Untersuchungen zur kontrollierten Wärmebehandlung von Stahlschmiedebauteilen aus der Schmiedewärme

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1 Leibniz Universität Hannover Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen Untersuchungen zur kontrollierten Wärmebehandlung von Stahlschmiedebauteilen aus der Schmiedewärme Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens, Dipl.-Ing. M. Kazhai, Hannover,

2 Gliederung 1. Motivation und Projektstruktur EcoForge 2. Versuchsplanung und Versuchsaufbau 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Numerische Untersuchungen Seite 2

3 Gliederung 1. Motivation und Projektstruktur EcoForge 2. Versuchsplanung und Versuchsaufbau 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Numerische Untersuchungen Seite 3

4 Motivation Prozesskette Seite 4

5 Projektstruktur AFP- / HDB-Stahl Einsatzstahl TP 1 38MnVS6 / HDB 18CrNiMo7-6 TP 2 Warmmassivumformung Warmmassivumformung TP 5/6 Geregelte Abkühlung/ Bainitisieren Geregelte Abkühlung/ Bainitisieren IWT Verfahrenstechnik TP 3/4 Kaltkalibrieren /Lauwarmumformen Heiß- /Kaltzerspanung Heiß- /Kaltzerspanung IWT Fertigungstechnik TP 2 Einsatzhärten IWT Werkstofftechnik Seite 5

6 Demonstratorbauteile Abgesetzte Welle Railbauteil Voll-Vorwärts-Napf-Rückwärts- Warmfließpressen Gesenkschmieden und Warmabgraten Seite 6

7 Demonstratorbauteile und werkstoffspezifische Zielgefüge Bauteil Werkstoff Zielgefüge AFP-Stahl (38MnVS6) Homogen, bainitisch HDB-Stahl (22MnSiCr6-6-5) Homogen, bainitisch AFP-Stahl (38MnVS6) Homogen, ferritisch/perlitisch HDB-Stahl (22MnSiCr6-6-5) Homogen, bainitisch Einsatzstahl (18CrNiMo7-6) Homogen, bainitisch Homogen, ferritisch/perlitisch Seite 7

8 Gliederung 1. Motivation und Projektstruktur EcoForge 2. Versuchsplanung und Versuchsaufbau 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Numerische Untersuchungen Seite 8

9 Experimentelle Versuchseinrichtung Industrieroboter KR 16-2 F-S (Fa. Kuka) Werkzeugsystem Spindelpresse SPR500 (Fa. Lasco) Kammerofen N41/H (Fa. Nabertherm) Abkühleinrichtung Verfahrbare Tischplatte Geifersystem mit Überlastsicherung und aktiver Wasserkühlung Adapterstück für die Rohteilmanipulation Vollautomatisierte Schmiedezelle Seite 9

10 Versuchsaufbau und parameter für das Warmfließpressen Fließpressstempel Vorstauchstufe Kopfplatte Stößel Ofenerwärmung Rohteiltemperaturen: HDB-Stahl: 1200 C AFP-Stahl (38MnVS6): 1150 C Einsatzstahl (18CrNiMo7-6): 1150 C Werkzeuggrundtemperatur: 150 C Schmierung: Berulit 740/88 Dispersion von Graphiten verschiedener Partikelgrößen in einem halbflüssigen Fett auf Mineralölbasis 92 mm Heizmanschette 40 mm Fließpressmatrize 150 mm Maschinenanschläge Werkzeugsystem (Voll-Vorwärts-Napf-Rückwärts-Warmfließpressen) Grundplatte 50 mm Geometrie der abgesetzten Welle Seite 10

11 Vollautomatisierter Schmiedeprozess abgesetzte Welle Seite 11

12 Versuchsaufbau für das Gesenkschmieden und Warmabgraten Abgratstempel Abgratstufe Schmiedestufe Kopfplatte Kraftmesskörper Rohteil Schmiedeteil mit Grat Railbauteil Grat Niederhalter Obergesenk Untergesenk Werkstoff: PbSb4 Stadienfolge Railbauteil Maschinenanschläge Grundplatte Werkzeugsystem (Gesenkschmieden mit Grat und Warmabgraten) Railbauteil Seite 12

13 Vollautomatisierter Schmiedeprozess Railbauteil Seite 13

14 Gliederung 1. Motivation und Projektstruktur EcoForge 2. Versuchsplanung und Versuchsaufbau 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Numerische Untersuchungen Seite 14

15 REM-Aufnahmen des AFP-Stahls Umformgrad φ [-] Erkenntnisse Mittelwert der Härteverteilung beträgt ca. 300 HV30 Ferritisch perlitisches Gefüge ist lokal unterschiedlich verteilt Im Kern der abgesetzten Welle große Perlitinseln mit geringen Anteilen an Ferrit erkennbar An der Außenkontur vorwiegend gleichmäßige Verteilung der Ferrit- und Perlitanteile Lokale Umformgrade in der abgesetzten Welle Seite 15

