und ZF 7 B) auf die Änderung des Bohrungsdurchmessers / Mal90/ . <?page no="92"?> 92 1 Grundlagen Ursache: Streuung der Härtbarkeit der verwendeten Schmelzen innerhalb der zulässigen Toleranzbreite, hier für die Stahlgüte ZF 7: 8 HRC . Kompensationsmöglichkeit: Reduzierung der zulässigen Toleranzbreite für die Härtbarkeit, hier auf die Güte ZF 7 B: 4 HRC . Alternativ wären chargenabhängige Vorhaltemaße durch entsprechende Weich-/ Hartvergleiche möglich. Dies wäre aber mit zusätzlichem Aufwand für die Messungen und vor allem für die Chargensteuerung in der Fertigung verbunden. <?page no="93"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 93 1.7.3.4 Einfluss der Kaltumformung auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Wellen <?page no="94"?> 94 1 Grundlagen Problem: Bei der Wärmebehandlung von kaltfließgepressten Wellen kommt es nach der Wärmebehandlung zu teilweise deutlich sichtbaren starken Neigungen bzw. Krümmungen / Nad11, Nad14/ , s. Bild 1.36. Bild 1.36: Kaltfließgepresste Wellen nach einem Einsatzhärten / Nad11, Nad14/ Ursache: Da Kaltumformprozesse wie das Kaltfließpressen definitionsgemäß unterhalb der Rekristallisationstemperatur stattfinden, verbleibt im Bauteil nach dem Umformen ein stark verformtes, eigenspannungsbehaftetes Material. Beim Erwärmen werden dann zunächst die Eigenspannungen abgebaut, und bei erhöhten Temperaturen kommt es zur Rekristallisation. Sind die Eigenspannungen aufgrund von Ungleichmäßigkeiten beim Kaltumformprozess inhomogen verteilt, lösen diese während der Wärmebehandlung Verzug aus. Kompensationsmöglichkeit: Da die Ursachen im Kaltfließprozess liegen, sind hier auch die Kompensationsmöglichkeiten zu suchen. Die Beseitigung von ungewollten Inhomogenitäten des Kaltfließprozesses führt zu einem gleichmäßigeren Umformergebnis. Beispiele sind hierfür eine gleichmäßige Schmierung oder das zentrische Einlegen der Bolzens. Eine Reduktion des Umformgrades könnte die eingebrachten Spannungen oder die Effekte durch die Rekristallisation verringern. Bei geometrisch notwendigen Inhomogenitäten ist möglicherweise ein entsprechendes Vorhalten des Verzugs oder ein Aufmaß zielführend. <?page no="95"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 95 1.7.3.5 Einfluss der Kalt-/ Warmumformung auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Schiebemuffen <?page no="96"?> 96 1 Grundlagen Problem: Im Rahmen einer Untersuchung der ZF und ALD / Schü16/ zur möglichen freien Stickstoff-Hochdruckgasabschreckung von Schiebemuffen zeigten sich sehr hohe Ebenheits- und Rundheitsabweichungen. Die Schiebemuffen wurden aus kaltumgeformten Rohlingen ohne nachträgliche Glühbehandlung hergestellt. Es wurde eine Rundheitsabweichung von 0,65 mm bei einem Schrumpfen des Innendurchmessers von 0,30 mm sowie eine Unebenheit der Stirnfläche von 0,70 mm gemessen, s. Bild 1.37. Ursache: Durch einen sog. „Dead Run“, d. h. Erwärmen und Aufkohlen mit langsamer Ofenabkühlung ohne martensitische Härtung, wurde festgestellt, dass die im Bauteil gespeicherten Eigenspannungen schon beim Erwärmen auf Aufkohlungstemperatur zum Verzug führten. Kompensationsmöglichkeit: Werden zur Herstellung der Schiebemuffen F / P-geglühte Schmiederohlinge verwendet, kann die Rundheitsabweichung auf ca. 0,15 mm bei einer Unebenheit von max. 0,20 mm reduziert werden. Die mittlere Schrumpfung bleibt unverändert im Bereich von 0,30 mm, s. Bild 1.37. Bild 1.37: Verzug von Schiebemuffen aus kalt- bzw. warmumgeformten Rohlingen <?page no="97"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 97 1.7.3.6 Einfluss der Härtbarkeit und Vorwärmebehandlung auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Tellerrädern <?page no="98"?> 98 1 Grundlagen Problem: In einem Forschungsprojekt / Sur10, Sur11/ gab es systematische Untersuchungen zu Einflüssen aus der Fertigungsprozesskette vom Stahlwerk bis zur Einsatzhärtung auf die Maß- und Formänderungen von bogenverzahnten Tellerrädern. Bild 1.38 zeigt die untersuchten Merkmale. Das Tellerrad wurde dabei modellhaft in Grundkörper und Verzahnung unterteilt. Bild 1.38: Merkmale der Koordinatenmessung am Tellerrad • Grundkörper: u. a. mittlerer Bohrungsdurchmesser und Rundheitsabweichung der Bohrung, • Verzahnung: Teilungsabweichung der konkaven Flanke <?page no="99"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 99 Ursache: Schmelze und Vorwärmebehandlung haben den größten Einfluss auf die untersuchten Merkmale, s. Bild 1.39. Bild 1.39: Einflüsse aus der Fertigungsprozesskette auf die Maß- und Formänderungen von Grundkörper und Verzahnung Detaillierte Ergebnisse sind / Sur10, Sur11/ zu entnehmen. Es ergeben sich qualitativ ähnliche Einflüsse sowohl auf den Grundkörper als auch auf die Verzahnung. Kompensationsmöglichkeit: Möglichst geringe Varianz bei der Stahlherstellung und Vorwärmebehandlung. <?page no="100"?> 100 1 Grundlagen 1.7.3.7 Anisotrope Maßänderung durch unterschiedliche Umformung beim Härten von karbidreichen Werkzeugstählen <?page no="101"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 101 Problem: In einer Studie / Wei04/ wurde die anisotrope Maß- und Formänderung beim Härten von karbidreichen Werkzeugstählen untersucht. Um den Einfluss des Volumens und der Verteilung der Hartphasen zu charakterisieren, wurden die Werkzeugstähle X153CrMoV12 (1.2379) und HS 6-5-3 (1.3344) in unterschiedlichen Umformzuständen untersucht: gegossen (a), pulvermetallurgisch (b) sowie 13-fach (c) und 26-fach (d) umgeformt. Ursache: Bild 1.40 zeigt die Maßänderung der Versuchskörper in Längen-, Breiten- und Höhenrichtung nach dem Härten und Anlassen. Bei den umgeformten Zuständen ist eine deutliche Anisotropie festzustellen. In Umformrichtung (Länge) liegt die Maßänderung um einiges höher als senkrecht und quer dazu. Gefügeuntersuchungen und Umwandlungssimulation belegen, dass die Ausrichtung der Hartphasen maßgeblich zu dieser anisotropen Maßänderung beitragen. Bild 1.40: Maßänderung nach dem Härten und Anlassen <?page no="102"?> 102 1 Grundlagen Kompensationsmöglichkeit: Um eine quasi-isotrope Maßänderung zu erhalten, sollte bei karbidreichen Werkzeugstählen auf gegossene oder pulvermetallurgisch hergestellte Varianten zurückgegriffen werden. 1.7.3.8 Einfluss des Faserverlaufs auf die Formänderung von gelochten, einsatzgehärteten Scheiben <?page no="103"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 103 Problem: Einsatzgehärtete Scheiben (ø a 120 • ø i 45 • 15) aus dem Stahl 20 MnCr 5 zeigen nach der Wärmebehandlung ein unterschiedliches „Auftellern“ / Dishing in axialer Richtung in Abhängigkeit der Übermaßabnahme in der Weichbearbeitung, s. Bild 1.41. Untersucht wurden die Varianten Abnahme „1 mm von der oberen / 6 mm von der unteren Stirnfläche“ und „4 / 3“. / Ren12/ Bild 1.41: „Auftellern“ / Dishing der einsatzgehärteten Scheiben in Abhängigkeit der Zerspanstrategie Ursache: Bei der Stahlerzeugung mittels Strang- oder Blockguss entstehen Inhomogenitäten in der Verteilung der Legierungselemente. Die chemische Zusammensetzung ist ortsabhängig. Dies zeigt sich nach der Umformung zum Rohling im Faserverlauf. Je nach Zerspanstrategie in der Weichbearbeitung ergeben sich unterschiedliche Faserverläufe im weichbearbeiteten Zustand, s. Bild 1.42. Im vorliegenden Beispiel wurden Scheiben aus unterschiedlichen axialen Positionen des Rohlings gefertigt. Bild 1.42: Resultierende Faserverläufe der weichbearbeiteten Scheiben je nach Entnahmeposition aus dem Rohling / Zerspanstrategie Kompensationsmöglichkeit: Eine Anpassung der Zerspanstrategie oder ein symmetrischer Stofffluss beim Umformen und symmetrischer Materialabtrag beim Zerspanen vermeiden das „Auftellern“ / Dishing. <?page no="104"?> 104 1 Grundlagen 1.7.3.9 Einfluss des Spannens in der Weichbearbeitung auf Maß- und Formänderungen von Wälzlagerringen <?page no="105"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 105 Problem: Wälzlagerringe, die mit unterschiedlichen Spannkonzepten in der Weichbearbeitung hergestellt wurden, zeigen nach der Wärmebehandlung deutliche Unterschiede in den Unrundheiten. Im Rahmen der Untersuchungen wurden mittels 3D-Koordinatenmessungen u. a. Innen- und Außendurchmesser in 3 Höhen ermittelt. Die FFT -Analyse der Rundheitsschriebe zeigt im Falle des Dreibackenfutters hohe Amplituden bei der 3. Ordnung. Durch eine Orientierungskennzeichnung an jedem einzelnen Bauteil konnte die Lage in Bezug zum Spannsystem bei der Drehbearbeitung hergestellt werden. Ursache: Durch die unterschiedlichen Spannkonzepte in der Weichbearbeitung resultieren Unterschiede im Materialabtrag in Umfangsrichtung, also in Umfangsrichtung unterschiedliche Wandstärken, sowie vom Umfangswinkel abhängige Eigenspannungen. Dies zeigt sich deutlich bei der Verwendung von Segmentbacken / Dreibacken in den Tangentialeigenspannungen, s. Bild 1.43 b). / Sur12/ Bild 1.43: Charakteristische Verläufe der Tangential- bzw. Axialeigenspannungen auf der äußeren Mantelfläche in Abhängigkeit des Einspannmittels: a) Pendelbacken / Spanndorn und b) Segmentbacken / Dreibacken <?page no="106"?> 106 1 Grundlagen Kompensationsmöglichkeit: Verwendung geeigneter Spannkonzepte (Spannmittel und Spannparameter), ggf. ein gezieltes winkelorientiertes Umspannen zwischen der Bearbeitung der Bohrung bzw. der Mantelfläche / Gro09/ oder eine oszillierende Weichbearbeitung / Bee09/ . 1.7. 3. 10 Einfluss der Streuung in der Weichbearbeitung <?page no="107"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 107 Problem: Durch einen Weich-/ Hartvergleich wurden die Aufmaße für die Weichbearbeitung der Bohrung einsatzgehärteter Pkw-Zahnräder ermittelt. Nach der Hartbearbeitung sind trotzdem unbearbeitete Stellen (sog. „Flecken“) in der Bohrung sichtbar. Ursache: Bild 1.44 zeigt die Abhängigkeit des Bohrungsdurchmessers „hart“ nach der Einsatzhärtung vom Bohrungsdurchmesser nach der Weichbearbeitung. Es wurden gezielt Bauteile vor und nach dem Einsatzhärten vermessen und die Verzüge je Bauteil ermittelt. Man erkennt deutlich, dass die Streuung aus der Weichbearbeitung 1: 1 auch nach der Hartbearbeitung vorliegt. Es ist ferner ersichtlich, dass der Eingangszustand in die Härterei (Bohrungsdurchmesser weich) nicht normalverteilt ist: Es zeichnen sich drei Gruppierungen in den Wertepaaren ab. Bild 1.44: Bohrungsdurchmesser hart in Abhängigkeit des Bohrungsdurchmessers weich für die Messebenen Hals, Mitte und Verzahnung <?page no="108"?> 108 1 Grundlagen Kompensationsmöglichkeit: Durch die Einengung der Toleranzen für die Weichbearbeitung, die Zentrierung des Prozesses beim Rüsten in der Weichbearbeitung bzw. die Erhöhung der Prozessstabilität in der Weichbearbeitung kann ein stabilerer Eingangszustand in die Härterei sichergestellt werden und damit die Streuung nach der Wärmebehandlung reduziert werden. <?page no="109"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 109 1.7. 3. 11 Einfluss der Chargierung auf Formänderungen von Wälzlagerringen <?page no="110"?> 110 1 Grundlagen Problem: In Abhängigkeit der Bauteilauflage / Chargierung kommt es zu unterschiedlichen Formänderungen (Rundheit und Ebenheit) nach der Wärmebehandlung von Wälzlagerringen, s. Bild 1.45. Die Auflage auf „zwei Linien“ führt zu einer starken Ovalität der Ringe parallel zur Auflage und zu einem Durchhängen der Ringe zwischen den Auflagen (a). Diese Ergebnisse werden durch Versuche mit einer liegenden Chargierung auf Gittern bestätigt, bei denen die Auflagepunkte durch das unebene Gitter zufällig waren. Hier kommt es ebenfalls zu einer starken Ovalität der Ringe, aber ohne Vorzugsorientierung (c). Bei der Chargierung mit dem „Stern“ (Auflage auf drei Punkten) sind diese beiden Formänderungen nicht zu beobachten (b). / Kes03/ Bild 1.45: Chargierung der Wälzlagerringe (oben), Rundheitsschriebe: Rundheitsabweichung 500fach überhöht dargestellt (Mitte) und Ebenheit (Änderung der z-Koordinate der oberen Stirnfläche) nach der Wärmebehandlung (unten) <?page no="111"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 111 Ursache: Lastspannungen, die aufgrund der Schwerkraft (Eigengewicht) im Ring vorliegen und aufgrund von Reibung zwischen Bauteil und Chargiermittel / Auflage hervorgerufen werden. Kompensationsmöglichkeit: Verwendung von Chargiermitteln, die eine optimale Unterstützung des Bauteils gewährleisten, so dass Effekte aufgrund des Eigengewichts vermieden werden. Verwendung von Chargiermitteln mit ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Bauteil oder sehr geringen Reibkoeffizienten, so dass der Aufbau von Spannungen aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Chargiermittel und Bauteil minimiert werden kann. <?page no="112"?> 112 1 Grundlagen 1.7. 3. 