HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 61 Issue 4

HTM Journal of Heat Treatment and Materials

Volume 61 Issue 4

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Partielles Niederdruckaufkohlen durch lokale Aufbringung von Diffusionssperrschichten im Sol-Gel-Verfahren∗

J. Vetterlein, A. Mehner, B. Felde May 9, 2013 Page range: 178-185

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Abstract

Kurzfassung Zur Randschichthärtung werden Bauteile wie Wellen, Lager oder Zahnräder einer thermochemischen Randschichtbehandlung durch Aufkohlen mit anschließender Härtung durch Abschrecken unterzogen. Eine Randaufkohlung des gesamten Bauteils ist dabei häufig unerwünscht, wenn die Spanbarkeit, Duktilität oder Schweißbarkeit lokal erhalten bleiben soll. In diesem Fall werden derzeit vor dem Aufkohlungsprozess Teile der Bauteiloberflächen mit Härteschutzpasten behandelt, die lokal die Eindiffusion von Kohlenstoff in die Randschicht verhindern. Derartige Abdeckpasten weisen eine Reihe von Einschränkungen auf, die durch eine keramische Beschichtung, die im Sol-Gel-Verfahren aufgebracht wird, überwunden werden können. Bei dem Verfahren wird das flüssige Sol – ähnlich wie ein Lack – auf das Bauteil aufgebracht und bei der anschließenden Wärmebehandlung zu einer keramischen Schicht hoher Temperaturbeständigkeit ausgebrannt. Die Schichtabscheidung ist technisch einfach realisierbar und gesundheitlich unbedenklich. Aufgrund der geringen Schichtdicken im Mikrometerbereich kann das sonst in der industriellen Praxis übliche nachträgliche Entschichten entfallen. Außerdem wird durch das geringe Schichtvolumen die Verunreinigung von Abschreckbädern durch Schichtrückstände minimiert. Zu den wichtigsten Eigenschaften der neu entwickelten Sol-Gel-Diffusionssperrschichten zählt aber, dass sie auch beim Niederdruckaufkohlen eine sehr hohe Diffusionssperrwirkung erreichen und dass sie beim Niederdruckaufkohlen nicht ausgasen, sodass eine Kontamination der Aufkohlungsöfen ausgeschlossen ist.

Thermogravimetrische Messungen zur Charakterisierung der Reaktionskinetik beim Niederdruckaufkohlen∗

M. Steinbacher, B. Clausen, F. Hoffmann, P. Mayr, H.-W. Zoch May 9, 2013 Page range: 186-194

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Abstract

Kurzfassung Das Niederdruckaufkohlen findet aufgrund seiner verfahrenstypischen Vorteile – hoher Kohlenstoffübergang, Randoxidationsfreiheit, die Möglichkeit hoher Aufkohlungstemperaturen und damit Beschleunigung des Aufkohlungsvorgangs – immer mehr Anwendung in der Industrie. Insbesondere die Steigerung der Aufkohlungstemperatur in Kombination mit der erreichbaren hohen Randschichtqualität bietet großes Potenzial zur Kostensenkung im industriellen Einsatz. Ein großer Nachteil des Verfahrens liegt jedoch darin, dass der Prozess – im Gegensatz zum konkurrierenden Verfahren des Gasaufkohlens – nicht definiert regelbar ist. Die Niederdruckaufkohlung kann bisher nur gesteuert durchgeführt werden. Zum Einstellen des Kohlenstoffprofils im Bauteil werden alternierend Aufkohlungs- und Diffusionssequenzen durchgeführt, wobei Begasung, Segmenttemperatur und -dauer auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten beruhen, da genaue Daten zum Kohlenstoffübergang nicht vorliegen. Eine Regelung der Aufkohlung, basierend auf der Messung von Reaktionskomponenten wie bei der Gasaufkohlung, wird zwar für möglich gehalten, ist jedoch bisher nicht realisiert. Um eine genauere Prozesssteuerung durchführen zu können, muss somit die Abhängigkeit des Kohlenstoffmassenstroms von Prozessparametern, wie Temperatur, Aufkohlungsatmosphäre und Stahlzusammensetzung, bekannt sein. In diesem Artikel werden das Verfahren der Thermogravimetrie sowie damit durchgeführte Messungen mit dem Ziel der Klärung dieser Zusammenhänge dargestellt.