16 REM-Aufnahmen des HDB-Stahls Erkenntnisse Druckluftkühlung mit vier Düsen für 100 Sekunden ausreichend zur Einstellung von Bainit Mittelwert der Härteverteilung beträgt ca. 400 HV30 Relativ identisches Gefüge Seite 16

17 REM-Aufnahmen des Einsatzstahls Ferrit // Perlit Erkenntnisse Einstellung des ferritisch perlitischen Gefüge mit einer kontinuierlichen Abkühlung von 1150 C auf Raumtemperatur innerhalb von 16 Stunden in einem Kammerofen Relativ homogenes Gefüge mit einer mittleren Härte von ca. 300 HV30 Druckluftkühlung mit vier Düsen für 80 Sekunden ausreichend zur Einstellung von Bainit Homogenes Gefüge mit einer mittleren Härte von ca. 340 HV30 Bainit Seite 17

18 Mechanische Eigenschaften Stahlwerkstoff R p0,2 [MPa] R m [MPa] A g [%] A v [J] AFP-Welle ,5 16 AFP-Rail ,5 19 Einsatzstahl-Welle (Bainit) Einsatzstahl-Welle (Ferrit/Perlit) , ,1 15 HDB-Welle ,4 17 HDB-Rail ,6 13 Seite 18

19 Gliederung 1. Motivation und Projektstruktur EcoForge 2. Versuchsplanung und Versuchsaufbau 3. Experimentelle Untersuchungen 4. Numerische Untersuchungen Seite 19

20 Numerische Abbildung der Gefügeevolution Numerische Abbildung der Gefügeevolution in Abhängigkeit der Formänderung und des Abkühlverhaltens in geschmiedeten Bauteilen Programmtechnische Implementierung folgender Modelle in simufact.forming Johnson-Mehl-Avrami (JMA)-Gleichung zur Vorhersage der Gefügeanteile Ferrit, Perlit und Bainit Koistinen-Marburger (KM)-Gleichung zur Abbildung diffusionsloser Umwandlungsvorgänge (Martensitbildung) diffusionsgesteuert diffusionslos Seite 20

21 Numerische Abbildung der Gefügeevolution Berechnungen der Phasenübergänge basieren auf ZTU Daten (isotherm & kontinuierlich) ZTU-Datenbank in simufact.forming mit JMtaPro berechnet Möglichkeit der Einbindung experimentell ermittelter ZTU-Daten Daten Digitalisierung & Einbindung Zur Berücksichtigung der Umformhistorie und damit zur präziseren Vorhersage der Phasenumwandlung sollte Einbindung von UZTU Diagrammen erfolgen Notwendigkeit der Heranziehung von mehreren UZTU-Datensätzen, da Prozess umformgradabhängig ist Dies stellt noch eine Herausforderung dar, das zur Berechnung bisher nur ein Diagramm herangezogen werden kann Seite 21

22 Gegenüberstellung experimenteller und simulierter Phasen - Wasserabkühlung Perlit [%] Bainit [%] 15 Martensit [%] Experimentelle Gefügebestimmung (TP1) Numerisch berechneter Phasenverlauf Werkstoff: 38MnVS6 Erkenntnisse Abgleich zeigt gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und numerisch ermittelten Werten Abkühlung mit Wasser erfolgt zu schnell Seite 22

23 Gegenüberstellung der experimentell und numerisch ermittelten Härte Gute Übereinstimmung zwischen experimentell und numerisch ermitteltem Härteprofil Härte HV [-] 486 Härte HV max min Werkstoff: 38MnVS6 Kühlmedium: Wasser Numerisch ermitteltes Härteprofil Härtemessungen Seite 23

24 Gegenüberstellung experimenteller und simulierter Phasen - Wasserabkühlung Perlit [%] Bainit [%] 15 Martensit [%] Experimentelle Gefügebestimmung (TP1) Numerisch berechneter Phasenverlauf Werkstoff: 38MnVS6 Erkenntnisse Abgleich zeigt gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und numerisch ermittelten Werten Abkühlung mit Wasser erfolgt zu schnell Seite 24

25 Gegenüberstellung experimenteller und simulierter Phasen Martensit [%] 15 Bainit [%] Werkstoff HDB (22MnSiCr-6-65) Experimentelle Gefügebestimmung (TP1-Aachen) Erkenntnisse Zielgefüge Bainit Abkühlstrategie: Druckluft + freie Konvektion Abgleich zeigt gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und numerisch ermittelten Werten Seite 25

26 Leibniz Universität Hannover Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen Untersuchungen zur kontrollierten Wärmebehandlung von Stahlschmiedebauteilen aus der Schmiedewärme Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens, Dipl.-Ing. M. Kazhai, Hannover,