Kurzfassung N Stress Hardening

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1 Kurzfassung N Stress Hardening Kurzfassung zum IGF-Vorhaben N Evaluierung des Potenzials mechanisch aufgeprägter oder thermisch induzierter Dehnungen zur Kontrolle des Eigenspannungszustandes einer induktiv gehärteten Randschicht ( Stress Hardening ) Alwin Schulz, Chengong Cui, Dawid Nadolski, Matthias Steinbacher, Hans-Werner Zoch - Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT Bremen), Badgasteiner Straße Bremen ( Die im Rand eines induktiv randschichtgehärteten Werkstücks vorliegenden Druckeigenspannungen tragen wesentlich zur Bauteillebensdauer bei. Um sie über das bisher Machbare hinaus zu steigern und so die für den Anriss im oberflächennahen Bereich kritische Überlagerung von Lastspannungen (Zug) mit Druckeigenspannungen in noch günstigere Bereiche zu verschieben, wird das Bauteil vorgedehnt. Nach dem Randschichthärten wird die Dehnung zurückgenommen, wodurch die Randschicht kontrahiert und damit die dort vorhandenen Druckeigenspannungen erhöht werden. Zur Bauteilvordehnung wurden zwei komplementäre Methoden verwendet. Erstens wurde das Bauteil vorgewärmt und durch thermische Ausdehnung das Gitter dabei isotrop gedehnt. Zweitens wurde es mechanisch in einer Richtung verspannt. Dies hat zum einen unterschiedliche Auswirkungen auf den Spannungstensor. Zum anderen sind die Verfahren für unterschiedliche Bauteilabmessungen geeignet, ersteres für massive Bauteile, letzteres für dünnwandige Bauteile mit relativ großem Verhältnis von Randhärteschicht zu Restvolumen. Scheibenförmige Bauteile aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4 im vorvergüteten Zustand mit einer Kernbohrung dienten als Proben (Bild 1). Durch Änderung des Kernbohrungsdurchmessers wurden die zentralen Einflussgrößen - thermisch vorgedehntes Volumen bzw. elastisch vorgespanntes Restvolumen nach der Härtung variiert. In Stichversuchen wurden daüberhinaus Scheiben aus C56E2 und Ringe aus 1Cr6 GKZ mit untersucht. Mit Hilfe der experimentellen Untersuchungen und FE-Simulationen wurden Parameterfelder und Grenzen für diese Vorgehensweisen ermittelt. Bei Scheiben von 12 mm Durchmesser führt die Vorwärmung gegenüber Raumtemperatur zu einer Druckeigenspannungssteigerung von knapp 1 MPa pro 1 K (Bild 3), mit leicht abnehmender Tendenz bei höherer Vorwärmtemperatur. Auf die axialen Eigenspannungen konnte kein einheitlicher Einfluss festgestellt werden. Bild 1 Abschrecken (Standard) einer thermoelementbestückten Scheibenprobe (Ø12 Ø2 2) IWT Bremen 1 von 6