12 Einfluss des Abschreckprozesses auf Formänderungen von Wälzlagerringen <?page no="113"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 113 Problem: In / Wol14/ wurde der Einfluss des Abschreckens in verdampfenden Flüssigkeiten bzw. im Gas u. a. auf die Formänderungen von Wälzlagerringen systematisch untersucht. Bild 1.46 zeigt oben die Änderung von Ovalität und Dreieckigkeit und unten die Änderung der Konizität in Abhängigkeit der Abschreckbedingungen. Bei Öl- und Polymerabschreckung zeigen sich ausgeprägte Unrundheiten für die vertikal hängend chargierten Bauteile, ausgeprägte Konizitäten für die horizontal chargierten Bauteile. Bild 1.46: Formänderungen in Abhängigkeit der Abschreckbedingungen: Unrundheit (oben) und Konizität (unten) Ursache: Bedingt durch die Chargierung (vertikal / horizontal) kommt es zu einem unterschiedlichen Benetzungsverhalten der Bauteile (Übergang Filmzu Kochphase) beim Abschrecken in Umfangsbzw. axialer Richtung, s. Bild 1.47. Demzufolge <?page no="114"?> 114 1 Grundlagen ergeben sich je nach Chargierung unterschiedliche Temperaturgradienten in Umfangsbzw. axialer Richtung und als Folge Formänderungen entweder in Umfangsrichtung (Unrundheit) oder axialer Richtung (Konizität). Kompensationsmöglichkeit: Zunächst die Chargierung selbst. Bei Polymerabschreckung führt eine Erhöhung der Badtemperatur zu geringeren Unrundheiten, s. Bild 1.47. oben. Bzgl. Konizitätsänderungen können auch die Strömungsbedingungen beim Abschrecken oder entsprechende Vorhaltemaße in der Weichbearbeitung die auftretenden Effekte kompensieren. Bild 1.47: Benetzungsverhalten bei horizontaler und vertikaler Chargierung <?page no="115"?> 1.7 Maß- und Formänderungen-- Ursachen aus der Prozesskette 115 1.7. 3. 13 Einfluss des Abschreckprozesses / der Ölbadströmung auf Formänderungen von Pkw-Getriebewellen <?page no="116"?> 116 1 Grundlagen Problem: Nach dem Einsatzhärten von Getriebewellen treten Rundlauffehler auf, die den für die weitere Bearbeitung zulässigen Wert überschreiten. Demzufolge werden diese Wellen nach dem Einsatzhärten biegegerichtet. Ursache: In Umfangsrichtung auftretende Unterschiede in den Abkühlbedingungen an der Bauteiloberfläche führen zu Biegemomenten während des Abschreckprozesses und daraus resultierend zu Rundlauffehlern nach dem Abschrecken. Bild 1.49 zeigt die Rundlauffehler nach dem Einsatzhärten / vor dem Biegerichten in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede über dem Wellenumfang. Die Strömungsgeschwindigkeit (Vertikalkomponente) wurde an diskreten Stellen des kalten Ölbades mit einem Flügelradanemometer gemessen, siehe Bild 1.48. Durch Interpolation wurden aus diesen Werten die Strömungsgeschwindigkeiten an der Bauteiloberfläche bzw. die Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede über dem Bauteilumfang jeder einzelnen Welle berechnet. Grundsätzlich konnte der Zusammenhang ermittelt werden, dass höhere Strömungsgeschwindigkeiten auch zu größeren Unterschieden über dem Umfang führen. / Maj14/ Bild 1.48: Strömungsgeschwindigkeits-verteilung (Vertikalkomponente) im kalten Ölbad ohne Charge Bild 1.49: Rundlauffehler in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede über dem Wellenumfang <?page no="117"?> 1.8 Verzugsprobekörper 117 Kompensationsmöglichkeit: Bei der Konzeption und dem Bau von Abschreckbädern sind möglichst homogene Strömungsverteilungen anzustreben. Bei der Prozessführung selbst sollte mit möglichst homogenen Strömungsverhältnissen abgeschreckt werden, d. h. nach den vorliegenden Untersuchungen mit möglichst geringen Strömungsgeschwindigkeiten. 1.8 Verzugsprobekörper Aus den bisherigen Ausführungen geht hervor, dass neben der Bauteilvorgeschichte auch der Wärmebehandlungsprozess selbst einen Anteil am Verzugspotenzial und damit natürlich an den Maß- und Formänderungen hat. Die Bestrebungen eines Wärmebehandlers müssen nun dahin gehen, diesen Anteil zu minimieren. In der Praxis ist das natürlich ein aufwändiges und kostspieliges Unterfangen. In der Serienfertigung können zwar im Einzelfall Anlagen bauteilspezifisch optimiert werden, wobei darunter im Wesentlichen Maßnahmen zur Vergleichmäßigung der Aufheizung und Abschreckung fallen. Lohnhärtereien und auch Anlagenbauer können aber im allgemeinen Fall aufgrund des ständig wechselnden Bauteilspektrums so nicht vorgehen. Es gab daher in der Vergangenheit Bemühungen, einfache Probekörper zu verwenden, die das Verzugsverhalten einer Wärmebehandlungsanlage aufzeigen sollen. Bild 1.50 / Tot93/ zeigt einige Beispiele. So wurden bspw. Stufenzylinder eingesetzt. Messgrößen sind die Durchmesseränderungen in Abhängigkeit vom Durchmesser / Moe90/ . Ebenso fand der sogenannte „Navy C-Ring“ Verwendung. Messgrößen an diesem Probekörper können der Außendurchmesser, der Innendurchmesser, die maximale Wanddicke, die Schlitzbreite und die Ringhöhe sein / Fre30/ . Bei einer modifizierten Form des Navy C-Rings wurde zur Erhöhung der Verzugsanfälligkeit eine Querschnittsverengung im Bereich der maximalen Wandstärke eingebracht (s. Bild 1.50, / Boy88/ ). <?page no="118"?> 118 1 Grundlagen Bild 1.50: Beispiele für Verzugsprobekörper / Tot93/ In Deutschland hat sich aber keiner dieser Probekörper auf breiter Flur durchgesetzt. Ein erneuter Anlauf zur Entwicklung eines Verzugsprobekörpers wurde daher im Jahr 2000 von der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik ( AWT ) unternommen / Ber01/ . Sie untersuchte in einem breit angelegten Ringversuch die Eignung von Ringen mit einer geringen Wandstärke (Außendurchmesser 72,4 mm, Wandstärke 6,3 mm, Höhe 22,3 mm) zur diesbezüglichen Anlagencharakterisierung. So wurden 1000 Ringe aus 100Cr6 unter möglichst identischen Bedingungen gefertigt und einer Spannungsarmglühung bei 850 °C unterzogen. Diese ungewöhnliche Maßnahme konnte aber sicherstellen, dass praktisch das gesamte auf Fertigungseigenspannungen beruhende Verzugspotenzial eliminiert wurde. Die Verwendung von lediglich einer Werkstoffcharge in einem Ausgangsgefügezustand minimierte zusätzlich das auf Inhomogenitäten von Gefüge und Legierungselementen beruhende Verzugspotenzial. Die wesentlichen Erkenntnisse dieses Ringversuches lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Bei Anlagen für die Produktion von Wälzlagerringen lässt sich mit dem Verzugsprobekörper aus Wälzlagerstahl sehr wohl eine Anlagenoptimierung durchführen. • Bei Anlagen für die Produktion von einsatzgehärteten Bauteilen aus dem Getriebebereich ergaben sich teilweise direkte Korrelationen zum Verzugsverhalten des Verzugsprobekörpers, teilweise ergab sich aber auch ein gegensätzliches Verhalten. <?page no="119"?> 1.8 Verzugsprobekörper 119 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen Die Simulation von Fertigungsprozessen stellt heutzutage ein entscheidendes Werkzeug im Rahmen des Simultaneous Engineering dar. Ziel ist es durch Simulation der kompletten Fertigungskette Entwicklungszeiten zu verkürzen und Verfahren zu optimieren. Für den Bereich der Wärmebehandlung mit vergleichsweise langen Prozesszeiten ergibt sich für die Simulation somit ein erhebliches Potenzial. Konkret können im Bereich Wärmebehandlung mit Hilfe der Simulation bspw. Ofenzeiten minimiert werden oder riss- oder verzugsanfällige Bauteil(bereich)e identifiziert werden. Die Bauteilgeometrie, die Werkstoffzusammensetzung, das Wärmebehandlungsverfahren und dessen Ablauf sowie der Ausgangszustand mit den herstell- und fertigungsbedingten Einflüssen auf das Bauteil sind miteinander in komplexer Weise verknüpft und beeinflussen signifikant das Maß- und Formänderungsverhalten der Bauteile während der Wärmebehandlung. Deswegen muss derzeit für eine wirtschaftliche Prozessführung für spezielle Anwendungen ein kosten- und zeitintensives „trial and error“-Verfahren durchgeführt werden, um den Prozess für das jeweilige Bauteil zu optimieren. Dies erschwert jedoch ganz beträchtlich das Ziel der industriellen Fertigung, entsprechend den ständig kürzer werdenden Produktzyklen, die Entwicklungsdauer für neue Produkte zu verkürzen. Mit dem zunehmenden Kenntnisstand über die potenziellen Einflüsse und ihrer Auswirkungen auf den Werkstoffzustand wärmebehandelter Bauteile und der breiten Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechner wurden in den letzten Jahren auch kommerzielle Programme für die Simulation von Wärmebehandlungen entwickelt. Dies bedeutet für Verfahrensentwicklungen im Bereich der Wärmebehandlung die Möglichkeit, auch ohne Musterteile im Modell erste Abschätzungen zur Prozessführung zu treffen. So können beispielsweise berechnete Gefüge- und Härteverteilungen konkrete Hinweise auf notwendige Abschreckbedingungen, Anlagentechnik oder Chargierbedingungen geben sowie berechnete Eigenspannungen und Maß- und Formänderungen Eingang in die Entwicklung und Konstruktion, die Lebensdauerabschätzung sowie in die notwendige Hartbearbeitung finden. Für die Wärmebehandlungssimulation ist die Kenntnis zahlreicher, von der Temperatur, dem Gefüge und der Werkstoffzusammensetzung abhängiger Werkstoffparameter und etlicher Verfahrensparameter erforderlich. In den letzten Jahren gab es einige Anstrengungen von Softwarehäusern und Forschungsins- <?page no="120"?> 120 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen tituten in Zusammenarbeit mit der Industrie Datenbanken mit Werkstoff- und Prozessparametern für die Wärmebehandlungssimulation zu erstellen / cash05/ . Realitätsnahe Eingabeparameter eignen sich in der Simulation grundsätzlich zum Aufzeigen von Tendenzen, für Parameterstudien und Einflussanalysen sowie zur deutlichen Verbesserung des Prozessverständnisses der bei der Wärmebehandlung ablaufenden stark gekoppelten Prozesse und bieten somit immer noch ein großes Potenzial zur Prozessoptimierung. So können beispielsweise über die Variation des Wärmeübergangs die Auswirkungen unterschiedlicher Abschreckmedien auf das Wärmebehandlungsergebnis untersucht oder durch Variation des Werkstoffes der Einfluss der unterschiedlich ablaufenden Phasenumwandlungen bei konstanten Abschreckbedingungen analysiert werden. Für eine realistische Simulation, die zu quantitativ guten Ergebnissen führen soll, sind jedoch reale Eingabedaten erforderlich. Die Simulation geometrisch komplexer Bauteile erfordert immer noch lange Rechenzeiten, welche jedoch durch verbesserte Softwarealgorithmen und schnellere Hardware zunehmend in den machbaren Bereich rücken. Wizzards helfen dem ungeübten Benutzer von Wärmebehandlungssoftware über geführte Eingabeprozeduren auch komplexe Simulationen aufzusetzen. Die Verbreitung kommerzieller Software zur Wärmebehandlung nimmt immer weiter zu und ist nicht mehr nur auf Hochschulen begrenzt. Aus Forschungsvorhaben ist ein Leitfaden / cash05/ zur Wärmebehandlungssimulation entstanden, welcher dem Einsteiger in diese Disziplin hilft, sich hier einzuarbeiten. Hierin sind sowohl einfache grundlegende Informationen enthalten, als auch tiefgreifende und weiterführende Kenntnisse durch die angehängten Dokumente verfügbar. 2.1 Allgemeines zur Berechnung Im Folgenden sollen nur kurz die bei der rechnerischen Simulation von Wärmebehandlungen zu modellierenden Teilprozesse genannt werden. Dabei wird ganz bewusst darauf verzichtet ins Detail zu gehen oder die hinter den einzelnen Modellen stehenden mathematischen Ansätze aufzuzeigen. Für den interessierten Leser sei bezüglich dieser Informationen auf weiterführende Literatur / z. B. Fle89, Cal85, ICRS 1 - ICRS 6, Yu96/ verwiesen. Die nicht mehr ganz aktuellen Möglichkeiten und Erfordernisse der Wärmebehandlungs-Simulationsprogramme, die kommerziell verfügbar sind, sind in / Bes99/ dargestellt. Wie in Bild 2.1 schematisch dargestellt, müssen zur numerischen Simulation von Wärmebehandlungsprozessen die zeitlichen und örtlichen Entwicklungen der Temperaturen, der Gefügeumwandlungen, der Deformationen und Spannungen sowie die dabei auftretenden Wechselwirkungen rechnerisch erfasst <?page no="121"?