Fachgebiet Werkstofftechnik, Verfahrenstechnik. Teilprojekt B4. Verzugskompensation durch asymmetrische Abkühlbedingungen.

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1 337 Fachgebiet Werkstofftechnik, Verfahrenstechnik Teilprojekt Verzugskompensation durch asymmetrische Abkühlbedingungen Arbeitsbericht Förderzeitraum: bis Berichtszeitraum: bis Projektleiter: Priv.-Doz. Dr.-Ing. U. Fritsching Universität Bremen Fachbereich Produktionstechnik Fachgebiet Verfahrenstechnik Badgasteiner Str Bremen Tel: Fax: Dr.-Ing. M. Hunkel Universität Bremen Fachbereich Produktionstechnik Fachgebiet Werkstofftechnik Badgasteiner Str Bremen Tel: Fax: Teilprojektbearbeiter: Dipl.-Ing. Sven Schüttenberg Dr.-Ing. Hubertus Lohner Dr.-Ing. Omar Belkessam

2 338 Inhaltsverzeichnis 1 Kenntnisstand bei der letzten Antragsstellung und Ausgangsfragestellung Einleitung Stand der Forschung Projektziele Angewandte Methoden und Arbeitsprogramm Untersuchung des Abschreckmediums Untersuchung des Werkstückverhaltens Entwicklung eines Prozessmodells zum Abschreckprozess Ergebnisse Modell zum Abschreckprozess Strömungs- und Wärmetransportverhalten des Abschreckmediums Wärmeverteilungen, Umwandlungs- und Verzugsmechanismen im Werkstück Strategie zur Verzugskompensation Diskussion und Vergleich mit Arbeiten außerhalb des SFB Zusammenfassung und Ausblick Verwendete Symbole Literatur Veröffentlichungen des Teilprojekts im Berichtszeitraum Auslandsreisen...374

3 339 1 Kenntnisstand bei der letzten Antragsstellung und Ausgangsfragestellung 1.1 Einleitung Bei der Abkühlung eines Bauteils innerhalb eines Wärmebehandlungprozesses ist durch die Aufprägung lokal ungleichmäßiger Abschreckbedingungen die Möglichkeit einer gezielten Verzugskompensation gegeben. Hierfür geeignete Wärmeübergangsbedingungen am Bauteil sind im Abschreckprozess z. B. durch die Aufprägung und Regelung eines angepassten (räumlich und/oder zeitlich variierenden) Strömungsfelds auf der Basis von Düsenanordnungen realisierbar. In diesem Teilprojekt wurde für zunächst symmetrisch geformte Bauteile der lokal asymmetrische Abschreckvorgang in einem ersten Ansatz in gasförmigen Medien analysiert und modellmäßig beschrieben, um darauf aufbauend das Potential von Maßnahmen zur Vermeidung oder Reduzierung von Verzügen im Wärmebehandlungprozess anhand von Simulationsrechnungen abschätzen zu können. Ausgangspunkt hierfür bildet zunächst die sequenzielle Beschreibung der zugrunde liegenden Einzelvorgänge des Härteprozesses: Strömung - Wärmeübergang Wärmeverteilung - Umwandlung - Mechanik. Diese einzelnen Analysenmodule wurden sowohl auf der Basis experimenteller als auch numerischer Untersuchungen abgeleitet und anschließend zu einem Gesamtmodell der thermometallkundlichen und thermomechanischen Vorgänge beim Abschreckprozess zusammengefügt. Fernziel des Teilprojekts ist es, auf der Basis eines derartigen Prozessmodells in nachfolgenden Projektphasen und gemeinsam mit anderen Teilprojekten innerhalb des SFB 570 die in-line Steuerung asymmetrischer Abkühlbedingungen als verzugskompensierender Maßnahme im Abschreckprozess vorzunehmen.