2 18265 N Stress Hardening Modifizierungen der Abschreckung mittels Brausen derart, dass die Kernwärme (Vorwärmung) erst nach der Randschichthärtung weggekühlt wird (Bild 2) führen zu leicht erhöhten tangentialen Druckeigenspannungen, nicht aber zu größeren axialen Druckeigenspannungen. Dies zeigt, dass in axialer Richtung bei noch hoher Kerntemperatur dieser Richtung ein Spannungsabbau erfolgen kann. Tem peratu r in C Node 1, 5 mm ch1( C)[64 vom Rand Hz] Node 3 mm 438-ch1( C)[8 vom Rand Hz] Node 5 mm 438-ch2( C)[8 vom Rand Hz] Node 3 mm 438-ch3( C)[8 vom Rand (r/2) Hz] Abschreckung: Brause 1 3 l/min für 6 s (Standard) Zeit in s Temperatur in C Node 1, 5 mm ch1( C)[64 vom Rand Hz] Node 3 mm 438-ch1( C)[8 vom Rand Hz] Node 5 mm 438-ch2( C)[8 vom Rand Hz] Node 3 mm 438-ch3( C)[8 vom Rand (r/2) Hz] Abschreckung: Brause 1 3 l/min 4 s Mantelfläche, dann Brause 1 wie Standard, Brause 2 3 l/min von unten für 6 s Zeit in s Bild 2 Modifizierte Abschreckung (rechts) einer Scheibe (Ø12 Ø2 2) (Ø1 mm- Thermoelemente) im Vergleich zur Standardabschreckung (links) einer auf T = 3 C vorgewärmten Probe 8 σ axial in MPa T = 3 C T = 3 C *) T = RT σ tang. in MPa T = 3 C T = 3 C *) T = RT Bild 3 Röntgenographisch ermittelter Eigenspannungsverlauf an Scheiben (Ø12 Ø2 2) ohne und mit Vorwärmung [*) kennzeichnet eine modifizierte Abschreckung] Härte HV T I MF t T* max 2 C 4 % 1 s 85 C 3 C 6 % 2,4 s 868 C _ _61 Bild 4 3, 1, 2, 3, 4, 5, 6, Härtebilder an den mittels MF randschichtgehärteten Scheiben (Ø12 Ø2 2), links ohne, rechts mit Vorwärmung (T auf 3 C) 35 2 von 6 IWT Bremen

3 Kurzfassung N Stress Hardening Bei der mechanischen Vorspannung von Ringen mit einem System aus Spreizbacken, einem Konus und Tellerfedern (Bild 5) konnten Steigerungen der tangentialen Druckeigenspannungen bis 15 MPa pro Promille elastischer Dehnung erreicht werden. Die axialen Druckeigenspannungen nehmen dabei in jedem Fall ab. Die mechanische Dehnung zur Steigerung tangentialer Druckeigenspannungen ist vorsichtig anzuwenden, da sie mit plastischer Verformung der Ringe aufgrund zu geringer Wandstärke und zu starker Erwärmung des nicht zu härtenden Innenbereichs der Ringe verbunden sein kann. Dabei kann es auch zu einer Überlagerung der thermisch bedingten Eigenspannungserhöhung kommen. Spannschraube M2 1,5 1.9 Tellerfedern Ø5 2,4 2,5 Konus (Steigung 8:1) Spannsegment Probe Gehäuse Bild 5 Schema der Dehneinheit Aufnahme auf die C Achse der Induktionsanlage Film: P1156_geschnitten.mp4 Bild 6 Ring gespannt maximale Ringerwärmung nach dem Abschrecken Dehneinheit während eines induktiven Randschichthärteprozesses an einem Ring (Ø12 Ø11 2); Federsäule 3 Pakete zu 4 Tellerfedern; Anzugsmoment der Spannschraube 1 Nm (Spannkraft: 24,9 kn; Ringdehnung außen:,112 %), Kraft von 15,6 kn auf der Federsäule nach dem Härten IWT Bremen 3 von 6

4 18265 N Stress Hardening Härte HV TC28Z 1 mm TC28Z 1 mm TC28Z 19 mm ,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 Bild 7 Mittels MF+HF Vorwärmung und HF-Härtung randschichtgehärteter Ring (Ø12 Ø12 2, 42CrMo4 H&T) Tangentialschliff und Axialschliff auf halber Höhe (1 mm) sowie Härteverläufe in drei Höhe Eigenspannungszunahme pro 1 K Vorwärmtemperaturzunahme gegen RT bzw 1/1 mech. Dehnung Bild CrMo4, wenn nicht anders angegeben axial tangential MF HF Ø12 Ø2 2 MF C56E2 Ø6 Ø2 2 Wandst. 1 Ø12 Ringe 155 Wandst Randeigenspannungsänderung durch Vorwärmung an Scheiben und mechanische Dehnung an Ringen (die Streubänder geben den minimalen und maximalen Wert innerhalb einer Versuchsserie an) HF thermisch mechanisch MF HF 4 von 6 IWT Bremen