> 2.1 Allgemeines zur Berechnung 121 werden. Schon allein als Folge der örtlich und zeitlich im Bauteil während einer Wärmebehandlung auftretenden Temperaturunterschiede kommt es zu Dehnungsbehinderungen und somit zu Spannungen sowie bei lokal überelastischen Beanspruchungen zu plastischen Verformungen. Rückwirkend beeinflussen verformungsbedingte Wärmeentwicklungen die Temperaturverteilung. Die Gefügeumwandlungen werden durch die Temperaturentwicklung bestimmt, und die damit verbundenen Wärmetönungen wirken sich wiederum auf die Temperaturen aus. Volumenänderungen aufgrund von Gefügeumwandlungen beeinflussen die Deformationen und Spannungen. Die während der Wärmebehandlung auftretenden Spannungs- und Verformungsverteilungen bewirken ihrerseits Änderungen des Umwandlungsverhaltens. Einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Ausbildung der Eigenspannungen sowie der Maß- und Formänderungen hat auch die sogenannte Umwandlungsplastizität. Oft wird nur der Abschreckprozess selber unter der vereinfachenden Annahme von Spannungsfreiheit nach dem Austenitisieren und isotrope Maßänderung auf Austenitisiertemperatur simuliert. Darüber hinaus können die Teilschritte Erwärmen und Austenitisierung sowie Anlassen mit simuliert werden. Die eigentliche Wärmebehandlungssimulation kann mit der Simulation der Diffusion für die Einsatzhärtung, elektro-magnetischer Simulation für eine induktive oder konduktive Erwärmung oder fluid-dynamischer Simulation ( CFD ) zur Berechnung des Wärmeübergangs ergänzt werden. Weiterhin lässt sich die Wärmebehandlungssimulation mit der Simulation von weiteren Prozessschritten wie die Umformung oder einer Lebensdauervorhersage verbinden. <?page no="122"?> 122 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen Bild 2.1: Ein- und Ausgabedaten sowie Teilprozesse mit Wechselwirkungen bei der Wärmebehandlung 2.2 Eingabedaten Das Simulationsergebnis wird, neben der Modellierung der oben genannten Teilprozesse und Wechselwirkungen, entscheidend durch die Güte der Eingabedaten bestimmt. Neben den Daten zur Steuerung des Berechnungsablaufes und des Berechnungsumfanges sind grundsätzlich die nachfolgend beschriebenen Eingabedaten notwendig. Neben der Temperatur- und Phasenabhängigkeit können meist weitere Abhängigkeiten wie dem Kohlenstoffgehalt beim Einsatzhärten oder vom Ort bei Schichtsystemen berücksichtigt werden. 2.2.1 Geometrie Vom vorliegenden Bauteil ist ggf. unter Berücksichtigung von Symmetrien ein Geometriemodell zu erstellen, das mit zu wählenden Elementtypen diskretisiert wird. Die Erstellung dieses Netzes aus finiten Elementen kann in der Regel programmunterstützt erfolgen. Es stehen Netzgeneratoren zur Verfügung, welche speziell für die Erfordernisse beim Einsatzhärten oder von komplexen <?page no="123"?> 2.2 Eingabedaten 123 Geometrien hilfreich sind. Dabei können CAD -Datensätze verwendet werden. Je nach Anforderung muss zwischen einem zweidimensionalen, rotationssymmetrischen oder dreidimensionalen Modell entschieden werden. Der Rechenumfang steigt aufgrund der zunehmenden Freiheitsgrade in der angegebenen Reihenfolge. Neben dem Elementtyp hängt die numerische Genauigkeit von der Größe der gewählten Elemente ab. Den einzelnen Elementen, genauer den Knotenbzw. Integrationspunkten der Elemente, werden Anfangsbedingungen wie die vor der Wärmebehandlung örtlich vorliegenden Temperaturen und Gefüge zugewiesen. 2.2.2 Wärmebehandlung Die Modellierung des Wärmeübergangs bei Aufheiz- und Abkühlvorgängen erfordert die Vorgabe bzw. die Berechnung der örtlich bei der jeweiligen Temperatur vorliegenden Wärmestromdichten senkrecht zur Oberfläche (Randbedingungen). Hierzu können z. B. die Umgebungstemperatur sowie temperatur- und ortsabhängige Wärmeübergangszahlen herangezogen werden, die im Einzelfall zu ermitteln sind. Für die Ermittlung des Wärmeüberganges eignen sich die gemessen Temperatur-Zeit-Kurven im Inneren des Bauteils oder einer mitgeführten Probe (bspw. Q-Probe / Lüb02/ ) oder das patentierte Analogieverfahren der Fa. ALD / Heu05/ . Bei einer einfachen Geometrie wie einem Zylinder oder einer Kugel lässt der Wärmeübergangskoeffizient numerisch aus der Temperaturmessung bestimmen (inverses Verfahren / Kim01/ ). Bei komplexen (Bauteil-) Geometrien erfolgt die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizient durch ein Variationsverfahren. Neben der experimentellen Bestimmung gibt es u. U. die Möglichkeit, Wärmeübergangskoeffizienten über Simulation des Abschreckmediums mit Computational Fluid Dynamics ( CFD ) zu bestimmen / Mac10/ . Wärmequellen, z. B. bei induktiver oder konduktiver Erwärmung, werden durch die Vorgabe bzw. Berechnung der in bestimmten Elementen eingekoppelten Leistung beschrieben. Im rotationssymmetrischen Fall, unter starker Vereinfachung teilweise auch im dreidimensionalen Fall, kann das induktive und konduktive Erwärmen simuliert werden. Soll ein Stoffübergang bei thermochemischen Verfahren (z. B. Einsatzhärtung) berücksichtigt werden, so muss auch der jeweilige Massestrom oder Stoffübergangskoeffizient samt dem Kohlenstoffgehalt der Umgebung vorgegeben oder berechnet werden. Bei thermomechanischen Verfahren müssen darüber hinaus mechanische Belastungen vorgegeben werden. <?page no="124"?> 124 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen 2.2.3 Werkstoff In Tabelle 2.1 sind die im Allgemeinen notwendigen Eingabedaten zur Beschreibung des Werkstoffes, die ausgehend vom vorliegenden Werkstoffzustand temperatur- und gefügeabhängig anzugeben sind, sowie die notwendigen Daten zur Beschreibung des Umwandlungsverhaltens zusammengefasst. Die Anzahl der Stähle, für die Datensätze vorliegen, nimmt ständig zu, wobei oft die Datensätze schon als Eingabedateien für die jeweiligen Programme vorliegen / Lüt05/ . Kommerzielle Datenbanken mit für die Simulation benötigten Daten sind bspw. StahlWissen® - NaviMat / Som/ oder JM atPro / Sen/ . Es mangelt hauptsächlich an temperaturabhängigen Spannungs-Dehnungs-Zusammenhängen einzelner Gefügebestandteile. Insbesondere die Werkstoffkennwerte des unterkühlten Austenits sind experimentell schwierig zu bestimmen. Wichtigste Kenngrößen bei der Wärmebehandlungssimulation sind die Umwandlungsdaten. Diese hängen im Allgemeinen von der chemischen Zusammensetzung, der Seigerungsverteilung, der Austenitkorngröße und der mechanischen (Vor-) Belastung ab. Aufgrund der vielfältigen Einflussgrößen kann es zielführend sein, die Umwandlungen für den zu betrachtenden Wärmebehandlungsfall experimentell zu bestimmen. Standardmäßig können Umwandlungskenngrößen über der Aufnahme von Zeit-Temperatur-Dehnungskurven mit Hilfe eines Abschreckdilatometers ausreichend genau bestimmt und ausgewertet werden / Hun18/ . Sind mechanische Belastungen zu berücksichtigen, kann auf ein Umformdilatometer oder einen thermomechanischen Simulator zurückgegriffen werden. Insbesondere letzteres kann auch gut zur Bestimmung von mechanischen Kenngrößen bei verschiedenen Temperaturen eingesetzt werden. Konventionelle Stähle, die in der Regel über Strang- oder Blockguss hergestellt werden, sind in der Regel stark seigerungsbehaftet / Hun21/ . Seigerungen sind dabei sowohl richtungsals ortsabhängig. Zum einen können dadurch zusätzliche Effekte wie eine Anisotropie auftreten / Hun12/ . Zum anderen können insbesondere Umwandlungskenngrößen und Verfestigungskurven ortsabhängig werden. Letzteres lässt sich einfach über einen entsprechenden Seigerungsindex, der zwischen verschiedenen Werkstoffzuständen interpoliert, abbilden / Hun19/ . Allerdings sind dann die Daten für die einzelnen Werkstoffzustände zu bestimmen. <?page no="125"?> 2.3 Berechnungsgrundlagen 125 Kenngrößen in Abhängigkeit der Temperatur und des Gefügebestandteils thermische und mechanische Kenngrößen (phasenabhängig) Wärmeleitfähigkeit λ Dichte ρ spezifische Wärmekapazität c p Wärmeausdehnungskoeffizient α Elastizitätsmodul E Querkontraktionszahl ν Streckgrenze und Verfestigung σ / ε Kriechparameter ֹ σ / ֹ ε Umwandlungskenngrößen ZTA - und ZTU -Daten Umwandlungsenthalphie ΔH umwandlungsbed. Volumenänderung ΔV / V Konstante zur Berechnung der Umwandlungsplastizität K weitere mögliche Kenngrößen Diffusionskoeffizient D Kornwachstum Tabelle 2.1: Eingabedaten zum Werkstoff (Werkstoffzustand) 2.3 Berechnungsgrundlagen Bei den Berechnungen wird i. a. isotropes Materialverhalten vorausgesetzt. Im Falle einer nicht abgeschlossenen Umwandlung werden die Daten der einzelnen an der Umwandlung beteiligten Gefügebestandteile durch eine (meist lineare) Mischungsregel erfasst. Detaillierte Übersichten zu den Grundlagen der Wärmebehandlungssimulation gibt bspw. / Sim98, Roh00/ . Eine Einführung in die numerischen Grundlagen gibt bspw. / Bäk09/ . <?page no="126"?> 126 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen 2.3.1 Temperaturberechnung Die instationären Temperaturverteilungen werden in Abhängigkeit von Ort und Zeit durch die Lösung einer Differentialgleichung, die sich aus dem Fourierschen Wärmeleitungsansatz und der Energiebilanz ergibt, unter Berücksichtigung der genannten Anfangs- und Randbedingungen berechnet. Hierbei wird auch die bei Phasenumwandlungen auftretende Umwandlungswärme in Abhängigkeit vom Umwandlungsfortschritt einbezogen / Com74, Ino92, Yu77/ . 2.3.2 Umwandlungsberechnung Bei der Wärmebehandlung von Stählen ist zwischen diffusionsgesteuerten und diffusionslos ablaufenden Umwandlungen zu unterscheiden. Diffusionsgesteuerte Umwandlungen werden oft mit dem Avrami-Ansatz / Avr39/ (auch Johnson-Mehl-Avrami(-Kologomov)-Gleichung genannt) beschrieben. Hierbei ist die Umwandlung abhängig von der Zeit, die Parameter sind aber chemie-, temperatur- und phasenabhängig. Der Avrami-Ansatz liefert für isotherme Umwandlungen oft eine gute Beschreibung, für Umwandlungen unter Temperaturänderung werden aber Abweichungen zwischen berechneter und experimenteller Umwandlung beobachtet. Bewährt hat sich die Verwendung einer Korrekturfunktion, die abhängig von Temperatur und Temperaturänderungsrate sein kann / Leb85/ . Eine Alternative, die insbesondere bei Verwendung von isothermen Umwandlungsdiagrammen als Grundlage Verwendung findet, ist die Scheil-Summe / Ume83/ . Diffusionslose Umwandlungen werden oft über die Kostinen-Marburger-Gleichung modelliert, welche mit den Jahren in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung verfeinert wurde / Koi59, Lee12/ . Dabei ist die Umwandlung nur temperaturabhängig. Datengrundlage ist entweder die experimentelle Bestimmung bspw. über Dilatometerversuche oder der Rückgriff auf Umwandlungsdiagramme (ZTA, ZTU) der Literatur, z. B. / Wev61/ oder aus Datenblätter der Stahlhersteller. Daneben gibt es Ansätze die Umwandlungen aus der chemischen Zusammensetzung und der Korngröße zu berechnen, bspw. / Kir83, Boh09/ . Die experimentell beobachtete Beeinflussung der Umwandlungskinetik durch anliegende Spannungen bzw. Deformationen bei diffusionsgesteuerter oder diffusionsloser Umwandlung wird durch modifizierte Ansätze berücksichtigt / Den85/ . Derzeit kann jedoch bei Stählen die Auswirkung komplizierter Spannungs- und Deformationszustände auf den Umwandlungsablauf noch nicht hinreichend genau beschrieben werden. <?page no="127"?> 2.3 Berechnungsgrundlagen 127 2.3.3 Deformations- und Spannungsberechnung Bei der Wärmebehandlung ist die Deformation i. d. R. klein (verglichen mit bspw. Umformvorgängen). Der totale Deformationstensor setzt sich deswegen additiv aus elastischen, thermischen, umwandlungsbedingten und plastischen Anteilen zusammen / Des82, Fra72, Srö85/ . Die während der Wärmebehandlung auftretenden Temperaturänderungen und Umwandlungen führen zu thermischen und Umwandlungsdehnung. Die Umwandlungsdehnung wirkt sich direkt auf die Maßänderung aus. Inhomogene thermische oder Umwandlungsdehnungen führen zu thermischen oder Umwandlungsspannungen. Daraus können Maß- und Formänderung erfolgen. Zusätzlich können bei der Wärmebehandlung externe Lasten Spannungen erzeugen: ungewollte wie (Eigen-)Gewicht oder Klemmen; gewollte wie in Härtepressen. Die Spannungen führen über verschiedene plastische Verformungsmechanismen zu Maß- und Formänderungen. Die elastischen Deformationsanteile gehorchen dem Hookeschen Gesetz. Für die Berechnung der „klassischen“ plastischen Deformationsanteile sind eine Fließbedingung (Fließkriterium), die das Erreichen der Grenze elastischen Werkstoffverhaltens definiert, ein Fließgesetz, das die plastischen Deformationsinkremente mit den Spannungen verknüpft und eine Beziehung, die unter Berücksichtigung vorangegangener elastisch-plastischer Deformationen die Verfestigung kennzeichnet, notwendig. Kriecheffekte sind vor allem bei hohen Temperaturen und langen Prozessen für Maß- und Formänderungen relevant. Die modellmäßige Beschreibung von Kriechen ergibt sich aus der Abhängigkeit der Dehnrate von der Spannung. Findet eine Umwandlung unter Spannung, z. B. thermische Spannungen beim Abschrecken, statt, tritt während der Umwandlungen eine zusätzliche plastische Verformung auf, die Umwandlungsplastizität genannt wird / Gre65, Mag66/ . Die Umwandlungsplastizität wird meist linear von der Spannung abhängig modelliert. Allerdings ist bekannt, dass die Umwandlungsplastizität für höhere Spannungen stark nichtlinear werden kann / Gre65/ . Neben den beschriebenen grundlegenden Mechanismen können noch Modelle zur Beschreibung des Bauschinger-Effekts, anisotroper Zustände usw. notwendig werden. Die mechanischen Parameter sind auch für Nichtgleichgewichtszustände wie den unterkühlten Austenit notwendig. Die experimentelle Bestimmung mechanischer Parameter setzt also einen thermomechanischen Simulator, eine Kombination aus Dilatometer und Zugprüfmaschine, die schnelle Temperaturänderungen erlaubt, voraus. Ein solcher thermomechanischer Simulator lässt <?page no="128"?