4 Stand der Forschung Die bei der Abschreckhärtung von Bauteilen und Komponenten auftretenden Verzüge resultieren aus der Überlagerung von Wärme- und Umwandlungsspannungen und den daraus entstehenden plastischen Deformationen (bei Überschreiten der Streckgrenze oder durch umwandlungsplastische Dehnung). Insbesondere wird die Entstehung von Maß- und Formänderungen hierbei durch lokal ungleichmäßige, asymmetrische Abkühlverläufe hervorgerufen. Eine Zusammenstellung der wesentlichen Bedingungen und Mechanismen für die Entstehung von Maß- und Formänderungen infolge einer Wärmebehandlung wurden im Rahmen eines Fachausschusses der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT) zusammengestellt [Hee97]. Wesentliche Einflussgrößen auf die Entstehung von Verzügen im Härteprozess sind demnach u. a.: ungleichmäßige Wärmeübergänge und die daraus resultierende ungleichmäßige (asymmetrische) Erwärmung oder Abkühlung des Bauteils oder die konstruktive Gestaltung des Bauteils. Die Abschreckung mittels Gasen wird mit zunehmender industrieller Relevanz durchgeführt, wobei im Rahmen flexibler Abschreckvorrichtungen der Wärmeübergang in bestimmten Grenzen direkt gesteuert werden kann. Dies wurde bereits für artverwandte Prozesse der Kühlung bzw. Trocknung gezeigt [Gro78, Mar77]. Insbesondere in Wärmebehandlungsprozessen mit flüssigen Abschreckmedien kommt hingegen die Benetzungsproblematik des Abschreckmediums als zusätzliche, in der Regel nicht in weiten Grenzen beeinflussbare Größe hinzu [Jes85, Lai96, Ehl99]. Von den unterschiedlichen Maßnahmen zur Entgegenwirkung von Formänderungen bei der Abschreckhärtung mit flüssigen Abschreckmedien [Sti94] ist die Vergleichmäßigung der lokalen Abkühlgeschwindigkeiten durch Verbesserung der Benetzung der Werkstückoberfläche durch z. B. rotatorische Bewegungen des Bauteils bedingt geeignet, dem Verzug entgegenzuwirken. Für die eigentlichen Zielgrößen einer Abschreckung ergeben sich aus diesen einfachen Verhältnissen große Optimierungspotentiale. So können über die Einflussgrößen der Gasabschreckung (Druck, Geschwindigkeit, Gasart und Strömungsführung) gezielte Abkühlgeschwindigkeiten eingestellt werden. Danach kann definiert so schnell abgekühlt werden, wie es für eine gezielte Härtung gerade erforderlich ist. Die Konsequenz

5 341 daraus ist ein Bauteil mit einem gewünschten Gefüge und minimalem Verzug, was seinerseits zu verminderten Kosten für notwendige Nacharbeiten führt. Weiterhin sind die Abkühlgeschwindigkeiten im Prozess sehr genau reproduzierbar. Folglich liegen auch die Maß- und Formänderungen in Toleranzbereichen, die bei einer Gasabschreckung deutlich enger ausfallen als bei der Abschreckung in Flüssigkeiten. Das große Potential der Gasabschreckung zur Verzugsminimierung wird bislang aber nur teilweise ausgeschöpft. Ein Grund dafür ist, dass die mindest notwendigen Abkühlgeschwindigkeiten für eine ordnungsgemäße Härtung bisher nur durch vergleichsweise aufwändige Versuchsreihen, basierend auf dem trial and error -Verfahren, ermittelt werden können. Diese Versuchsreihen können durch den Einsatz von Simulationsrechnungen ergänzt und damit im Umfang deutlich reduziert werden. Bei den bisher durchgeführten Berechnungen des Abschreckprozesses in Flüssigkeiten hat sich die Komplexität der Wärmeübergangsmechanismen in verdampfenden Medien als einschränkender Faktor erwiesen [Bes93, Ehl99, Maj94, Maj96, Ten90, Zab87]. Die für die Berechnungen notwendigen Randbedingungen (Wärmeströme bzw. Wärmeübergangskoeffizienten) konnten lediglich durch aufwändige Messungen ermittelt werden, die, nach entsprechenden Erfahrungen aus der Praxis, nicht unerheblichen Streuungen unterliegen. Bei der Gasabschreckung sind die Verhältnisse ungleich einfacher, so dass hier die Berechnung der Wärmeübergangskoeffizienten, auch an komplexer gestalteten Bauteilen, aus den gegebenen Betriebs- und Geometrieparametern möglich ist. Die gesuchten Betriebsparameter zur Einstellung des gewünschten Gefüges können dann durch eine rechnerische Variation ermittelt werden. Neben der Gefügeverteilung ergeben sich als Ergebnis bei erhöhtem Aufwand der Berechnung auch die Maßund Formänderungen des Bauteils sowie die Verteilung der Eigenspannungen [Bes93,Hee97]. 1.3 Projektziele Im Umfang dieser Antragsphase sollte für symmetrisch geformte Bauteile der lokal asymmetrische Abschreckvorgang so analysiert und modellmäßig beschrieben werden, dass Maßnahmen zur Vermeidung oder Reduzierung von entstehenden Verzügen im Härteprozess durch die Aufprägung lokal variabler Abkühlbedingungen anhand von Simulationsrechnungen in ihrem Potential abgeschätzt werden können. Geeignete Wärmeübergangsbedingungen zur asymmetrischen Abkühlung sollten in der Wärme-