5 Kurzfassung N Stress Hardening Bild 8 Simulation der tangentialen Eigenspannungen nach dem induktiven Randschichthärten einer Scheibe (Ø12 Ø2 2) mittels MF (f = 12 KHz), Abschreckart: intensiv (WÜK: Innen = 2 W/m 2 K, übrige Flächen = 1 kw/m 2 K) oben:, T = 2 C, Induktorstrom ca. 3,5 ka, t heiz = 8 s unten: T = 3 C, Induktorstrom ca. 3, ka, t heiz = 6 s Im Zusammenwirken von berechneter Vorhersage (Bild 8) und experimenteller Verifikation ist es daraufhin möglich, auch über die hier betrachteten Bauteildimensionen hinaus die Wirkung beider Dehnungsmethoden auf die Randeigenspannungen abzuschätzen. Sie sind grundsätzlich für größere Bauteile ab ca. 5 mm Durchmesser mit größerem Erfolg anwendbar. Dem Praktiker ist damit ein Verfahrensfenster zur Prozessanwendung zur Verfügung gestellt, mit dem er beurteilen kann, welche der Methoden für ein vorliegendes Bauteil gegebenenfalls eine Verbesserung des Eigenspannungszustandes beim Randschichthärten liefern könnte. Danksagung Das Vorhaben IGF N der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. (AWT) wurde über die AiF vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Für diese Förderung und Unterstützung sei an dieser Stelle ausdrücklich gedankt. Darüber hinaus sei den Mitgliedern der kooperierenden Firmen des projektbegleitenden Arbeitskreises BURGDORF GmbH & Co. KG, Stuttgart, vertreten durch Herrn Thomas Scholz; EFD Induction GmbH, Freiburg, vertreten durch Herrn Prof. Dr.-Ing. Hansjürg Stiele; EMAG eldec Induction GmbH, Dornstetten, vertreten durch Herrn Dr.-Ing. Christian Krause; EMA INDUTEC GmbH, Meckesheim, vertreten durch Herrn Wilfried Goy; IWT Bremen 5 von 6

6 18265 N Stress Hardening Hanomag Lohnhärterei GmbH, Hannover, vertreten durch Herrn Dr.-Ing. Winfried Gräfen; R. Rieker GmbH, Leingarten, vertreten durch Herrn Michael Rieker; REUTTER GmbH Induktionshärterei, Wernau (Neckar), vertreten durch Herrn Dipl.-Ing. Albert Groß; Robert Bosch GmbH, Stuttgart, vertreten durch Herrn Dr. Hermann Autenrieth; Schaeffler Technologies GmbH & Co.KG, Schweinfurt vertreten durch Herrn Toni Blaß; Sennestahl GmbH, Bielefeld, vertreten durch Herrn Dietmar Holzenbecher; Stemmermann Induktivhärterei GmbH, Radevormwald, vertreten durch Herrn Mark Stemmermann für die Unterstützung durch Sachmittel und Dienstleistungen sowie die vielfach fruchtbaren Diskussionen und kritischen Anmerkungen gedankt. Ebenfalls gedankt sei der BGH Edelstahl Siegen GmbH und der BGH Edelstahl Freital GmbH für die kostenlose Überlassung des Versuchsmaterials und Frau Dr.-Ing. Karola Klenke von BGH Siegen für die Organisation dieser Überlassung. Des Weiteren ist Herrn Dr. Christian Krause von der Firma EMAG eldec Induction GmbH für die überzeugende und engagierte Leitung des projektbegleitenden Arbeitskreises Dank auszusprechen. 6 von 6 IWT Bremen