> 128 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen sich auch zur Bestimmung der Umwandlungsplastizität und zur Bestimmung spannungsabhängiger Umwandlungen einsetzen / Ahr03/ . 2.3.4 Anlassen Ein gebrauchsfertiger Zustand eines Bauteils ist i. d. R. erst nach dem Anlassen erreicht. Der beim Anlassen auftretende Eigenspannungsabbau wird über Kriechmodelle erreicht. Die Härteänderung wird über Modelle, die auf dem Hollomon-Jaffe-Parameter aufbauen, berechnet / Can08/ . Der Übergang vom nicht angelassenen zum angelassenen Martensit oder Bainit sowie eine eventuell auftretende Restaustenitumwandlung werden analog zu den diffusiven Umwandlungen simuliert (meist mit der Avrami-Gleichung). Bei hochlegierten Werkzeugstählen ist zusätzlich noch die Ausscheidungsbildung zu berücksichtigen / Ese16/ . 2.4 Berechnungsergebnisse Bei der Simulation werden nun jeweils die Temperaturen, die Gefügeumwandlungen sowie die Deformationen und Spannungen gekoppelt in kleinen Zeitschritten berechnet und die Ergebnisse jedes Zeitschrittes in Ergebnisdateien gespeichert, bis ein Abbruchkriterium (meist die Zeit) erreicht wird. Die Gefüge (ggf. auch die Härte), die makroskopischen Eigenspannungsverteilungen sowie die Maß- und Formänderungen (Verzug) werden nach dem berechneten Temperaturausgleich entnommen. Nachfolgend können die Berechnungsergebnisse ggf. mit Hilfe einer benutzerorientierten Oberfläche aufbereitet und dargestellt werden. Es ist z. B. möglich, die Entwicklung der Temperaturen, der Gefüge, der Deformationen, der Spannungskomponenten oder der Vergleichsspannungen an beliebigen Stellen des Bauteils während der simulierten Wärmebehandlung zu veranschaulichen. Ebenso können die entsprechenden Berechnungsergebnisse an unterschiedlichen Bereichen des Bauteils zu jedem berechneten Zeitpunkt zwei- oder dreidimensional dargestellt werden. <?page no="129"?> 2.5 Beispiele 129 2.5 Beispiele Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die wichtigsten Arbeiten auf dem Gebiet der Simulation der Wärmebehandlung gegeben. Detaillierte Beispiele sind im Kapitel 4 enthalten. Eine Übersicht über die bis 2001 erschienene Literatur zur Wärmebehandlungssimulation gibt / Mac02/ . Über einen Zeitraum von mehr als 35 Jahren befassen sich zahlreiche Arbeiten mit der Problematik, die sich bei der Stahlhärtung ausbildenden Eigenspannungen und Verzüge durch numerische Simulation zu erfassen. Diese Arbeiten sind jedoch im Wesentlichen grundlagenorientiert, z. B. / Den82, Gra87, Srö85, Yu77, Yu96/ . Dabei wurden die Temperatur-, Gefüge-, Deformations- und Spannungsentwicklungen beim Abschrecken austenitisierter Stahlzylinder sowie die nach Temperaturausgleich in den Proben vorliegenden Eigenspannungen und Verzüge durch Simulation quantitativ bestimmt. Bei diesen quantitativen Berechnungen ist entscheidend, dass die Ergebnisse der Berechnungen immer mit an gleichen Probengeometrien experimentell erzeugten und gemessenen Eigenspannungs- und Verzugszuständen verglichen werden. Eine realitätsnahe Modellierung der ablaufenden Prozesse ist nur dann möglich, wenn die notwendigen Werkstoff- und Prozessdaten zur Verfügung stehen / Aub98, Den96, Thu95/ . Neben dem Umwandlungsverhalten der jeweiligen Stahlcharge ( ZTU - Daten) und den temperatur- und gefügeabhängigen Werkstoffdaten sind außerdem genaue Kenntnisse des Wärmeübergangs der austenitisierten Probe (Bauteil) zum jeweiligen Abschreckmedium und von Umwandlungsplastizitätseffekten von zentraler Bedeutung / Ari99, Bes93, Maj95, Nar99/ . Dabei ist vor allem die Bestimmung der Wärmeübergangszahlen, die den Wärmeübergang vom Bauteil zum Abschreckmedium kennzeichnen, mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Beim Tauchkühlen eines austenitisierten Bauteils in verdampfenden Flüssigkeiten durchläuft der Wärmeübergang an der Bauteiloberfläche Film-, Koch- und Konvektionsphase. Diese Siedephasen weisen stark unterschiedliche Wärmestromdichten auf, die im Bauteil zu einem mehrachsigen Wärmefluss führen. An Störstellen, wie z. B. Körperkanten und Oxidhäuten, bricht der stabile Dampffilm zuerst zusammen, so dass während des Abschreckens die hinsichtlich ihres Wärmeübergangs stark unterschiedlichen Siedephasen gleichzeitig in verschiedenen Bereichen der Bauteiloberfläche auftreten / Ehl99-1/ . Der Wärmeübergang ist demnach beim Abschrecken in verdampfenden Flüssigkeiten immer temperatur- und ortsabhängig / Bes93, Maj95/ . Das gilt auch für das Gasabschrecken ganzer Bauteilchargen, da unterschiedliche Strömungsverhältnisse in der Abschreckkammer an den Oberflächen der einzelnen Bauteile auch zu einem ortsabhängigen Wärmeübergang führen. Für einfache Bau- <?page no="130"?> 130 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen teilgeometrien (Zylinder, Stufenzylinder, Würfel) konnte die Temperatur- und Ortsabhängigkeit des Wärmeübergangs im Experiment als zusätzlicher Eingabeparameter für die Modellierungen hinreichend genau bestimmt werden / Ehl00, Thu95/ . Während diffusionskontrollierter und / oder diffusionsloser Phasenumwandlung treten makroskopisch in Abhängigkeit des lokal herrschenden Spannungszustandes plastische Dehnungsanteile auf, auch wenn die wirksame Vergleichsspannung kleiner als die Streckgrenze der weicheren Phase ist. Dies wird als Umwandlungsplastizität bezeichnet. Zur Beschreibung dieses Effektes wird eine werkstoffspezifische und von den Austenitisierungsbedingungen abhängige Umwandlungskonstante benötigt. Diese lässt sich mit Hilfe eines speziell entwickelten Belastungsabschreckdilatometers, das eine konstante einachsige Belastung von Hohlzylindern während der Umwandlung erlaubt, bestimmen / Bes93, Bes95/ . Die bisher gewonnenen rechnerischen Analysen des Abschreckvorgangs austenitisierter Stähle ermöglichen die gezielte Beurteilung der Auswirkungen maßgebender Prozessparameter. Bei einfachen rotationssymmetrischen Bauteilgeometrien, wie z. B. Zylindern, Stufenzylindern oder Ringen, konnten dabei gute bis sehr gute Übereinstimmungen hinsichtlich der nach Abschreckung auf Raumtemperatur vorliegenden Eigenspannungs- und Verzugszustände zwischen Rechnung und Experiment erzielt werden. Das gilt auch für randaufgekohlte und abgeschreckte (Einsatzhärtung) Zylinder aus Einsatzstählen / Hof96/ . Neben den grundlegenden Arbeiten, die meist an einfachen Modellkörpern erfolgten, wurden auch zunehmend reale und damit komplexe Bauteile simuliert. Beispiele solcher Geometrien sind abgesetzte zylinderähnliche Bauteile mit und ohne Innenbohrungen (Voll- und Hohlwellen verschiedener Abmessungen), Quader und U-profilähnliche Bauteile sowie Zahnräder / Ehl97, Ehl98, Ehl99-2, Tho96/ . Auch die industrielle Wärmebehandlung von Bauteilen wie die Salzbadhärtung von Zylinderrollenlagerinnenringen oder dem Einsatzhärten mit Hochdruckgasabschreckung von Schiebemuffen oder Pumpengehäusen wurden erfolgreich simuliert / Hun04, Swa05, Fra05, Tra05/ . In der Industrie wurden Probleme, die sich bei der Fertigung oder im Betrieb der Bauteile (z. B. Schadensfälle) ergaben, bei Stählen mit weitgehend bekannten Eingabedaten mit Hilfe von Simulationen untersucht, wie z. B. die Eigenspannungsentwicklung und -ausbildung beim Abschrecken dicker Wellen, die Zweifrequenz-Induktionshärtung von Zahnrädern / Ino99/ und die Einsatzhärtung von Getriebebauteilen / Ber99, Mgb99, Tho97/ . <?page no="131"?> 2.6 Aktuelle Entwicklungen 131 2.6 Aktuelle Entwicklungen Wesentlich wird die simulatorische Vorhersage des Verzugs im Augenblick durch ungenaue Kenntnisse der Materialparameter sowie der Anfangs- und Randbedingungen begrenzt. Ein Weg diese Grenzen zu erweitern ist die Bereitstellung besserer (und damit meist komplexerer) Modelle und die genauere Bestimmung von Materialdaten. Für einfache Abschätzungen reichen dagegen die in kommerziellen Datenbanken vorhandenen Daten, die allerdings teilweise noch ergänzt werden müssen / Som, Sen/ . Zudem stellen die einzelnen Softwarehersteller zunehmend orientierende Daten zur Verfügung. Ein anderer Weg ist, die Rand- und Anfangsbedingungen sowie Materialparameter durch zusätzliche Simulationen bereitzustellen. Meist bedarf dies aber zusätzlicher Simulationsprogramme und -methoden. Dies kann entweder im Vorfeld geschehen oder als Kopplung mit der Wärmebehandlungssimulation. Der Wärmeübergang beim Gas- und Flüssigkeitsabschrecken als Randbedingung kann bspw. über eine CFD (Computational Fluid-Dynamics)-Simulation erfolgen / Mac08, Schü04/ . Über diese Methode lassen sich auch Gasflüsse in einer Aufkohlatmosphäre simulieren / Zha06/ . Dadurch ergibt sich die lokale Kohlenstoffverfügbarkeit an der Bauteiloberfläche. Mechanische Kräfte, wie sie beim Fixturhärten auftreten, können über die FE -Methode simuliert werden. Am aufwändigsten ist die Bestimmung der Materialparameter direkt in Abhängigkeit des simulierten Temperatur- und Spannungspfades über eingebettete Mikro-Simulationen. Phasenumwandlungen bspw. können auf Gefügeebene simuliert werden und die Phasenanteile über eine Mikro-Makro-Kopplung der Wärmebehandlungssimulation zur Verfügung stehen. Ein Trend ist derzeit, Fertigungseigenspannungen, wie sie nach Umformung und / oder Zerspanung auftreten, aus einer Umform- oder Zerspansimulation als Anfangsbedingung im Rahmen einer Prozesskettensimulation in die Wärmebehandlungssimulation zu integrieren / Sur09, Sim12/ . Während Umformsimulationen unkritisch sind, ist die komplette Zerspansimulation derzeit zu aufwändig. Hier müssen Ersatzmodelle verwendet werden. Die Fertigungseigenspannungen werden beim Erwärmen ausgelöst und führen so zu Verzug. Der Prozesskettengedanke wird auch in Richtung Lebensdauervorhersage fortgeführt. Bspw. können die Härte- und Eigenspannungsverteilung nach dem Einsatzhärten in die Lebensdauerberechnung eingehen / Die08/ . Über 90 % aller Wärmebehandlungssimulationen befassen sich derzeit ausschließlich mit dem Abschrecken. Diese Einschränkung wird zunehmend um das Erwärmen, bei dem Fertigungseigenspannungen ausgelöst werden können oder Inhomogenitäten bereits zu Verzug führen können, ergänzt. Außerdem wird dem Abschrecken eine Anlasssimulation, bei der Abschreckeigenspannun- <?page no="132"?> 132 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen gen abgebaut und eventuell Restaustenit umgewandelt wird, angehängt. Zudem werden zunehmend komplexere Wärmebehandlungen wie das induktive Erwärmen simuliert. Bei der Chargenabschreckung werden nicht nur das Einzelteil sondern auch die gesamte Charge sowie die Abschreckanlage simuliert / Mac08, Sug06/ . Die Simulation wird zunehmend verwendet, um DoE-basierte Simulationsstudien durchzuführen. Hierbei werden bspw. systematisch der Einfluss von Randbedingungen / Li07/ oder Werkstoffkennwerte / Ach07/ auf das Simulationsergebnis untersucht. <?page no="133"?> 3.1 Literatur zu den Grundlagen 133 3 Literatur zum Grundlagen- und Berechnungsteil 3.1 Literatur zu den Grundlagen / Ame40/ Ameen, E.: Dimension changes of tool steels during quenching and tempering. Trans ASM 28 (1940), S. 472-512. / Ahr00/ Ahrens, U.; Besserdich, G.; Maier, H. J.: Spannungsabhängiges bainitisches und martensitisches Umwandlungsverhalten eines niedrig legierten Stahls. Härterei-Techn. Mitt. 55 (2000) 6, S. 329-338 / Bee09/ Beekhuis, B.; Garbrecht, M.; Brinksmeier, E.: Verzugskompensation in der Zerspanung unter Verwendung einer dynamischen Werkzeugzustellung. HTM 64 (2009) 3, S. 159-165. / Ben78/ Benninghoff, H.: Wärmebehandlung der Bau- und Werkzeugstähle. BAZ Buchverlag Basel, 1978. / Ber77/ Berns, H.: Verzug von Stählen infolge von Wärmebehandlung. 