6 342 behandlung am Bauteil durch die Aufprägung und Regelung angepasster Strömungsfelder auf der Basis von Düsenanordnungen realisiert werden. Den Ausgangspunkt hierfür bildet zunächst die Beschreibung der zugrunde liegenden Einzelvorgänge: Strömung - Wärmeübergang - Wärmeverteilung - Umwandlung Mechanik. Diese einzelnen Analysenmodule sollten sowohl auf der Basis numerischer als auch experimenteller Untersuchungen abgeleitet werden. In einem zweiten Schritt sollten sie dann zu einem Gesamtmodell der thermometallkundlichen und thermomechanischen Vorgänge beim Härteprozess zusammengefügt werden. Zur Ertüchtigung und Verifizierung der Einzelmodule wurde das Arbeitsprogramm zunächst, entsprechend der Bauteilvorgabe des SFB 570, mit den relativ einfachen, symmetrischen Geometrien des Rings, des Zylinders und der Scheibe durchgeführt. Die Bauteile wurden gezielt unter asymmetrischen Bedingungen abgeschreckt, um definierte Verzüge zu erzeugen und zu analysieren und daraus Korrelationen zu den lokalen Abkühlbedingungen ableiten zu können. Wesentliche Analyseparameter wurden im Arbeitsprogramm anhand von experimentellen Teiluntersuchungen gewonnen, z. B. zur Beschreibung des asymmetrischen Wärmeübergangs und der daraus folgenden Temperaturverteilung in den Bauteilen. Für die Durchführung der experimentellen Arbeiten des Projekts wurden in Kooperation mit dem Teilprojekt A6 für jede Bauteilgeometrie flexible Gasabschreckvorrichtungen mit einzeln und/oder gruppenweise ansteuerbaren Düsenkonfigurationen konstruiert, modifiziert und betrieben. An diesen Vorrichtungen konnten zeitlich und räumlich variierende Wärmeübergänge an den symmetrischen Teilen aufgeprägt werden. Die Modell- und Simulationsrechnungen lassen sich hieran verifizieren. Fernziel dieses Teilprojektes ist, aufbauend auf der Analyse und Modellierung des Abschreckprozesses, der in-line Regel- und/oder Steuereingriff in den Gasabschreckprozess zur direkten Verzugskompensation. Dieses Projektziel soll durch eine intensive Zusammenarbeit und Abstimmung mit dem Teilprojekt B3 (Regeln und Steuern) erreicht werden. Weiteres Fernziel für das Teilprojekt über die laufende Antragsphase hinaus ist die Erweiterung der Untersuchungen zum Abschreckprozess auf flüssige Medien, in denen durch die Anwendung gerichteter Flüssigkeitsjets der Benetzungsproblematik (Leiden-

7 343 frosteffekt) auf der Bauteiloberfläche bei der Flüssigkeitsabschreckung entgegengewirkt werden soll. 2 Angewandte Methoden und Arbeitsprogramm Die Analyse der Abschreckprozesse wurde im Rahmen des Teilprojekts sowohl numerisch als auch experimentell durchgeführt. Dabei wurden, wie in Bild 1 dargestellt, die einzelnen Analysemodule in einer bottom to top Vorgehensweise abgeleitet und untersucht. Diese Vorgehensweise garantiert, dass in nachfolgenden Abschnitten des Vorhabens auch komplexere Bauteilgeometrien bzw. ein komplexeres Werkstoffverhalten, wie z. B. für inhomogene Werkstoffe, analysiert und entsprechende Kompensationsprogramme erstellt werden können. Zwar bauen die einzelnen Module aufeinander auf (beispielsweise wird die Temperaturverteilung wesentlich vom Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt), können aber zunächst mit vereinfachenden Modellannahmen (z. B. einfache Funktionen für den Wärmeübergangskoeffizienten) unabhängig voneinander abgeleitet werden. Diese Vereinfachungen wurden im Projektfortschritt zunehmend an die realen Verteilungen und Randbedingungen angepasst. Abschreckprozess Abschreckmedium Werkstückverhalten Strömung Wärmeübergang Temperaturverteilung Umwandlung Mechanik Bild 1: Modularer Modellaufbau des Teilprojekts Die Untersuchung der Abschreckprozesse erfolgte, nach Bild 1, in drei aufeinander aufbauenden Ebenen bzw. zeitlichen Abschnitten, von denen zunächst die fünf Basisanalysemodule: 1.) Strömung um ein Bauteil, 2.) Wärmeübergang an der Bauteiloberfläche,