Prozessüberwachung und Regelung von Niederdruck-Aufkohlungsprozessen∗

H. Altena, F. Schrank, S. Heineck May 9, 2013 Page range: 195-206

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Abstract

Kurzfassung Derzeit werden Niederdruck-Aufkohlungen nach vorgegebenen, rechneroptimierten Behandlungsprogrammen gesteuert. Dies stellt eine gewisse Beschränkung bei der Prozessüberwachung und Qualitätssicherung dar, da bislang keine In-situ-Kontrolle des Kohlungsprozesses möglich war. Unzureichende Aufkohlung auf Grund fehlerhafter Begasung konnte demnach während des Prozesses weder erkannt noch korrigiert werden. Es wird über die Entwicklung eines Niederdruck-Kohlungssensors berichtet, der den Umsetzungsgrad von Acetylen durch Messung der Wasserstoffkonzentration im Reaktionsraum bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die Wasserstoffkonzentration erheblich von der Chargenoberfläche, der Beladungsdichte, der Behandlungstemperatur und der Begasungsmenge abhängig ist. Die gefundenen Zusammenhänge erlauben eine Prozesskontrolle sowie Prozessregelung der Niederdruck-Aufkohlung. Durch den vorgestellten Niederdruck-Sensor wird somit erstmals eine In-situ-Überwachung der Pyrolysereaktion bei der Niederdruck-Aufkohlung ermöglicht, was einen wesentlichen Fortschritt in der Qualitätssicherung von Niederdruck-Prozessen darstellt. Weiter lassen sich durch die Wasserstoffmessung Rückschlüsse auf die Reaktion an der Bauteiloberfläche ziehen und Probleme bei der Aufkohlung erkennen bzw., über die Regelung der Begasungsmenge, vermeiden.

Gasabschrecken mit Luft

J. Ohland, F. Hoffmann, H.-W. Zoch May 9, 2013 Page range: 207-214

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Abstract

Kurzfassung Die gemeinhin bekannten ökologischen Vorteile und Einsparpotenziale im Fertigungsprozess durch das Gasabschrecken führten zu einer raschen Weiterentwicklung dieser Technik. Als Nachteil werden häufig die Kosten der Abschreckmedien gesehen. Gasrecycling kann diese Kosten deutlich reduzieren. Diese Systeme sind aber ebenfalls teuer und benötigen Wartungsaufwand. Zusätzlich kann die Gasrückgewinnung die Prozessdauer verlängern. Wenn möglich, wird bei industriellen Anwendungen aufgrund der relativ günstigen Kosten und seiner chemischen Inaktivität Stickstoff verwendet. Der Einsatz von Luft statt Stickstoff als Abschreckgas würde die Verbrauchskosten bei ungefähr gleicher Abschreckleistung weiter deutlich senken, da weder Gasrückgewinnungssystem noch Lagerungseinrichtungen notwendig sind. Jedoch ist Luft nicht chemisch inaktiv. Der enthaltende Sauerstoff führt zur Oxidation an der Bauteiloberfläche und damit möglicherweise zur Schädigung der Randschicht der Werkstücke bei der Abschreckung. Um ein größeres Anwendungsfeld für die Luftabschreckung zu erschließen, fehlen verallgemeinerbare Aussagen. Im folgenden Artikel werden Möglichkeiten zum Einsatz von Luft als Abschreckgas vorgestellt.

In-situ-Nitridbildung in korrosions- und verschleißbeständigem Metallmatrix-Verbundwerkstoff

S. Weber, H. Berns May 9, 2013 Page range: 215-221

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Abstract

Kurzfassung Es wurde ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) bestehend aus einer härtbaren Stahlmatrix mit darin eingebetteten Titannitrid- oder Vanadiumnitrid-Partikeln entwickelt, die sich in situ während der Kompaktierung des Materials durch Heiß Isostatisches Pressen (HIP) bildeten. Die Zielsetzung war die Entwicklung eines verschleißbeständigen Werkstoffes mit chemischer Beständigkeit. Der Werkstoff wurde pulvermetallurgisch aus einem gasverdüsten ferritischen Stahl X4CrMo15-1 und gebrochenen Ferrotitan- bzw. Ferrovanadium-Partikeln hergestellt. Pulvermischungen dieser Komponenten wurden zum Aufsticken unter Stickstoffatmosphäre wärmebehandelt und anschließend mittels HIP zu einem verschleißbeständigen MMC kompaktiert. Nachfolgend soll auf die Prozessroute, die mit Hilfe von Thermo-Calc-Berechnungen entwickelt wurde, sowie auf die Eigenschaften der neuen Werkstoffe eingegangen werden.