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In der Beispielsammlung werden Literaturstellen, die für das Thema Maß- und Formänderungen von Bauteilen aus Stahl von Bedeutung sind, aufgeführt und deren Inhalte in standardisierten Kurzfassungen beschrieben. Die elektronische Form der Beispielsammlung ermöglicht eine flexible Literaturrecherche über ein Schlagwortverzeichnis, das nachfolgend in Kapitel 4.2 des Buchs sowie in der elektronischen Form unter < Texte\4.2_Schlagwortverzeichnis.pdf > aufgeführt ist. Der Schlagwortkatalog wurde entsprechend dem Themenschwerpunkt dieses Buches ausgewählt. Den Schlagworten sind Begriffsdefinitionen zugeordnet. Sämtliche ausgearbeiteten Beispiele befinden sich im Verzeichnis < Besprechungen>. Eine weitere Möglichkeit der Recherche besteht über eine Zuordnungsmatrix, in der eine Zuordnung der besprochenen Quellen zu Wärmebehandlungsverfahren und Bauteilgeometrie aufgeführt ist. 4.1 Anleitung zum Gebrauch Die Beispielsammlung besteht aus Kurzfassungen der im Literaturverzeichnis „Ausgearbeitete Beispiele“ (Abschnitt 4.5) aufgeführten Quellen. Alle in dem danach folgenden Literaturverzeichnis 4.6 „Nicht ausgearbeitete Beispiele“ aufgeführten Literaturstellen betreffen zwar ebenfalls das Thema Maß- und Formänderungen, erscheinen aber von untergeordneter Bedeutung in Bezug auf den Schwerpunkt Wärmebehandlung zu sein oder sind eher grundlegender Natur, so dass auf eine Ausarbeitung verzichtet wurde. Die in den Literaturverzeichnissen mit * markierten Ausarbeitungen betreffen grundsätzlich das Thema „Berechnung von Maß- und Formänderungen“. Für die Ausarbeitungen der Literaturstellen wurde folgende Gliederung ausgewählt: • Schlagworte • Problemstellung • Probenherstellung • Messstellen • Wärmebehandlung <?page no="152"?> 152 4 Beispielsammlung • Ergebnisse • Zusammenfassung Die mit * gekennzeichneten Quellen weichen von dieser Gliederung in zwei Punkten ab: • anstelle der Probenherstellung werden lediglich Probengeometrie und Abmessungen (Probencharakteristika) angegeben • zusätzlich werden spezifische Informationen zur Simulation (Simulationsspezifika) angegeben Unter der Überschrift „Schlagworte“ sind Stichworte, die den Inhalt der Literaturstellen charakteristisch beschreiben, aufgeführt. Sämtliche Schlagworte, die in den Ausarbeitungen erscheinen, sind alphabetisch in einem Schlagwortverzeichnis mit einer näheren Erläuterung oder Definition des Begriffes (Tabelle 4.2) aufgelistet. Speziell für die Veröffentlichungen zur Berechnung von Maß- und Formänderung wurden Schlagworte definiert, die Hinweise auf Angaben zu Stoffwerten, Randbedingungen und zu Vergleichen mit Experimenten geben. Zur besseren Übersicht bzgl. der Inhalte der ausgearbeiteten Literaturstellen werden diese in einer Zuordnungsmatrix (Tabelle 4.3: Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie) dargestellt, in der den Wärmebehandlungsverfahren die zugehörigen Werkstückgeometrien der Probewerkstücke gegenübergestellt werden. Aus der Fülle aller Wärmebehandlungsverfahren wurden die folgenden Kategorien gebildet: 1. Durchhärten 2. Randschichthärten 3. Einsatzhärten 4. Nitrieren, Nitrocarburieren 5. Spannungsarmglühen 6. Sonstiges Die große Menge der vorkommenden Werkstückgeometrien wurde in fünf Grundgeometrien eingeteilt, die sich grundsätzlich in ihrem Verzugsverhalten unterscheiden: 1. Zylinder / Stab / Rohr Länge viel größer als die Abmessungen im Querschnitt 2. Würfel / Kugel alle Abmessungen vergleichbar groß 3. Platte / Scheibe zwei Abmessungen viel größer als die dritte 4. Ring Wandstärke viel kleiner als der mittlere Durchmesser <?page no="153"?> 4.1 Anleitung zum Gebrauch 153 5. Zahnrad 6. Sonstiges Die Matrixzuordnung (Härteverfahren / Geometrie) ist in der Kopfzeile der Ausarbeitungen unter Matrixnr.: x.y aufgeführt, z. B. 1.2 für Durchhärten / Würfel. Sind bei einer Ausarbeitung mehrere Zuordnungen möglich, werden mehrere Matrixnummern durch Schrägstrich getrennt angegeben. Auch hier sind Ausarbeitungen zur Berechnung von Maß- und Formänderungen mit einem * gekennzeichnet. Für den Leser ergeben sich somit mehrere Möglichkeiten, zu Informationen zu gelangen: 1. Suche nach Autor oder Titel: Über das alphabetische Literaturverzeichnis (Abschnitt 4.5) kann ersehen werden, ob die Literatur in der Beispielsammlung vorhanden ist und ob es sich um eine Quelle zur Berechnung von Maß- und Formänderungen handelt (*). Über das Literaturverzeichnis in der elektronischen Version kann im Kapitel < Texte\Beispielsammlung.pdf > über eine Verknüpfung direkt auf die Ausarbeitung der Quelle zugegriffen werden. 2. Suche nach Informationen zu einem Schlagwort: Über das Schlagwortverzeichnis: In Tabelle 4.2 sind Schlagworte mit Definitionen aufgeführt. Über das gleiche Schlagwortverzeichnis in der elektronischen Version kann unter < Texte\4.2_Schlagwortverzeichnis.pdf > auf die jeweiligen Ausarbeitungen, die Aussagen zu den Schlagworten geben, ebenfalls über Verknüpfungen zugegriffen werden. Die einzelnen Schlagworte befinden sich in der elektronischen Version im Verzeichnis < Schlagwoerter>. 3. Suche nach Informationen über ein bestimmtes Härteverfahren und / oder eine bestimmte Werkstückgeometrie: Mit Hilfe der Zuordnungsmatrix (Tabelle 4.3 im Buch und in der elektronischen Version unter < Texte\Matrix.pdf >) können die zugehörigen Ausarbeitungen der Beispielsammlung gefunden werden. Die unter < Texte\Matrix.pdf > befindliche Matrix ermöglicht ebenfalls durch Anklicken den direkten Zugriff auf die Ausarbeitung. <?page no="154"?> 154 4 Beispielsammlung Die Verfasser möchten an dieser Stelle den Leser bzw. Benutzer der Beispielsammlung zu Anmerkungen und Ergänzungen anregen, die zu deren Erweiterung und Aktualisierung nützlich sind. Vielleicht können auch eigene Beiträge aus der praktischen Erfahrung die Beispielsammlung erweitern. Wenden Sie sich hierzu an die zu Beginn dieses Buches aufgeführten Kontaktadressen. <?page no="155"?> 4.2 Schlagwortverzeichnis 155 4.2 Schlagwortverzeichnis Schlagworte Abkühlbedingungen Bedingungen, unter denen ein Werkstück abgekühlt wird, z. B. Art und Temperatur des Abkühlmittels, Relativbewegung, Umwälzung etc. Abschrecktemperatur Temperatur, von der abgeschreckt wird. Anm.: Wenn von Austenitisiertemperatur abgeschreckt wird, wird im Deutschen auch der Begriff „Härtetemperatur“ verwendet. Anlassen Wärmebehandlung, die im Allgemeinen nach einem Härten oder einer anderen Wärmebehandlung durchgeführt wird, um gewünschte Werte für bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Sie besteht aus ein- oder mehrmaligem Erwärmen auf vorgegebene Temperatur (< AC 1 ), Halten auf dieser Temperatur und anschließendem zweckentsprechenden Abkühlen. Das Anlassen führt im Allgemeinen zu einer Verringerung der Härte, in bestimmten Fällen jedoch zu einer Härtesteigerung. Aufkohlungsbedingungen --> Aufkohlen Thermochemisches Behandeln eines Werkstückes im austenitischen Zustand zum Anreichern der Randschicht mit Kohlenstoff, der dann im Austenit in fester Lösung vorliegt. Die Aufkohlungsbedingungen beinhalten das Mittel in dem aufgekohlt wird (z. B. Aufkohlen in Gas: Gasaufkohlen, Aufkohlen in Pulver: Pulveraufkohlen, Aufkohlen im Plasma: Plasmaaufkohlen) sowie die zeitliche Entwicklung von Temperatur, Atmosphäre und / oder Druck. Austenitisiertemperatur Höchste Temperatur, bei der ein Werkstück beim Austenitisieren gehalten wird. Benetzungskinematik Beim Abschrecken in verdampfenden Medien (Öl, Polymerlösungen, Wasser) entsteht zu Beginn der Abschreckung eine isolierende Dampfhaut auf der Werkstückoberfläche (Leidenfrostphänomen). Der Zusammenbruch dieser Dampfhaut geschieht im Allgemeinen nicht überall auf der Oberfläche gleichzeitig. Die zeitliche Entwicklung dieses Zusammenbruchs und der damit einhergehende Kontakt der Werkstückoberfläche mit der flüssigen Phase wird als Benetzungskinematik bezeichnet. Carbidverteilung Charakterisierung der örtlichen Anordnung der Carbide <?page no="156"?> 156 4 Beispielsammlung Schlagworte Carbonitrieren Thermochemisches Behandeln eines Werkstückes oberhalb A c1 zum Anreichern der Randschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff. Beide Elemente befinden sich danach im Austenit in fester Lösung. Im Allgemeinen folgt dieser Behandlung unmittelbar ein Abschrecken, um Härtung zu erzielen. Anm.: Es wird empfohlen, das Mittel anzugeben, z. B. Carbonitrieren in Gas: Gascarbonitrieren, Carbonitrieren in Salzbad: Salzbadcarbonitrieren. Chargenanordnung Räumliche Anordnung der Teile und der Chargierhilfsmittel (Grundroste, Zwischenroste, …) in einer Charge. Durchhärtung Härtung, bei der die Einhärtungstiefe mindestens dem Abstand zwischen Oberfläche und Kern des Werkstückes entspricht. Eigenspannungen (nach Macherauch) Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die in einem Werkstoff ohne Einwirkung äußerer Kräfte und / oder Momente vorhanden sind. Die mit diesen Spannungen verbundenen inneren Kräfte und Momente sind im mechanischen Gleichgewicht. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, drei Eigenspannungen zu unterscheiden, denen heute meist die folgenden Definitionen zugrunde gelegt werden: Eigenspannungen I. Art sind über größere Werkstoffbereiche (mehrere Körner) nahezu homogen. Die ihnen zukommenden inneren Kräfte sind bezüglich jeder Schnittfläche durch den ganzen Körper im Gleichgewicht. Ebenso verschwinden die mit ihnen verbundenen inneren Momente bezüglich jeder Achse. Bei Eingriffen in das Kräfte- und Momentengleichgewicht von Körpern, in denen Eigenspannungen I. Art vorliegen, treten immer makroskopische Maßänderungen auf. Eigenspannungen II . Art sind über kleine Werkstoffbereiche (ein Korn oder Kornbereich) nahezu homogen. Die mit ihnen verbundenen inneren Kräfte und Momente sind über hinreichend viele Körner im Gleichgewicht. Bei Eingriffen in dieses Gleichgewicht können makroskopische Maßänderungen auftreten. Eigenspannungen III . Art sind über kleinste Werkstoffbereiche (mehrere Atomabstände) inhomogen. Die mit ihnen verbundenen inneren Kräfte und Momente sind in kleinen Bereichen (hinreichend großen Teilen eines Korns) im Gleichgewicht. Bei Eingriffen in dieses Gleichgewicht treten keine makroskopischen Maßänderungen auftreten. <?page no="157"?> 4.2 Schlagwortverzeichnis 157 Schlagworte Einhärtungstiefe Senkrechter Abstand von der Oberfläche eines Werkstückes bis zu der die Dicke einer gehärteten Schicht kennzeichnenden Grenze. Diese Grenze kann durch einen vereinbarten Gefügezustand oder Härtewert gekennzeichnet werden. Einsatzhärten Aufkohlen oder Carbonitrieren mit anschließender, zur Härtung führender Behandlung. Einsatzstahl Stähle mit verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt (ca. 0,10 bis 0,25 Gew.%), die zum Aufkohlen oder Carbonitrieren und anschließendem Härten vorgesehen sind. Erstarrungsgeometrie Form der Kokille, in die der Stahl abgegossen wird (bspw. rund, rechteckig, quadratisch). Erwärmen Wärmen eines Werkstückes bis zum Erreichen der vorgegebenen Temperatur im gesamten Querschnitt, d. h. Anwärmen und Durchwärmen. Faserverlauf Im Gefüge auftretende zeilenförmige Ungleichmäßigkeit in Umformrichtung, oft verbunden mit einer Streckung der Einschlüsse (s. auch Seigerungen). Fixturhärten Härten eines Werkstücks unter Zuhilfenahme einer Vorrichtung, die während des Abschreckprozesses mechanisch auf das Werkstück einwirkt und so zu reduzierten Maß- und Formänderungen führt. Gasabschreckung Abschreckung in Gasen (üblicherweise Stickstoff oder Helium, selten Wasserstoff) oder Gasgemischen (Stickstoff- Helium, Stickstoff-Wasserstoff). Die Wärmeübertragung erfolgt überwiegend konvektiv und wird insbesondere durch Gasdruck, -geschwindigkeit und -art beeinflusst. Bei der Abschreckung unter erhöhtem Druck wird von Hochdruck-Gasabschreckung gesprochen. Grundlagen Dieses Schlagwort gibt an, dass in der entsprechenden Literaturstelle grundlegende Zusammenhänge dargestellt werden. Härtbarkeit Fähigkeit eines Stahles, in Martensit und / oder Bainit umzuwandeln. Unter vorgegebenen Bedingungen des Härtens wird die Härtbarkeit oft durch den Härteverlauf in Abhängigkeit vom Abstand zur abgeschreckten Oberfläche eines gehärteten Werkstückes gekennzeichnet, z. B. durch die Härteverlaufskurve im Stirnabschreckversuch. <?page no="158"?> 158 4 Beispielsammlung Schlagworte Härten Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in Martensit und gegebenenfalls Bainit erfolgt. Längenänderungen Maßänderung in Richtung der größten Abmessung (insbesondere bei zylinderförmigen Werkstücken). Maßbeständigkeit Das Volumen eines Werkstücks ändert sich bei der Wärmebehandlung oder bei höheren Betriebstemperaturen nur wenig. Mechanische Bearbeitung (genauer: Weichbearbeitung) Dieses Schlagwort wurde vergeben, wenn in der entsprechenden Literaturstelle Angaben über die Fertigung der untersuchten Proben / Werkstücke vor der Wärmebehandlung gemacht werden. Nitrieren Thermochemisches Behandeln zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff. Anm.: Es wird empfohlen, das Mittel, in dem nitriert wird, anzugeben, z. B. Nitrieren in Gas: Gasnitrieren, Nitrieren im Plasma: Plasmanitrieren. Nitrocarburieren Thermochemisches Behandeln zum Anreichern der Randschicht eines Werkstückes mit Stickstoff und Kohlenstoff unter Bildung einer Verbindungsschicht. Unter der Verbindungsschicht befindet sich eine hauptsächlich mit Stickstoff angereicherte Diffusionsschicht. Anm.: Es wird empfohlen, das Mittel, in dem nitrocarburiert wird, bzw. das Verfahren anzugeben z. B. Nitrocarburieren im Salzbad: Salzbadnitrocarburieren, Nitrocarburieren in Gas: Gasnitrocarburieren, Nitrocarburieren im Plasma: Plasmanitrocarburieren. Normalglühen Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem Abkühlen an ruhender Luft. Ölabschreckung Abkühlen eines Werkstückes mit Härteöl (meistens durch Eintauchen). Polymerabschreckung Abkühlen eines Werkstückes durch Eintauchen in eine Polymerlösung oder durch Besprühen oder Bespritzen mit einer Polymerlösung. <?page no="159"?