8 344 3.) Wärme-/Temperaturverteilung im Bauteil, 4.) Umwandlung des Gefüges, 5.) mechanische Reaktionen des Bauteils einzeln bei der asymmetrischen Abkühlung modellmäßig abgeleitet und numerisch wie auch experimentell untersucht wurden. In Kooperation mit dem Teilprojekt A6 wurden die Analysen außerdem zum Zwecke des Vergleichs unter symmetrischen Abkühlbedingungen durchgeführt. Als Arbeitsmittel wurden neben den Vorrichtungen und Messgeräten zur experimentellen Untersuchung von z. B. Strömungszuständen und Temperaturverteilungen die numerischen Simulationswerkzeuge CFD (Computational Fluid Dynamics) und FEM (Fenite Elemente Methode) eingesetzt. Dabei wird das CFD-Programm Fluent für die numerische Untersuchung der Strömungszustände und Wärmeübergänge im Abschreckmedium eingesetzt, während mit der Anwendung des FEM-Programms Sysweld die Temperaturverteilungen, die Umwandlungsmechanismen und die mechanischen Reaktionen des Werkstücks analysiert werden. Die Aufteilung der Analysemodule in die Aufgabenbereiche Abschreckmedium und Werkstückverhalten zeigt Bild 2. Mit der Ermittlung experimenteller Daten zu jedem Basisanalysemodul waren die numerischen Modelle im Einzelnen zu verifizieren. CFD FLUENT Gasdüsenfeld FEM SYSWELD Temperatur Umwandlung Verzug Eigenspannungen Härte Experimente Gasgeschwindigkeit Umwandlungsverhalten Wärmeübergangskoeffizient Wärmeübergangskoeffizient Abkühlkurven Phasenanalyse Verzug Eigenspannungen Härte Bild 2: Konzept zur Aufteilung der Analysemodule

9 345 Im Umfang des Berichtszeitraumes für den ersten Abschnitt des Vorhabens fokussierten sich die Untersuchungen auf: - die Abschreckung in gasförmigen Medien, - die Untersuchung symmetrischer Bauteile, wie sie im gesamten SFB Verwendung finden: den Zylinder und den Zylinderring, - die Verwendung der Werkstoffe 100Cr6 und 20MnCr Untersuchung des Abschreckmediums Die lokalen Bedingungen bei der Umströmung eines Bauteils (Gasart, Geschwindigkeitsverteilung, Turbulenz,...) und die daraus resultierenden Wärmeübergangsvorgänge zwischen Gas und Werkstück sind die entscheidenden Einflussgrößen auf das Gasabschrecken und einen möglicherweise auftretenden Bauteilverzug. Für die im Umfang dieser Antragsphase untersuchten zylindrischen und ringförmigen Werkstücke wurden die Strömungsbedingungen mittels CFD-Simulationen unter Anwendung des Programmpakets Fluent analysiert. Als Abschreckmedium wird Stickstoff verwendet. Die Temperaturabhängigkeit der Stoffwerte des Gases wird bei den CFD-Untersuchungen berücksichtigt. Es werden, in Abstimmung mit den experimentellen Möglichkeiten der Versuchsanlagen, Gasgeschwindigkeiten (am Düsenauslass) in einem Bereich zwischen 120 m/s und 300 m/s für die Zylinderabschreckung und zwischen 100 m/s und 250 m/s für die Ringabschreckung angenommen. Das Ergebnis der Simulationen ist eine dreidimensionale Verteilung der Gasgeschwindigkeit, Gastemperatur und Strömungsturbulenz sowie die lokale Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Werkstück und Abschreckgas auf der Werkstückoberfläche. Die Geschwindigkeitsbedingungen bzw. die aus den Düsen der Abschreckeinrichtungen austretenden Gasmassenströme wurden dabei in Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Werten festgelegt. Die aus den Simulationen ermittelten und in Tabellenform ausgegebenen Wärmeübergangskoeffizienten wurden als Eingangsgröße zur weiterführenden Untersuchung des Werkstückverhaltens übergeben. Als Versuchseinrichtungen zur experimentellen Untersuchung des Gasabschreckprozesses stehen verschiedene Aufbauten für zylindrische und ringförmige Werkstücke, wie in Bild 3 dargestellt, zur Verfügung. Für die einzelnen Geometrien werden jeweils 8 Düsensegmente (Zylinder: 1o 4o, 1u 4u; Ring: 1i 4i, 1a 4a) verwendet, wobei sich die Verteilung der Düsen auf die Segmente aus den Geometrien ergibt.

10 346 3o 4o 3u 4u Ring a) Zylinder b) Bild 3: Abschreckeinrichtungen: a) Zylinderabschreckung, b) Ringabschreckung Die Gasströmungen können an den Einzelsegmenten gezielt eingestellt werden, wodurch sowohl symmetrische (für das Teilprojekt A6) wie auch asymmetrische Abschreckbedingungen realisiert werden können. Der schematische Aufbau der Abschreckeinrichtungen ist in Bild 4 dargestellt. Der Aufbau besteht neben den segmentweisen Düsenanordnungen für die Zylinder- und Ringabschreckung (Bild 4 rechts, vergl. Bild 3), bei denen die Düsenpositionen (Düsenstöcke bzw. Außendüsen) in Abstand und Winkel zum Bauteil variabel einstellbar sind, aus der Gassteuerung, die im Wesentlichen aus drei elektronisch gesteuerten Volumenstromreglern (3000 l/min, 4000 l/min und 8000 l/min) besteht. Durch die kombinierte Einstellung der Volumenströme an jedem Regler wird der Gesamtvolumenstrom für die Gasabschreckung, nach den für das jeweilige Experiment geforderten Gasgeschwindigkeiten an den Düsensegmenten (1 bis 8), voreingestellt. Da die Reaktionszeit der Volumenstromregler mit ca. 10 s nach einer Einstellung für eine gezielt gesteuerte Abschreckung nicht geeignet ist, sind den Reglern jeweils Kugelhähne mit pneumatischen Antrieben nachgeschaltet. Die Kugelhähne sind als Dreiweghähne mit schallgedämpften Bypässen ausgelegt, die mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde, betätigt durch eine Relaissteuerung, den voreingestellten