Beschreibung der Umwandlungsplastizität auf Grund innerer Spannungen während der Phasentransformation des Stahles 100Cr6∗

M. Dalgic, G. Löwisch, H.-W. Zoch May 9, 2013 Page range: 222-228

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Abstract

Kurzfassung Der Verzug bei der Wärmebehandlung wird unter anderem den an verschiedenen Orten des Bauteils zeitlich unterschiedlich auftretenden Umwandlungsdehnungen zugeschrieben. Durch die schnelle Abkühlung des Bauteils entstehen infolge von Temperaturgradienten auch innere Spannungen im Bauteil. Diese Spannungen beeinflussen neben einer möglichen Überschreitung der Warmstreckgrenze und daraus entstehenden plastischen Verformungen auch das Umwandlungsverhalten des Werkstoffes. Zugspannungen führen im Allgemeinen zu einer Beschleuni-gung der Umwandlung und gleichzeitig zu einer Zunahme der Umwandlungsdehnung in Spannungsrichtung durch die sog. Umwandlungsplastizität. Es ist das Bestreben, durch Simulationsrechnungen eine Vorhersage des Verzugs und der erforderlichen Gegenmaßnahmen zur Verzugskompensation zu erhalten. Dazu ist es notwendig, das Werkstoffverhalten durch Modelle zu beschreiben, die wiederum in Finite-Elemente-Programme implementiert werden können. Für eine realistische Simulation ist es wichtig, Modelle zu entwickeln, die den Einfluss von Spannungen auf die Umwandlungsplastizität und die Umwandlungskinetik beschreiben. Dafür werden auf einem Gleeble-Umformdilatometer die inneren Spannungen durch äußere mechanische Spannun-gen simuliert. Dabei werden sowohl diffusionsgesteuerte als auch diffusionslose Umwandlungen unter dem Einfluss äußerer Spannungen untersucht. Verschiedene Literaturmodelle werden mit experimentellen Ergebnissen für den Werkstoff 100Cr6 verglichen.

Prüfungs- und Auswertungsmethoden des mikroskopischen Reinheitsgrades für Edelbau- und Wälzlagerstähle∗

E. Hénault, E. Barreira, R. Cecconi, R. Hechelski, O. Finot, D. Robat May 9, 2013 Page range: 229-235

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Abstract

Kurzfassung Einschlüsse im Stahl beeinflussen die Gebrauchseigenschaften von Produkten. Die Lebensdauer der Teile kann wesentlich verkürzt werden, wenn Größe und Verteilung von Einschlüssen beherrscht werden können. Die Kunden der Stahlhersteller verlangen immer höhere Garantien hinsichtlich der zulässigen Dichte dieser kritischen Ungänzen. Die Überwachung der Parameter in der Stahlerzeugung hat kontinuierliche Fortschritte in der Beherrschung der Anzahl und Größe der Einschlüsse ermöglicht. Deren Anwesenheit ist jedoch unvermeidbar. Und es ist gegenwärtig nicht möglich, die gesamte Produktion mit ausreichenden Messverfahren zu analysieren, um die Dichte der unterschiedlichen Einschlusspopulationen zu bestimmen. In der vorliegen-den Arbeit wurden mehrere Charakterisierungsmethoden der Einschlusspopulation mit einem Schwerpunkt über deren Komplexität ausgearbeitet. Der statistische Aspekt der Ergebnisse ist daher wesentlich, aber es ist sehr schwierig, die Daten durch Messungen zu erhalten. Darüber hinaus muss das Niveau der Unsicherheit der Ergebnisse berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der Aussage über die Produktqualität zu verbessern. Die Simulation der Prüfungen an virtuellen Mustern gestattet, diese Informationen zu erhalten.

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HTM is a bilingual (German-English) independently assessed and periodical standard publication that provides reports on all aspects of heat treatment and material technology in research and production. By publishing trend-setting contributions to research and practical experience reports, HTM helps in answering scientific questions as well as regarding investment decisions in the industry. All articles are subject to thorough, independent peer review.
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