> 4.2 Schlagwortverzeichnis 159 Schlagworte Randschichthärten Härten mit auf die Randschicht beschränktem Austenitisieren. Anm.: Es ist zweckmäßig den Begriff durch die Art des Wärmens zu kennzeichnen, z. B. Flammhärten, Induktionshärten, Elektrostrahlhärten, Laserstrahlhärten … Restaustenit Austenit, der nach einem Härten oder Bainitisieren bei Raumtemperatur noch vorhanden ist. Richten Beseitigung oder Verminderung von Formabweichungen durch einen Umformprozess. Rissbildung Ungewollte Werkstofftrennung bspw. bei der Wärmebehandlung (z. B. Härterisse), beim Umformen (z. B. Walzrisse) oder im Einsatz (z. B. Ermüdungsrisse). Rundheit Formwert, der sich aus einem Rundheitsschrieb als Differenz zwischen maximalem und minimalem Radius ergibt. Seigerungen Seigerungen sind Entmischungen einer Schmelze bei der Herstellung metallischer Werkstoffe (Legierungen). Sie entstehen beim Übergang der Schmelze in den festen Zustand. Dabei spielen die unterschiedliche Löslichkeit der Legierungselemente in flüssiger und fester Phase und unter anderem die unterschiedliche Dichte der Legierungselemente eine Rolle. Durch Seigerungen ergeben sich ortsabhängige Eigenschaften innerhalb des Werkstoffs. Man unterscheidet Mikroseigerung (auf Kristallebene) und Makroseigerung in der Größenordnung des Gussstücks. Durch Ur- und Umformprozesse werden Seigerungsverläufe maßgeblich verändert. Stoffwerte angegeben* Dieses Schlagwort wurde vergeben, wenn in der entsprechenden Literaturstelle quantitative - auch unvollständige - Angaben über die in der Simulation verwendeten Stoffwerte gemacht wurden (bspw. als Funktion der Temperatur in Form einer Tabelle oder einer Graphik). Spannungen Fasst alle auftretenden Spannungsarten zusammen (z. B. Umwandlungs-, Wärmespannung). Spannungsarmglühen Wärmebehandlung bestehend aus Erwärmen und Halten bei ausreichend hoher Temperatur und anschließendem zweckentsprechenden Abkühlen, um innere Spannungen ohne wesentliche Änderung des Gefüges weitgehend abzubauen. <?page no="160"?> 160 4 Beispielsammlung Schlagworte Strangguss Im Gegensatz zum Blockguss wird das Verfahren kontinuierlich durchgeführt. Dazu wird eine bodenlose gekühlte Kokille verwendet, in die das flüssige Metall (ggf. auch Stahl) gegossen wird. Beim Durchlauf durch die Kokille bildet sich durch Erstarrung die sogenannte Strangschale, die beim Verlassen der Kokille den dann noch flüssigen Kern umschließt. Nach dem Verlassen der Kokille wird die Strangschale weiter mit Wasser gekühlt, bis der Strang vollständig erstarrt ist. Entsprechend der Kokillenanordnung wird zwischen horizontalem und vertikalen Stranggießen unterschieden. Tiefkühlen Behandlung, die nach dem Härten durchgeführt wird, um den Restaustenit weitgehend in Martensit umzuwandeln. Sie besteht aus einem Abkühlen und Halten auf einer Temperatur unterhalb der Raumtemperatur. Umformen Nach DIN 8580: Überführung einer gegebenen Roh- oder Werkstückform in eine bestimmte andere Zwischen- oder Fertigteilform. Das Werkstück wird so verformt, dass Masse (Volumen) und Stoffzusammenhalt erhalten bleiben. Umwandlungsspannungen Spannungen, die während einer örtlich inhomogenen Phasenumwandlung fest / fest aufgrund unterschiedlicher Dichten der Phasen auftreten. Vergleich mit Experiment* Dieses Schlagwort wurde vergeben, wenn in der entsprechenden Literaturstelle berechnete Werte entsprechenden Messungen gegenübergestellt wurden. Vergütungsstahl Der Kohlenstoffgehalt von Vergütungsstählen liegt etwa zwischen 0,2-0,6 %. Die unterschiedlichen Legierungsgehalte von z. B. Chrom, Mangan, Molybdän und Nickel werden sehr exakt auf den jeweiligen Verwendungszweck abgestimmt. Das Vergüten besteht aus den Wärmebehandlungsschritten Härten und Anlassen und dient dem Zweck, einen Werkstoffzustand mit einem Kompromiss aus hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit einzustellen. Vergütungsstähle finden Verwendung für die Herstellung von bspw. Kurbelwellen, Achsen, Wellen, Pleuelstangen, Bolzen, Schrauben und anderen Konstruktionsteilen höherer Festigkeit. <?page no="161"?> 4.2 Schlagwortverzeichnis 161 Schlagworte Volumenänderungen Änderung des Volumens eines Werkstücks durch die Wärmebehandlung aufgrund eines Dichteunterschieds zwischen Ausgangs- und Endphasen. Wälzlagerstahl Legierter Edelstahl mit Reinheit, Härtbarkeit etc. der häufig für Wälzlager (bspw. Kugellager) eingesetzt wird. DIN 5401, DIN EN ISO 683-17. Wärmespannungen Spannungen, die aufgrund von Temperaturunterschieden in einem Werkstück auftreten. Wärmeübergang angegeben* Dieses Schlagwort wurde vergeben, wenn in der entsprechenden Literaturstelle quantitative Angaben über die in der Simulation verwendete Wärmeübergangsbeschreibung gemacht wurden (bspw. Wärmeübergangskoeffizient als Funktion der Temperatur in Form einer Tabelle oder einer Graphik) oder Wärmeübergangsberechnungen mittels Computational Fluid Dynamics - CFD - vorgenommen wurden. Warmbad Härten mit Abkühlen in Öl, in einer Salz- oder Metallschmelze oder im Gasstrom mit dem Ziel, möglichst vor oder zu Beginn der Martensitbildung einen Temperaturausgleich im Werkstück herbeizuführen. Die Martensitbildung soll vornehmlich beim anschließenden Abkühlen des Werkstückes erfolgen. Wasserabschreckung Abkühlen eines Werkstückes durch Eintauchen in Wasser oder durch Besprühen oder Bespritzen mit Wasser. Werkstückgeometrie Dieses Schlagwort wurde vergeben, wenn in der entsprechenden Literaturstelle detaillierte Angaben über die Werkstück / Probengeometrie gemacht wurden. Werkzeugstahl Zur Gruppe der Werkzeugstähle zählen Edelstähle mit hoher Härte, hohem Verschleißwiderstand und hoher Zähigkeit, die sich zur Be- und Verarbeitung von Werkstoffen eignen. Sie müssen darüber hinaus eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Werkzeugstähle unterteilen sich in Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle. Siehe dazu DIN EN ISO 4975 <?page no="162"?> 162 4 Beispielsammlung Schlagworte Zahnräder Ein Zahnrad ist ein um eine Achse drehbares Maschinenelement, das aus dem Radkörper mit seinen Lagerflächen und den aus dem Radkörper vorstehenden Zähnen besteht. Das Zahnrad dient der Übertragung von Kraft und Bewegung auf ein Gegenzahnrad. <?page no="163"?> 4.3 Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie 163 4.3 Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie 6 Sonstiges Ber69; Ese14*; Gav00; Gry12*; Liu10; Nie15 Doy13; Nad12 5 Zahnrad Heu05*; Küb00; Ren15-1; Tho15* Goy10; Ham71; Hoc97; Jeh09; Miy18*; Spe12; Sto15; Wag17; 4 Ring Bau85; Bee11-2*; Ber01; Bha99; Bha00; Bri82; Bur09*; Cla04; Cla06; Dij07*; Evc15*; Fre53; Fre04; Fre04-2*; Fre07-1*; Fre09; Fre12-2; Gaf11; Gro10*; Gro11*; He19*; Heu05*; Hol78; Hun04; Hun04-2*; Hun04-3; Ich08; Jön72; Ju98*; Kes06; Kle06; Küb00*; Kus03; Lüb03; Lüb96; Lüb12; Lut72; Lüt11*; Lüt12-1; Lüt12-2; Lu18; McK16; Mot15; Msh56; Nak96; Nak00; Rey14*; Sch04; Schu04; Sly00*; Sly02; Son03; Sta11; Suh09*; Sur06*; Sur07; Sur08; Sur09-1*; Sur09-2; Sur11- 2*; Sur12*; Vol89; Vol93- 1; Vol93-2; Vol95; Vol05; Vol96; Vol99; Vol00; Vol01; Vol02; Wat18; Wol14; Wol15; Zoc94; Zoc10 Ces13; Eas17; Fah89; Hor05*; Ino96*; Owa96; Sto15 3 Platte/ Scheibe Bau85; Ber83; Bor60; Fre53; Fre57; Hub97; Jen93; Ju00*; Jun18* Kur90; Li03*; Li07- 1*; Li07-2*; Lis86; Mik92; Nar99-1; Nar02*; Nar15*; Ren15-1; Schn03; Sim19*; Zha03 Ces11; Rao05*; Ros08 2 Würfel/ Kugel Fre53; Fre57; Hei97; Kes95; Lim80; Pet93; San98; Ste69; Wei04; Yu17* 1 Zylinder/ Stab/ Rohr Ako01; And07; Ari01*; Ari07*; Ber69; Ber83; Ber89; Ber04; Ber07; Bes95*; Bri82; Brz05; Büh33; Büh64; Cla00; Den12*; Dev15*; Ehl99- 1*; Ehl99-2*; Ese11*; Fra00*; Fra05*; Fra12*; Fre53; Fre57; Fre05; Fre16-1; Fre18*; Gar14*; Heu05*; Hun11*; Hun12-1; Hun12-2*; Ich08; Ino00*; Jär90-1*; Jön97; Ju00*; Kay06*; Ken00; Küb00*; Lan15; Ler97; Lie97; Lim80; McK16; Mik92; Nar02*; Nar12*; Rao04*; Roh00*; Rup65; Sac59; San98; Schü03-1*; Schü04*; Schü05*; Shi03; Sim09*; Sim10*; Ste69; Stu70; Sug18; Tan09*; Thu99*; Wat18; Wie64; Wys71; Yok03*; Yu96*; Yu17*; Zha03 Bay15*; Don14; Doy13; Fah89; Fer12-1*; Hor18*; Jär90-2*; Kes98; Lis99; Nad14; Nad16; Oga08*; Owa96; Roc11*; Roc13; Schw11*; Söl15; Spe12; Teo08*; Wae15; Zha12-1 Werkstückform/ -geometrie WB- Verfahren Durchhärten Randschichthärten 1. 2. <?page no="164"?> 164 4 Beispielsammlung 6 Sonstiges And06; And07; Cha58; Ehl06*; Fra06*, Fre14*; Fuk92; Jur06; Jur07; McK18; Nad12; Ran69; Tra06*; Hof17; Man14* 5 Zahnrad Alt97; Alt00; Alt03; Alt05; Alt08; Asa96; Atr12; Ber88; Bir18*; Cha75; Cha97; Cla05; Fer12-2*; Fra05*; Fuk02*; Goy10; Gri02; Gun91; Gun95; Ham71; Heu11; Heu12; Heu16; Hip03; Hoc97; Jeh09; Ju03*; Ju08*; Jur06; Jur07; Jur08; Kle05-1; Kle05-2; Kle08; Koh11; Kor17; Küh80; Kul12; Li11*; Li12*; Li13*; Li17*; Li19*; Loe06-1; Loe06-2; Lös03; Lüb03; Lüb15; Lüb16; Lüb19; Mal90; McK16; Min08*; Oki08*; Olo15; Olo16; Olo17; Olo18; Pic02; Ren15-1; Row16; Sab92; Sas92; Sch99; Seg86; Sha02*; Schü07-2*; Schü16; Ste11; Ste12-1; Ste12-2; Ste12-3; Sto14; Suc11*; Sur10; Sur11- 1; Sur15*; Sur17*; Tak00*; Thu05*; Tro98; Tro14; Tro18; Tro19; Tsu08*; Yos08*; Wag17; Wan13*; Zha17*; Zha18 Ham71; Huc03*; Ler97; Schr02; Tro14 4 Ring Bom90; Ces13; Ehl06*; Far19; Fin54; Fra06*; Ful90; Gun91; Gun95; Heu16; Hom17; Ju06*; Ju08*; Kor18; Ler97; Li17*; Loe06-2; Lös03; Lüb15; Lüb16; Lüb17; Lüb18; McK18; Mgb99*; Mil96; Pre02; Rat11*; Schü15; Son03; Sur15*; Tan18; Ter16; Thu05*; Tra06*; Tro98; Yos08* Dep14*; Gra92-2; Hub92; Huc03*; Lie01 3 Platte/ Scheibe Ach06-1*; Ach06-2; Ach06-3*; Ari08; Ari11*; Ari18*; Ces11; Cha58; Cha75; Cla09-1; Cla09-2; Cla09-3; Eis11; Fra05*; Hof17; Ich03*; Lle77; Oku06; Ren11*; Ren12*; Ren18; Sim11*; Sim12*; Stö07*; Tho96* Ari10*; Dep14*; Huc03*; Kel74 2 Würfel/ Kugel 1 Zylinder/ Stab/ Rohr Bah06; Cha58; Cha97; Cla00; Cla09-3; Fre05; Fre12-1*; Gon98; Gon00; Hof17; Hon08; Hun07; Hun12-1; Hun12-2*; Hun15*; Ich03*; Jön97; Ju08*; Kag18*; Kle08; Küh80; Kum07*; McK08*; McK16; Nad11; Pan12; Pri06; Pre02; Sas92; Ter16; Tew17*; Tro98; Yu96*; Zha12-2 Gra92-1; Hub92; Huc03*; Lie97; Lie01; Schr02; Werkstückform/ -geometrie WB- Verfahren Einsatzhärten Nitrieren, Nitrocarburieren 3. 4. <?page no="165"?> 4.3 Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie 165 6 Sonstiges Alt18; Ede03; Fun05*; Fun12; Tho11* 5 Zahnrad Min97 4 Ring Bha00; Bri03; Ces13; Kus03; Ari06*; Ban13*; Bee10; Bee11-1; Bha00; Fre11*; Kes03; Lee06*; Tsz96*; Vol93-1; Vol96 3 Platte/ Scheibe Ces11; Tan06* Ces11; Nar99-2*; Ren15-2*; Sak11*; Tan06* 2 Würfel/ Kugel Min97 1 Zylinder/ Stab/ Rohr Ber89; Jön72; Kun09 Ako01; Cui06; Ell12; Fre04- 2*; Fre06*; Fre07-2*; Hun04; Hun04-3; Hun06*; Hun07; Hun09-1*; Hun09-2*; Hun15*; Iyo18*; Kay06*; Kov59; Kun09; Lan09*; Lar95*; Man08*; Man09*; Mer15; Pri09; Red06*; Sch92; Schü07-1; Sme01*; Teo06* Werkstückform/ -geometrie WB- Verfahren Spannungsarmglühen Sonstiges 5. 6. <?page no="166"?> 166 4 Beispielsammlung 4.4 Ausgearbeitete Beispiele Die Beispielsammlung kann unter http: / / files.narr.digital/ 63531/ heruntergeladen werden. <?page no="167"?> 4.5 Literaturverzeichnis „Ausgearbeitete Beispiele“ 167 4.5 Literaturverzeichnis „Ausgearbeitete Beispiele“ / Ach06-1*/ Acht, C.; Clausen, B.; Hoffmann, F.; Zoch, H.-W.: Simulation of the distortion of 20MnCr5 parts after asymmetrical carburization. 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Mat. 67, (2012) 1, S. 65-78. / Ste12-3/ Steinbacher, M; Surm, H; Clausen, B.; Lübben, Th.; Hoffmann, F.: Systematische Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Stirnrädern, Teil 2: Verzahnungsverzug. HTM - J. Heat Treatm. Mat. 67, (2012) 4, S. 262-250. / Ste69/ Steven, G.: Nonuniform size changes of high-speed steels during Heat Treatment. Trans. Amer. Soc. Metals 62 (1969), S. 130-139. / Stö07*/ Stöbener, D.; Acht, C.; Zoch, H.-W.; Goch, G.: Distortion measurements of cylindrical 20MnCr5 discs during quenching in oil. Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung 62 (2007) 4, S. 157-162. / Sto14/ Stormvinter, A.; Kristoffersen, H.; Olofsson, A., Biwersi, K; Haglund, S.: Effect of Hardenability and Press Quenching on Distortion of Crown Wheels. Proc. 5 th Int. 