11 8000 l/min 3000 l/min 347 Gasstrom an die Abschreckeinrichtungen synchron freigeben bzw. sperren. Die schnell reagierende Steuerung der Gasvolumenströme ist eine anlagentechnische Notwendigkeit zur in-prozess Steuerung der Abschreckvorgänge. Relais 1 1o 1u 2u 2o Zylinder 4000 l/min Innendüse Düsenstock 3o 3u 4u 4o 2a 1a 1i 2i 3i 4i Aussendüse Stickstoff Steuerung 4a Ring 3a Bild 4 Fließbild der Abschreckeinrichtungen Die experimentelle Ermittlung lokaler Gasgeschwindigkeiten erfolgte mit Hilfe der Hitzdrahtanemometrie (HDA) an den Abschreckeinrichtungen. Dabei wurden, eingeschränkt durch die Größe der verwendeten Hitzdrahtsonden, die Geschwindigkeiten im Gasströmungsfeld mit einem Abstand von 3 mm zueinander gemessen. Die Ergebnisse aus den Geschwindigkeitsmessungen dienen zur Verifizierung der Simulationsrechnungen. Zur experimentellen Ermittlung der Wärmeübergangskoeffizienten an der Werkstückoberfläche wird ebenfalls das Hitzdrahtanemometer eingesetzt. Dabei wird nach [Sch98] eine Heißfilmsonde vom Typ Dantec R45 bündig in die Werkstückoberfläche eingebaut, wie prinzipiell in Bild 5 an der Versuchseinrichtung zur Ringabschreckung dargestellt. Die lokalen konvektiven Wärmeübergänge von der Sonde an die Prallströmung im Versuchsfeld werden gemessen und, unter Verwendung der vormals ermittelten Gasgeschwindigkeiten, zur Ermittlung der lokalen Wärmeübergangskoeffizienten an der Werkstückoberfläche herangezogen [Sch98].

12 348 Bild 5: Prinzipdarstellung zur Messung der Wärmeübergangskoeffizienten Durch eine radiale bzw. axiale Positionierung des Werkstücks lässt sich der Messort relativ zur Düse einstellen, wodurch, abhängig von der Größe der wärmeübertragenden Fläche der Sonde, eine ausreichend feine Auflösung lokal ermittelter Messwerte erreicht werden kann. Mangels ausreichender Verfügbarkeit der Messinstrumente bzw. der Abschreckvorrichtungen konnten die Messungen der Wärmeübergangskoeffizienten im Berichtszeitraum noch nicht abgeschlossen werden. Die Messungen der Wärmeübergangskoeffizienten an der Zylinder- und Ringgeometrie sind in der Versuchsplanung für das zweite bzw. dritte Quartal 2003 vorgesehen. 2.2 Untersuchung des Werkstückverhaltens Das Potential der asymmetrischen Abschreckung zur in-line-kompensation von Bauteilverzügen wurde durch Fallstudien abgeschätzt. Entscheidende Größe für den Regeleingriff ist der Zeitpunkt, an dem in den Abschreckprozess eingegriffen werden kann sowie die nötigen Ortsabhängigkeiten im Wärmeübergangskoeffizienten. Bei dem Werkstoff 100Cr6, bei dem ausschließlich eine martensitische Umwandlung erreicht werden soll, stehen prinzipiell zwei Effekte als Kompensationspotential zur Verfügung: eine plastische Verformung des Austenits bei hohen Temperaturen und die umwandlungsplastische Dehnung bei tiefen Temperaturen. Bei den beiden Bauteilgeometrien