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Conf. on Quenching and Distortion Engineering, 27.-29. 11. 2018, Nagoya, Japan (electronical). / Suh09*/ Suhr, B.; Frerichs, F.; Hüßler, I.; Wolff, M.: Evaluation of models for martensitic transformation and TRIP via comparsion of ecperiments and simulations. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2009, 40, No. 5-6, S. 460-465. / Sur06*/ Surm, H.; Kessler, O., Hoffmann, F.; Zoch, H.-W.: Manufacturing Residual Stress States in Heat Treatment Simulation of Bearing Rings. Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2006, 37, No. 1, S. 52-57. / Sur07/ Surm, H.; Karsch, T.; Kessler, O.; Hoffmann, F.; Zoch, H.-W.: Rundheitsänderung bei der ungleichmäßigen Erwärmung von Wälzlagerringen. HTM Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung 62 (2007) 4, S. 150-156. / Sur08/ Surm, H., Frerichs, F.; Hoffmann, F.; Zoch, H.-W.: Erweiterte Verzugsanalyse am Beispiel von Wälzlagerringen - Dem Verzug eine Richtung geben. Z. Werkst. Wärmebeh. 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Härterei-Technische Mitteilungen 39 (1984) 6, S. 280-291. / Ste09/ Steinbacher, M.; Clausen, B.; Hoffmann, F.; Zoch, H.-W.: Influencing parameters on the distortion of disk-shaped gear wheel base body derived from carburization. 18 th IFHTSE Dubrovnik-Cavtat, Croatia, 2009, S. 343-349. / Syr77/ Syren, B.; Wohlfahrt, H.; Macherauch, E.: Zur Entstehung von Bearbeitungseigenspannungen. Arch. Eisenhüttenwesen 48 (1977) 8, S. 421-426. <?page no="222"?> 222 4 Beispielsammlung / Ten00/ Tensi, H. M.; Totten, G. E.; Kunzel, T.: Physics and Technology of Quenching in Fluids Part 2: Technology of Quenching Proc. of the 5 th ASM Heat Treatment and Surface Engineering Conference in Europe; 7-9 June, 2000; Gothenburg, Sweden, ASM International, 2000. / Tho02/ Thoben, K.-D.; Lübben, Th.; Clausen, B.; Prinz, C.; Schulz, A.; Rentsch, R.; Kusmierz, R.; Nowag, L.; Surm, H.; Frerichs, F.; Hunkel, M.; Klein, D.; Mayr, P.: „Distortion Engineering“ - eine systemorientierte Betrachtung des Bauteilverzuges. Härterei-Technische Mitteilungen 57 (2002) 4, S. 276-282. / Thu02/ Thuvander, A.: Out of roundness distortion of bearing rings owing to internal stresses from tube bending. Materials Schience and Technology (2002) 18, S. 312-318. / Wal92/ Walton, H. Dimensional Changes During Hardening and tempering of Through-Hardened Bearing Steels. Proc. 1 st Int. Conference on Quenching and Control of Distortion, 1992, Chicago, USA , S. 265-274. / Wil87-1/ Wildau, M.; Hougardy, H.: Einfluss der Einhärtungstiefe auf Spannungen und Maßänderungen zylindrischer Körper aus Stahl. Härterei-Technische Mitteilungen 42 (1987) 5, S. 269-279. / Wil87-2/ Wildau, M.: Zum Einfluss der Werkstoffeigenschaften auf Spannungen, Eigenspannungen und Maßänderungen von Werkstücken aus Stahl. Dissertation TH Aachen 1987. / Wue11/ Wuest, T.; Klein, D.; Seifert, M.; Thoben, K.-D.: Method to describe interdependencies of state characteristics related to distortion. Proc. 3 rd . Int. Conference on Distortion Engineering, 2011, Bremen, Germany, S. 239-246. / Wün72/ Wünning, J.: Unregelmäßiger Verzug beim Einsatzhärten von Serienteilen. T. Z. prakt. Metallbearb. 66 (1972), S. 89-93. / Wys84/ Wyss, U.: Erfahrungen beim Einsatzhärten von größeren Teilen. Seminar „Einsatzhärten“, Berlin 1984, 1985. <?page no="223"?> 4.6 Literaturverzeichnis „Nicht ausgearbeitete Beispiele“ 223 5 Fazit und Ausblick In der vorliegenden Auflage der Monographie hat die Betrachtung der Prozesskette als Ursache der Maß- und Formänderungen im Grundlagenteil einen deutlich größeren Anteil bekommen. Dieses Kapitel wurde mit mehreren Beispielen erweitert und dabei herausgestellt, dass nicht alleine bei der Wärmebehandlung die Ursache für den Verzug zu suchen ist. Es wird an einigen Beispielen aufgezeigt, wie bestimmte Einflüsse aus der Historie der Bauteilentstehung sich am Endprodukt nach der Wärmebehandlung auswirken. Durch den Titel der Monographie „Maß- und Formänderung infolge der Wärmebehandlung von Stählen - Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt“ wird deutlich, dass nur durch die Betrachtung der Prozesskette „Verzugsprobleme“ gelöst werden können. Die bekannten Auswertungen der Literaturstellen sind auch wieder in dieser Auflage deutlich erweitert worden. Damit wird den Anwendern / innen ein sehr praktikables Werkzeug zur schnellen Erfassung der Kerninformationen aus der Literatur anhand gegeben. Dazu sind die beschriebenen Praxisergebnisse von Bauteilen sowie die Erkenntnisse der Simulation in Kurztexten, Bildern, Tabellen, Grafiken, Diagrammen usw. komprimiert auf ca. zwei Seiten ausgearbeitet und können bequem am Rechner mittels Deskriptoren, Wärmebehandlungsverfahren in Verbindung zu Bauteilgeometrien durchsucht werden. Im Fachausschuss wurde sich dazu entschieden, in den zukünftigen Auflagen der Monographie auch neue Medien in Form von Video-Material miteinzubinden. Mit der Visualisierung der Vorgänge wird die Komplexität der Maß- und Formänderungen besser dargestellt. Filme von Abschreckprozessen in flüssigen oder gasförmigen Medien verhelfen den Betrachtern / innen zu mehr Information über die Benetzungskinematik oder Abkühlverläufen am Bauteil. Zeitliche Abläufe aus der Simulation von Maß- und Formänderungen eignen sich bestens so präsentiert zu werden. Mit erhöhtem Aufwand kann das Vertonen der Videosequenzen zu einem noch besseren Nutzen führen. <?page no="225"?> 6 Aktuelle und ehemalige Autoren 225 6 Aktuelle und ehemalige Autoren An der Entstehung der vorliegenden Monographie haben in der Zeit von 1990 bis 2020 die im Folgenden aufgeführten Personen mitgewirkt: Dr. Mischa Bachmann, geb. 1972, studierte Chemie an der Universität Münster und Heidelberg. Seit 2015 ist er im Bereich Wärmebehandlung der Getriebefertigung der Volkswagen AG am Standort Kassel tätig und beschäftigt sich dort schwerpunktmäßig mit Prozess- und Werkstofftechnik. Dr.-Ing. Gerhard Besserdich, geb. 1954, studierte allgemeinen Maschinenbau an der Universität Karlsruhe ( TH ) und war dort bis 1995 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I tätig. Die Promotion erfolgte 1993. Von 1995 bis 1999 vertrat er die Professur für Werkstoffwissenschaften an der Universität Paderborn. Seit 1999 war er bei der ZF Getriebe GmbH in Saarbrücken beschäftigt und leitete dort die Werkstofftechnik. Mittlerweile ist Dr. Besserdich im Ruhestand. Dr.-Ing. Rainer Bohn, geb. 1965, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken. Die Promotion erfolgte 1999 an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Seit 2001 ist er bei der LuK GmbH in Bühl beschäftigt und betreut dort den Bereich Werkstofftechnik und Schadensanalyse. Dr. Ing. Martin Ehlers, geb. 1968, studierte Maschinenbau an der Technischen Universität Braunschweig. Von 1995 bis 1999 war er am Institut für Werkstoffkunde I (Universität Karlsruhe) als wissenschaftlicher Mitarbeiter beschäftigt. Seit 2000 arbeitet er in verschiedenen Aufgabenbereichen für die Robert Bosch GmbH. Bis 2005 war er dort in der Forschung und Vorausentwicklung für Verfahrensentwicklung und Simulation von Wärmebehandlungsprozessen verantwortlich. <?page no="226"?> 226 6 Aktuelle und ehemalige Autoren Dr.-Ing. Christoph Escher, geb. 1968, studierte Maschinenbau mit der Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik an der Ruhr-Universität Bochum, wo er 1999 promovierte. Seit 1999 ist er bei der Fa. Dörrenberg Edelstahl beschäftigt und übernahm dort 2003 die Leitung der Qualitätszentrale. Darüber hinaus ist er seit 2009 als Lehrbeauftragter an der Ruhr-Universität Bochum tätig. Dipl.-Ing. Michael Fiderer, geb. 1970, studierte von 1990 bis 1996 an der Universität Stuttgart und an der Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers in Paris Luft- und Raumfahrtechnik. Seit 1997 ist er als techn. Berechner bei der Kistler-Igel GmbH tätig. Hier ist er für den Support und Vertrieb von Spezialsoftware De FORM (Wärmebehandlung, Umformtechnik und Zerspanung) zuständig. Dr.-Ing. Clemens Franz, geb. 1972, studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe (TH). Von 1999-2003 war er dort als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I auf dem Gebiet der Simulation von Wärmebehandlungsprozessen tätig. Seit 2003 ist er bei der Daimler AG in Stuttgart in der Produktions- und Werkstofftechnik, Abt. Werkstoff- und Oberflächentechnik ( PWT / VWO ) beschäftigt. Dr.-Ing. Martin Göbel, geb. 1966, studierte Physik an der Universität Kaiserslautern und promovierte an der TU Clausthal auf dem Gebiet der Werkstoffwissenschaften. Ein Post-Doc-Stipendium der EU ermöglichte ihm einen zweijährigen Forschungsaufenthalt am Joint Research Centre of the European Commission (Institute for Adanced Materials, Italy). Seit 2000 ist er bei der Firma SKF in verschiedenen Positionen tätig (Manager Heat Treatment Development, Manager PM Business, Factory Manager Aerospace in UK , General Manager Linear Systems Germany). Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Grasemann, geb. 1950, studierte Verfahrenstechnik Eisenhüttentechnik an der Fachhochschule Duisburg. Seit 1978 war er bei der Härterei Carl Gommann in Remscheid beschäftigt und leitet dort den Verkauf. Mittlerweile ist Herr Grasemann im Ruhestand. <?page no="227"?> 6 Aktuelle und ehemalige Autoren 227 Dipl.-Ing. Peter Haase, geb. 1970, studierte allgemeinen Maschinenbau an der Gerhard-Mercator-Universität Duisburg mit den Schwerpunkten Werkstoff- und Verbrennungstechnik. Nach einer Beschäftigung im Forschungs- und Entwicklungszentrum der Mahle GmbH, Stuttgart, kam er 2001 zur Ipsen GmbH nach Kleve und ist seitdem dort in der Entwicklung tätig. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Karl Heeß, geb. 1954, studierte Wirtschaftsingenieurwesen, technische Fachrichtung Maschinenbau an der Technischen Hochschule ( TU ) Darmstadt. Er ist Miteigentümer der Firma HEESS GmbH & Co KG , die sich auf Entwicklung, Bau und Service von Härtemaschinen und Handhabungseinrichtungen spezialisiert hat. Des Weiteren ist er Eigentümer der Firma HTG Heat Tech Induction Germany GmbH. Dipl.-Ing. Steffen Henze, geb. 1984, studierte Physikalische Ingenieurwissenschaften an der Technischen Universität Berlin. Ab 2012 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin tätig, wo er ab 2016 Gruppenleiter der Gruppe Werkzeugtechnologie war. Seit 2018 arbeitet er bei Aerospace Transmission Technologies GmbH und ist dort für die Prozesssimulation verantwortlich. Dr.-Ing. Martin Hoferer, geb. 1959, studierte Chemieingenieurwesen an der Universität Karlsruhe ( TH ). Ab 1991 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I der Universität Karlsruhe ( TH ), wo er 1997 promovierte. Von 1997-2001 war er bei der Fa. LuK GmbH & Co. in Bühl beschäftigt und im Zentrallabor für Werkstoffe und Schadensanalysen zuständig. Seit August 2001 ist er in der Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH auf dem Gebiet der Bauteil- und Schadensanalyse tätig. Dr.-Ing. Jürgen Hoffmeister, geb. 1977, studierte nach seiner Ausbildung zum Industriemechaniker allgemeinen Maschinenbau an der Universität Karlsruhe ( TH ). Anschließend war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für angewandte Materialien - Werkstoffkunde ( IAM - WK ) des Karlsruhe Instituts für Technologie (KIT), wo er 2009 promovierte. Zwischen 2008 und 2014 leitete er die Abteilung Fertigung und Bauteilverhalten des IAM - WK . Seit Oktober 2014 ist er bei der SEW -Eurodrive GmbH & Co KG für den Fachkreis Werkstofftechnologie verantwortlich. <?page no="228"?> 228 6 Aktuelle und ehemalige Autoren Dr.-Ing. Martin Hunkel, geb. 1966, studierte Physik an der Universität Karlsruhe ( TH ), jetzt Karlsruher Institut für Technologie ( KIT ). Im Rahmen des Graduiertenkollegs Werkstoffphysikalische Modellierung promovierte er 1998 an der TU Bergakademie Freiberg. Seit 1998 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Wärmebehandlung am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT in Bremen tätig. Dr.-Ing. Ralf Jennes, geb. 1967, studierte Chemieingenieurwesen an der TU Clausthal und war dort bis 1999 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstofftechnik. Die Promotion erfolgte 2003. Seit 1999 im Bereich Wärmebehandlung bei der Fa. Aichelin GmbH tätig. Zunächst als Projektleiter und Vertriebsleiter Rollenherdöfen. Seit Juli 2005 Geschäftsbereichsleiter für den Bereich Wälzlager und Halbzeuge. Dr.