13 349 aus 20MnCr5, der Welle und der Scheibe, sind diese beiden Effekte auch bei der Blindhärtung nicht so einfach zu trennen. Die zweite Kompensations-Bedingung ist die nach einer geeigneten Einstellung der Ortsabhängigkeit, um ein möglichst großes Kompensationspotential zu erreichen. Aufgrund der einfacheren Interpretation der Ergebnisse wurden hauptsächlich die Ringe aus 100Cr6 in Bezug auf die gerade genannten Fragen in Experiment und Simulation untersucht. Die Simulationen des Werkstückverhaltens wurden mit dem Finite Elemente (FEM) Programm Sysweld durchgeführt. Für die Simulation des Werkstücks ist als wesentliche Randbedingung die Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten vorzugeben. Dazu wurden die mittels CFD berechneten Verteilungen des Wärmeübergangskoeffizienten mit einem geglätteten Verlauf als Eingabedaten in das FEM-Programm implementiert. Da nur die wesentlichen Unterschiede im Wärmeübergangskoeffizienten zu einem signifikanten Kompensationspotential führen sollten, sind kurzwellige Fluktuationen, die auf numerische Oszillationen in der Strömungssimulation zurückzuführen sind, nicht von Interesse und können herausgemittelt werden. Neben dem konvektiven Wärmeübergang wurde auch die Wärmestrahlung berücksichtigt. Diese spielt vor allem beim Umsetzen der Probe vom Ofen in das Düsenfeld eine Rolle. Die zur Simulation benötigten Werkstoffkennwerte wurden zunächst der Literatur entnommen und im Projektzeitlauf sukzessive durch die Parameter ersetzt, die vom Teilprojekt C1 zur Verfügung gestellt wurden. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen sind Messergebnisse für die Abkühlverläufe an austenitischen Proben sowie die Maß- und Formänderungen an umwandelnden Proben bestimmt worden. Die Maß- und Formänderungsmessungen wurden dabei mit dem vom Teilprojekt A5 verwendeten Koordinatenmessgerät an Zylinder- und Ringproben durchgeführt. Außerdem wurden in Kooperation mit dem Teilprojekt A6 Voruntersuchungen zur in-line-geometriemessung (Streifenprojektion, Lasertriangulation, digitale Holographie) durch das Teilprojekt B3 durchgeführt. Zur in-prozess- Messung der Temperaturverläufe bei der Gasabschreckung wurden vom Teilprojekt B3 Voruntersuchungen mit der Thermographiekamera durchgeführt (siehe Arbeitsbericht Teilprojekt B3).

14 Entwicklung eines Prozessmodells zum Abschreckprozess Die verfahrenstechnischen Modellansätze zum Analysemodul Abschreckmedium mit den darin enthaltenen Basismodulen Strömung und Wärmeübergang und die werkstofftechnischen Modellansätze zum Analysemodul Werkstückverhalten, bestehend aus den Basismodulen Wärme-/Temperaturverteilung, Umwandlung und Mechanik, wurden zu einem integralen Prozesssimulationsmodell des Abschreckprozesses zusammengeführt. Das entwickelte Prozesssimulationsmodell wiederum wurde mittels der Durchführung von Experimenten zur asymmetrischen Gasabschreckung verifiziert. Dabei wurden gezielt asymmetrische Abkühlbedingungen erzeugt, deren resultierende Maß- und Formänderungen des Bauteils mit dem Modell abgeglichen wurden. Durch die Ermittlung des Potentials verzugskompensierender Maßnahmen sollte es ermöglicht werden, die Grundlage für eine Strategie zur Verzugskompensation bei der Gasabschreckung zu entwickeln und anzuwenden. 3 Ergebnisse 3.1 Modell zum Abschreckprozess Anhand der in Kap. 2 beschriebenen Vorgehensweise zur modularen Analyse der Einzelvorgänge bei der Gasabschreckung wurde ein Prozessmodell zur Simulation des Werkstückverzugs durch die asymmetrische Abschreckung im Gasdüsenfeld entwickelt. Das Prozessmodell sieht die Zusammenführung der Analysemodule Abschreckmedium und Werkstückverhalten vor, die wiederum nach der Aufgabenstellung aus den beschriebenen Basismodulen entwickelt wurden. Als Ergebnis dieser Zusammenführung lässt sich die Simulation des asymmetrischen Gasabschreckprozesses als stufenweise Vorgehensweise betrachten und darstellen. In Bild 6 ist der stufenweise Prozessablauf für den Werkstückverzug durch asymmetrische Abschreckbedingungen an der Zylinderprobe dargestellt. Die Analyse des Abschreckmediums ergibt dabei die Ermittlung der Gasgeschwindigkeiten im Düsenfeld und die Wärmeübergangskoeffizienten an der Werkstückoberfläche.

15 351 v [m/s] WÜK [W/m²K] T [ C] Verzug Gasgeschwindigkeit FLUENT Wärmeübergangskoeffizient FLUENT Temperaturverteilung SYSWELD Verzug SYSWELD Bild 6: Prozesssimulationsmodell für die Gasabschreckung eines Zylinders Die Analysen des Werkstückverhaltens liefern, basierend auf den vormals ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten, die Temperaturverteilungen und letztendlich, nach Einbringung der Modelle zur Umwandlung und zum mechanischen Verhalten der Probe bzw. des Probenwerkstoffs, den ermittelten Verzug der Probe. Das Prozessmodell ist in seiner modularen Struktur so ausgelegt, dass es gleichermaßen für verschiedene Werkstückgeometrien wie z. B. den Zylinder und den Zylinderring angewendet werden kann. 3.2 Strömungs- und Wärmetransportverhalten des Abschreckmediums Die numerische Simulation der Strömung und des Wärmeübergangs wurde im Rahmen dieses Teilprojekts in zwei Teilschritten durchgeführt, in denen die Wärmeleitung und die Konvektion getrennt betrachtet wurden. Hierbei wurde die Strömung stationär mit einer konstanten Proben-Wandtemperatur simuliert, während im zweiten Schritt dann die instationäre Wärmeleitung in der Probe bei der Analyse des Werkstückverhaltens mit den im ersten Schritt ermittelten Wärmeübergängen als Randbedingung berechnet wurde. Zur numerischen Simulation der Gasströmung und des Wärmetransportverhaltens an der Probenoberfläche wurden unter Anwendung des Geometrie- und Gittererstellungsprogramms Gambit (Teilmodul aus dem Fluent-Progammpaket) die untersuchten

16 352 Werkstückgeometrien dreidimensional, in unstrukturierten Berechnungsgittern, erstellt. Da die hohe Komplexität der Problemstellung für die 3D-Simulationen eine große lokale Auflösung der Probenvolumina erfordert, wurden Symmetriebedingungen des Abschreckprozesses zur Minimierung des Rechenaufwands berücksichtigt. Damit wurden für die Simulationen unter asymmetrischen Abschreckbedingungen, wie in Bild 7 dargestellt, jeweils ein Viertel der Zylinder- und Ring-Geometrien analysiert. Die Anzahl der Volumenelemente betrug dabei für die Zylinderprobe ca , was eine Flächenauflösung von 10 µm an der Probenoberfläche ermöglichte. Bei der Ringprobe wurde vorerst, bedingt durch eine eingeschränkte Rechenkapazität, ein Modell mit einer Auflösung von 70 µm und ca Volumenzellen verwendet. Hier wird die Auflösung des Modells für zukünftige Analysen weiter verfeinert. Düseninnenring Symmetrieebene Düsenstock Werkstück Symmetrieebene Werkstück Düsenstock Bild 7: Anwendung von Symmetriebedingungen zur Simulation Bei den in diesem Teilprojekt für das Teilprojekt A6 durchgeführten Simulationsrechnungen der Abschreckung unter symmetrischen Bedingungen konnten zur Verminderung des Rechenaufwands weitere Symmetriebedingungen angewendet werden, nach denen Geometrien mit den Ausmaßen ein Achtel der Zylindergeometrie (ca Volumenzellen) und ein Zwölftel der Ringgeometrie (ca Zellen) zur numerischen Analyse erstellt wurden. Die Umströmung des Bauteils in der turbulenten und kompressiblen Strömung und die Beschreibung der daraus resultierenden Ausbildung der thermischen und der Impuls- Grenzschicht bilden die Grundlage der numerischen Analyse des Strömungsverhaltens. Die Analyse der dreidimensionalen und zeitabhängigen Strömungsvorgänge, die we-

17 353 sentlich durch den Turbulenzcharakter der Strömung charakterisiert werden, bedürfen einer sorgfältigen Auswahl des Turbulenzmodells, um zuverlässige und realistische Simulationsergebnisse zu erhalten. Im Umfang vorheriger Untersuchungen zur flexiblen Gasabschreckung [Ohl02, Fri02] wurde bei der Auswahl eines geeigneten Turbulenzmodells zur Simulation der Strömungszustände bei der Gasabschreckung die beste Übereinstimmung mit dem RNG-k-ε-Modell erzielt. Bei diesem Turbulenzmodell werden zwei Transportgleichungen für die turbulente kinetische Energie und für die Dissipationsrate aufgestellt. Diese bilden zusammen mit den gemittelten Reynolds-Gleichungen ein Gleichungssystem, das mit Hilfe von Fluent [Flu00] gelöst wird. Zusätzlich zu den diskretisierten Grundgleichungen sind geeignete Randbedingungen und Lösungen für die spezielle Behandlung der wandnahen Schicht in turbulenten Strömungen von großer Bedeutung. Die komplette Auflösung der wandnahen Schicht mittels des Zweizonen-Modells [Flu00], dessen Anwendung sich für die komplexen wandnahen Strömungen der untersuchten Geometrien als sehr geeignet erwiesen hat, wurde hier angewendet. Als Löser der Strömungssimulationen wurde der 3D-coupled-implicit Solver verwendet. Die Eingangsgrößen des Solvers zur stationären Strömungssimulation sind die Stoffwerte des Abschreckmediums (z. B. Dichte, spez. Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität), die temperaturabhängig ermittelt und eingegeben wurden sowie die Wandtemperatur und die Stoffwerte des Werkstücks bzw. dessen Werkstoffs. Als Parameter der Düsenströmungen wurde der von der Düsenform abhängige Turbulenzgrad sowie die Eingangsmassenströme (abhängig von der Gasgeschwindigkeit) und Gastemperaturen eingegeben. Als erstes Ergebnis wurden anhand der eingegebenen Daten und Randbedingungen die Gasgeschwindigkeitsverteilungen im betrachteten Volumen berechnet und als grafische Darstellung oder wahlweise in Form eines Datenfiles ausgegeben. Bild 8 zeigt beispielhaft die zweidimensionale Darstellung der simulierten Geschwindigkeitsverteilungen in der Schnittebene durch je ein Düsensegment der Zylinder- (a) und Ringabschreckeinrichtung (b) bei einer Gasgeschwindigkeit von 150 m/s.