-Ing. Michael Jung, geb. 1967, studierte Produktionstechnik an der Universität Bremen. Von 1994-2001 war er bei der Stiftung Institut für Werkstofftechnik als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig und promovierte dort 1999. Von 2001 bis 2004 war er bei der GETRAG GmbH & Cie KG , Neuenstein, in der zentralen Technik verantwortlich für Wärmebehandlung und Werkstoffe. Seit 2005 ist er bei der Firma SKF GmbH in Schweinfurt beschäftigt und leitet dort die Wärmebehandlungstechnologie. Dipl.-Ing. Rosa Kaden, geb. 1990, studierte Werkstoffwissenschaft und -technologie mit der Vertiefung Werkstofftechnik an der TU Bergakademie Freiberg. Seit 2016 arbeitet sie als Ingenieur für Werkstoff- und Verfahrenstechnik bei Ipsen International GmbH. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler, geb. 1965, studierte Produktionstechnik mit Diplomabschluss an der Universität Bremen. Von 1989 bis 2006 war er an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik in Bremen tätig, zuletzt als Leiter der Abteilung Leichtbauwerkstoffe. Die Promotion erfolgte 1995, die Habilitation 2003. Seit 2007 ist er Professor für Werkstofftechnik an der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock. <?page no="229"?> 6 Aktuelle und ehemalige Autoren 229 Dipl.-Ing. Sven Kunow, geb. 1976, studierte Werkstoffwissenschaft an der Universität Stuttgart. Von 2001-2004 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Werkstofftechnik in Bremen tätig. Seit 2005 war er bei der Deutsche Edelstahlwerke GmbH in Siegen (vormals Edelstahlwerke Südwestfalen), zuerst in der technischen Kundenberatung, später in der Entwicklung von Edelbaustählen tätig. Seit 2009 ist er im Bereich der Entwicklung von Edelbaustählen am Standort Witten tätig. Rainer Klingemann, geb. 1947, war gelernter Werkstoffprüfer und seit 1964 in der Volkswagen AG beschäftigt. Hier betreute er im Zentrallabor-Metallische Werkstoffe u. a. das Aufgabengebiet Werkstoffe für die Wärmebehandlungstechnik und beriet die Konstruktionsabteilungen in werkstofftechnischen Fragestellungen. Im Oktober 2006 wechselte er in den Ruhestand. Rainer Klingemann ist im April 2019 verstorben. Dr.-Ing. Michael Lohrmann, geb. 1967, studierte Produktionstechnik an der Universität Bremen und promovierte 1996 am Institut für Werkstofftechnik in Bremen. Bis 2002 war er als Leiter für Forschung und Entwicklung bei Ipsen International GmbH und bis 2011 in der BMW AG , zuletzt als Leiter Werkstoffentwicklung für Antriebskomponenten, beschäftigt. Seit dem leitet er bei der ZF Friedrichshafen AG die zentrale Werkstofftechnik mit der Verantwortung für alle Metalle, Kunststoffe und Schmierstoffe in den Antriebs- und Fahrwerksprodukten. Dr.-Ing. Thomas Lübben, geb. 1959, studierte Physik an der Universität Bremen. Seit 1986 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Werkstofftechnik in Bremen - jetzt Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - tätig und arbeitet hier als Gruppenleiter auf dem Gebiet der Abschrecktechnik und der Verzugsbeherrschung. Von 2001-2011 war er Geschäftsführer des Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering - Verzugsbeherrschung in der Fertigung“ und u. a. mit der Koordination der Forschungsarbeiten beauftragt. <?page no="230"?> 230 6 Aktuelle und ehemalige Autoren Dr.-Ing. Axel Majorek, geb. 1964, studierte Maschinenbau an der TU Braunschweig und an der Universität Karlsruhe ( TH ). Von 1990-1995 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I der Universität Karlsruhe ( TH ) auf dem Gebiet der rechnerischen Simulation von Wärmebehandlungsprozessen tätig. Seit 1995 ist er bei der Daimler Truck AG in verschiedenen Funktionen beschäftigt und leitet dort zur Zeit das Team „Hausteile“ der Werkstoff- und Prozesstechnik im Werk Gaggenau und das CoC „Zerstörungsfreie Prüfverfahren“ Truck Powertrain. Dr.-Ing. Stefan Miskiewicz, geb. 1963, studierte Maschinenbau an der Ruhr-Universität Bochum. Seit 1990 war er in verschiedenen Unternehmen der Stahlerzeugung, des Stahlhandels und der Stahlverarbeitung in leitender Position tätig. Heute ist er Vorsitzender der Geschäftsführung der Stemcor Special Products GmbH in Düsseldorf. Dr. Dieter Müller, geb. 1963, studierte Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen-Nürnberg. Anschließend Promotion am dortigen Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle. Seit 1994 in der Wärmebehandlung und Beschichtung tätig. Seit 2014 bei der eifeler Werkzeuge GmbH (einer Tochter der voestalpine Edelstahl GmbH) als Centerleiter am Standort Schnaittach tätig. Dipl.-Ing. Harald Porzner, geb. 1960, studierte Maschinenbau mit Schwerpunkt Konstruktion und Entwicklung an der TU München. Von 1989 bis 1995 war er bei der Firma GTWD für allgemeine FEM Berechnungen und technischen Support zuständig. Von 1995 bis 1998 war er Mit-Inhaber der Firma VISUAL ANALYSIS und leitete dort den FEM Bereich, mit Schwerpunkt Simulation der Wärmebehandlung und des Schweißens. Seit 1998 ist er bei der Firma ESI GROUP in verschiedenen Bereichen der Simulation der Wärmebehandlung und des Schweißens tätig. Seit 2004 leitet er in der ESI GROUP die Sparten Softwareentwicklung und Dienstleistung in den Bereichen Wärmebehandlung und Schweißen. Dr.-Ing. Patrick Reinhold, geb. 1965, studierte Werkstoffwissenschaften an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Seit 2004 ist er als Fachreferent im Labor Metalle Werkstofftechnik der Volkswagen AG tätig und berät die Technische Entwicklung der Volkswagen AG beim Einsatz von wärmebehandelten Stählen. <?page no="231"?> 6 Aktuelle und ehemalige Autoren 231 Industriemeister Oliver Renz, geb. 1972. Seit 2015 ist er als Fertigungsplaner in der Wärmebehandlung bei Firma ZF Friedrichshafen AG in Friedrichshafen, die sich überwiegend mit Entwicklung und Bau von Getrieben in der Nutzfahrzeugtechnik beschäftigt. Master of Science Maximilian Schaudig, geb. 1987, studierte Materialwissenschaften und Werkstofftechnik an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Seit 2016 bei der Firma EMAG -eldec tätig, die induktive Härtemaschinen und Erwärmsysteme herstellt. Dipl.-Ing. ( FH ) Gunther Schmitt, geb. 1962, studierte bis 1987 Werkstofftechnik an der Fachhochschule Friedberg. Danach wurde er in der Anwendungstechnik für Wärmebehandlungsverfahren der ALD Vacuum Technologies GmbH in Hanau tätig. Seit 1992 beschäftigt er sich insbesondere mit der Wärmebehandlung in Vakuumanlagen. Dipl.-Ing. Dr. mont. Wolfgang Schützenhöfer, geb. 1972, studierte Hüttenwesen / Metallurgie an der Montanuniversität Leoben und war an dieser bis 2002 als Universitätsassistent am Institut für Eisenhüttenkunde tätig. Seit 2002 ist er bei voestalpine BÖHLER Edelstahl GmbH & Co KG beschäftigt, bis 2011 als Sachbearbeiter, Teamleiter und Abteilungsleiter in der Forschung, ab 2011 als Laborleiter und seit 2018 als Vice President für Prüfwesen und Zertifizierung sowie als Leiter einer akkreditierten Prüfstelle. Dr.-Ing. Maximilian Schwenk, geb. 1982, studierte Elektrotechnik an der Universität Wisconsin - Madison und Leibniz Universität Hannover. Anschließend war er von 2009 bis 2013 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für angewandte Materialien - Werkstoffkunde des Karlsruher Institut für Technologie tätig. Die Promotion erfolgte 2012. Seit 2013 ist er bei der SEW Eurodrive GmbH & Co KG in Bruchsal im Bereich Werkstofftechnologie beschäftigt. <?page no="232"?> 232 6 Aktuelle und ehemalige Autoren Dipl.-Wirtsch.-Ing. Thomas Streng, geb. 1969, studierte Wirtschaftsingenieurwesen (Fachrichtung Maschinenbau) an der Technischen Hochschule Darmstadt. Seit 1998 ist er als geschäftsführender Gesellschafter bei der HEESS GmbH & Co KG tätig, die sich auf Entwicklung, Bau und Service von Härtemaschinen und dazugehörigen Handhabungseinrichtungen spezialisiert hat. Prof. Dr.-Ing. Bernd Thoden, geb. 1958, studierte Maschinenbau an der TU Berlin. Er promovierte 1989 am Institut für Werkstofftechnik der TU Berlin. Danach folgten Industrietätigkeiten bei Daimler Chrysler in Gaggenau, Leybold-Durferrit GmbH und Degussa AG in Hanau. Seit 1999 Professor für Werkstofftechnik im Fachbereich Ingenieurwissenschaften der Jade Hochschule Wilhelmshaven mit den Lehrgebieten Werkstoff- und Oberflächentechnik sowie Fertigungstechnik. Dr.-Ing. Nicolas Trapp, geb. 1975, studierte Maschinenbau am Karlsruher Institut für Technologie ( KIT ) und an der Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers ( ENSAM ) in Frankreich. Von 2001 bis 2006 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffkunde I des KIT und promovierte auf dem Gebiet der Wärmebehandlungssimulation komplexer Stahlbauteile aus 20MnCr5. Seit 2007 ist er bei der Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH ( SZMF ) in Duisburg im Bereich Strukturmechanik und Umformtechnik tätig. Dipl.-Ing. Michael Vogel, geb. 1967, studierte allg. Maschinenbau an der Universität Karlsruhe ( TH ). Seit 2000 Berechnungsingenieur bei ESI GmbH im Fachbereich Schweiss- und Wärmebehandlungssimulation. Anwendertraining, Support und Dienstleistungen mit der Software SYSWELD . Mitarbeit in nationalen und europäischen Forschungsprojekten sowie in Fachausschüssen von AWT , DVS und DIN . Seit Oktober 2009 Mitglied des Laser Processing Research Centre an der School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, The University of Manchester, Großbritannien. <?page no="233"?> 6 Aktuelle und ehemalige Autoren 233 Dipl.-Ing. Martina Wägner, geb. 1967, studierte Werkstoffwissenschaften an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen. Von 1993-1997 war sie als Werkstoffingenieurin bei Firma Schmetz GmbH, Anlagenbau - Wärmebehandlung, Menden, tätig. Von 1997-2002 leitete sie die Entwicklung bei Firma Bodycote Wärmebehandlung beschäftigt und wechselte 2002 in den Bereich Kolsterisieren. Seit 2010 ist sie bei Bodycote als Vice President verantwortlich für die internationale Gruppe S3P - Specialty Stainless Steel Processes Dipl.-Ing. ( FH ) Wilhelm Wingens, geb. 1950, studierte „Eisenhüttenkunde / Werkstofftechnik“ an der FH Dortmund. 1975 trat er als Komplementär in die elterliche Lohnhärterei Wingens KG in Sprockhövel ein. Seit 1988 Gründer und Geschäftsführer der Härterei Technotherm GmbH & Co KG in Göppingen. Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch, geb. 1953, studierte Allg. Maschinenbau an der TH Darmstadt und promovierte im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. Von 1980 bis 2000 war er bei FAG Kugelfischer, Schweinfurt tätig, von 2001 bis 2004 als Geschäftsführer der Neue Materialien Bayreuth GmbH. Seit 2004 ist er Professor für das Fachgebiet Werkstofftechnik / Metalle an der Universität Bremen und Geschäftsführender Direktor der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen. Mittlerweile befindet sich Prof. Zoch im Ruhestand. <?page no="234"?> ISBN 978-3-8169-3531-5 Das Buch greift ein für die Fertigung von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen - speziell aus Stahl - äußerst kostenintensives Problemfeld auf: Verzug infolge einer Wärmebehandlung. Nach einer allgemeinen Einführung in die grundsätzlichen Mechanismen der Maß- und Formänderungsentstehung, die dem abschließenden Kenntnisstand des Sonderforschungsbereichs „Distortion Engineering” entsprechen, werden die bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren auftretenden Verzüge besprochen. Daran schließt sich eine Aufarbeitung des derzeitigen Standes der rechnerischen Simulation der Verzugsentstehung an. Abschließend werden zahlreiche Verzugsbeispiele aus der Literatur und der Praxis in übersichtlich ausgearbeiteter Form vorgestellt. Durch dieses Wissen wird der Leser in die Lage versetzt, sein eigenes Verzugsproblem zu bewerten und Lösungsansätze zu finden. Der Inhalt Grundlagen - Berechnung von Maß- und Formänderungen - Literatur - Beispielsammlung - Fazit und Ausblick Die Zielgruppe Fach- und Führungskräfte aus Wärmebehandlung, Arbeitsvorbereitung, Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung; Fachleute für - Metallverarbeitung, Wärmebehandlung (Härtereifachleute), Stahlerzeugung, Arbeitsvorbereitung, Konstruktion und Qualitätssicherung - Technische Abteilungen in der Automobil-Industrie und in der Automobil-Zulieferindustrie im Bereich Maschinenbau - Produktentwicklung, Forschung und Entwicklung Die Autoren sind ausgewiesene Fachleute aus Industrie und Forschungsinstituten, die sich im Fachausschuss 15 „Maß- und Formänderung infolge von Wärmebehandlung” der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. (AWT) zusammengeschlossen haben. K ARL HEEß Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt - Grundlagen - Praxisbeispiele 6., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit ausgearbeiteten, recherchierten Literaturstellen zum Download K ARL HEEß UND 41 MITAUTOREN