18 Düsenstock Düsenstock Düsen- Innenring Düsenstock aussen 354 v [m/s] 150 v [m/s] Zylinder Ring 0 a) b) 0 Bild 8: Simulierte Geschwindigkeitsverteilung: a) Zylinder, b) Ring Aus den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen bei der Messung der Gasgeschwindigkeiten in den Düsenfeldern ging hervor, dass die jeweils aus den einzelnen Düsen eines Düsenstocks austretenden Gasmassenströme zum Teil um bis zu ±20 % voneinander abweichen. Grund dafür ist eine durch die Positionen der Zuleitungen bedingte Inhomogenität in der Verteilung des Gesamtmassenstroms auf die Einzeldüsen eines Düsenstocks (siehe Bild 9), die bei späteren Versuchen durch den Einbau von Störkörpern in die Düsenstöcke nahezu ausgeglichen werden konnte. Diese Inhomogenitäten der Gasaustrittsgeschwindigkeiten wurden aber in der Simulation durch eine Anpassung der Massenströme jeder Einzeldüse berücksichtigt. So konnten die Ergebnisse der experimentell ermittelten Gasgeschwindigkeiten direkt zur Verifizierung der Simulationen herangezogen werden. Einen Vergleich der experimentell ermittelten Gasgeschwindigkeiten mit den simulierten, durch die Anpassung der Massenströme korrigierten Geschwindigkeiten bei der Zylinderabschreckung ist in Bild 9 dargestellt. Die Genauigkeit der experimentellen Ergebnisse ist dabei, insbesondere im Bereich der gemessenen Minima und Maxima, eingeschränkt durch die Baugröße der Heißfilmsonde, mit der lediglich ein über eine Länge von 3 mm gemittelter Messwert erfasst werden kann. Unter Berücksichtigung dessen können die Ergebnisse aus Experiment und Simulation als insgesamt gut übereinstimmend bewertet werden, womit die Anwendung des verwendeten Simulationsmodells bestätigt werden kann.

19 355 Düse 2 v [m/s] 120 z 99 m/s Meßort 1 Düse 1 Düse m/s m/s Bild 9: Vergleich gemessene simulierte Geschwindigkeiten Nach erfolgter Verifizierung des Simulationsmodells der Gasgeschwindigkeitsverteilungen durch die experimentell ermittelten Ergebnisse für die untersuchten Geometrien (Zylinder und Ring) konnten die Simulationsergebnisse für die Wärmeübergänge von der Werkstückoberfläche an das Abschreckmedium analysiert werden. Bei stationärer Betrachtung des Wärmeübergangsproblems werden hierbei die lokal aufgelösten Wärmeübergangskoeffizienten an der Werkstückoberfläche punktweise für jede Gitterzelle als Datenfile ausgegeben. In Bild 10 (b) ist am Zylinderring die lokale Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten an der Werkstückoberfläche (Innen- und Außenseite) dargestellt a) b) 0 Bild 10: Asymmetrische Ringabschreckung: a) Geschwindigkeitsverteilung, b) Wärmeübergangskoeffizient

20 356 Die maximalen Werte der Wärmeübergangskoeffizienten resultieren aus den Bereichen, in denen die Gasströmung als Prallstrahl auf die Werkstoffoberfläche vertikal auftrifft (siehe Bild 10 (a)). Diese Bereiche sind, abhängig von der Gasgeschwindigkeit, entscheidend zur Einstellung eines mittleren Wärmeübergangskoeffizienten, der für die in Bild 10 (b) dargestellte Simulation (v = 150 m/s) einen flächengemittelten Wert von α surface = 396 W/m²K ergibt. Da die Simulationsrechnungen zum Abschreckmedium neben asymmetrischen auch für symmetrische Abkühlbedingungen (für das Teilprojekt A6) durchgeführt wurden, wurden die aus den jeweiligen Abkühlbedingungen ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten zum Vergleich gegenübergestellt. Bild 11 zeigt diese Gegenüberstellung des Simulationsergebnisses einer mit 250 m/s symmetrisch (links) und einer asymmetrisch (rechts) abgekühlten Zylinderprobe. Die Werte für die mittleren Wärmeübergangskoeffizienten (α surface ) wie auch die grafische Darstellung zeigen einen erwartungsgemäß deutlich höheren Wert bei der symmetrisch abgeschreckten Probe, der sich durch den größeren Anteil hoher Wärmeübergangskoeffizienten, in Bezug auf die Werkstückoberfläche, ergibt. Bild 11: Vergleich symmetrische asymmetrische Abschreckung

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