HTM Journal of Heat Treatment and Materials Volume 67 Issue 1

HTM Journal of Heat Treatment and Materials

Volume 67 Issue 1

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Journal Overview

Vorwort

Herwig Altena, Eric J. Mittemeijer, Berthold Scholtes, Hans-Werner Zoch, Wolfgang Beisler May 31, 2013 Page range: 3-3

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Lokales Werkstoffengineering zur Modifizierung der Randschichteigenschaften von Aluminiumlegierungen mittels moderner Elektronenstrahl-Ablenktechniken*

Marco Klemm, Andrea Rose, Axel von Hehl, Ingrid Haase, Rolf Zenker, Rainer Franke, Armin Franke May 31, 2013 Page range: 4-12

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Abstract

Kurzfassung In der industriellen Praxis werden für moderne konstruktive Lösungen in beachtlichem Umfang Al-Werkstoffe genutzt. Die Umsetzung neuer Leichtbaulösungen wird jedoch aufgrund der Beanspruchungsbedingungen beschränkt, u. a. bzgl. Reibung/Verschleiß. Es sind Zusatzmaßnahmen zur beanspruchungsgerechten Modifikation der Randschichteigenschaften erforderlich. Als eine aussichtsreiche Methode bietet sich die Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasen-Randschichtbehandlung an, unter Nutzung der Möglichkeiten der hochfrequenten Strahlablenkung für ein lokales Werkstoffengineering. Die Herausforderungen bestehen hier insbesondere darin, schmelzmetallurgische Schichtverbunde mit hoher Qualität bzgl. Poren- und Rissfreiheit u. a. zu erzeugen und einen effizienten Verfahrensablauf zu garantieren. Am Beispiel industriell relevanter Al-Werkstoffe wurden EB-Flüssigphasenprozesse ohne und mit Verwendung von Zusatzstoffen untersucht. Die Resultate zeigen, dass sich mittels moderner EB-Mehrspot/-Mehrprozess-Technologien qualitativ hochwertige Randschichten mit neuartigen Struktur-, Gefüge-, Eigenschaftskomplexen mit Umwandlungstiefen bis 6 mm herstellen lassen. Im Vergleich zu den unbehandelten Werkstoffen können kennzeichnende mechanische Eigenschaften im oberflächennahen Bereich deutlich gesteigert werden. Untersuchungen zum Reibungs- und Verschleißverhalten verdeutlichen eindrucksvoll die Verbesserung der Randschichteigenschaften.

Veranstaltungen in Zusammenarbeit mit der AWT®

May 31, 2013 Page range: A7-A7

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Produkte, Dienstleistungen, Verfahren

May 31, 2013 Page range: A8-A20

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Erhöhung der tribologischen Beanspruchbarkeit von Aluminiumwerkstoffen durch die Kombination von Randschichtumschmelzlegieren und Nitrieren

Anke Dalke, Anja Buchwalder, Heinz-Joachim Spies, Horst Biermann, Marco Klemm May 31, 2013 Page range: 13-21

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Abstract

Kurzfassung Der Oberfläche von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen werden durch ein Plasmanitrieren erheblich verbesserte tribologische Eigenschaften verliehen. Die dünnen, harten Aluminiumnitridschichten versagen jedoch bei hohen Flächenpressungen durch die plastische Verformung des weichen Al-Substrates. Um nitrierte Al-Legierungen auch für tribologisch hohe Beanspruchungen nutzbar zu machen, sind zusätzliche Maßnahmen zur Abstützung der Nitridschicht notwendig. Dafür eignen sich hervorragend thermische Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasenbehandlungen wie das EB-Umschmelzlegieren (EBUL). Dabei werden durch das lokale Einlegieren eines geeigneten Zusatzstoffes die chemische Zusammensetzung der Randschicht modifiziert und neuartige, beanspruchungsgerechte Randschichten erzeugt. Die Kombination des EBUL mit dem Plasmanitrieren verbindet eine tief reichende Randschichtverfestigung mit der Erzeugung einer dünnen, harten Schicht und ermöglicht so die Herstellung gradierter Randschichtverbunde. Diese Verfahrenskombination, bestehend aus EB-Umschmelzlegieren mit Kupfer-, Nickel- und Eisen-Basis-Zusatzstoffen und Plasmanitrieren, wurde am Beispiel einer Al-Guss- (AlSi10Mg) bzw. Knetlegierung (AlMg4,5Mn0,7) untersucht. Der Fokus der Untersuchungen lag dabei auf der Bewertung der metallurgischen Kompatibilität beider Prozesse im Hinblick auf die thermische Stabilität der EBUL-Schichten bei Nitriertemperatur (470 °C) und deren Eignung für die Erzeugung einer Nitridschicht durch das nachfolgende Plasmanitrieren. Die durchgeführten Verschleißversuche verdeutlichen das Potenzial dieser Duplexbehandlung für Al-Legierungen.

Elektronenstrahl-Mehrprozesstechnik – Schweißen mit integrierter Wärmebehandlung

Karsten Rüthrich, Martina Mangler May 31, 2013 Page range: 22-30

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Abstract

Kurzfassung Die Kombination von Gießen und Schweißen in Hybridbauweise ist eine Erfolg versprechende Entwicklungsrichtung für viele Applikationen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau. Gusseisenwerkstoffe galten als nicht oder nur eingeschränkt schweißbar bzw. erforderten aufwendige zusätzliche technologische Maßnahmen, wie das Vor- und/oder Nachwärmen des gesamten Bauteils oder das Schweißen mit Zusatzstoff. Der Beitrag soll Möglichkeiten zur Minimierung des Fertigungsaufwands durch das Elektronenstrahl-Mehrbad-Schweißen von Gusseisen/Gusseisen- und Gusseisen/Stahl-Mischverbindungen ohne Zusatzstoff vorstellen. Insbesondere das EB-Schweißen mit zusätzlichen Thermofeldern führte zu riss- und porenfreien Schweißnähten mit gleichmäßiger Gefügeausbildung. Des Weiteren konnte dadurch die Aufhärtung in der Schmelz- und Wärmeeinflusszone signifikant reduziert werden.

Ermittlung der Härte-Zähigkeits-Beziehung für kurze Wärmebehandlungszyklen

Reinhold Schneider, Thomas Schlagradl, Christopher Schüller, Rick Grunwald May 31, 2013 Page range: 31-38

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Abstract

Kurzfassung Kurze Wärmebehandlungszyklen sind typisch für viele Fertigungsprozesse wie Randschichthärten und Schweißen. Diese Bedingungen sind durch schnelle Temperaturänderungen und große lokale Unterschiede im Temperaturverlauf gekennzeichnet. Um den Zusammenhang zwischen Härte und Zähigkeit unter derartigen Bedingungen zu untersuchen, wurde eine neue Methode entwickelt, basierend auf Kleinst-Kerbschlagproben und deren Behandlung in einem Dilatometer. Die Proben ermöglichen nicht nur die Prüfung von Schlagzähigkeit und (Kleinlast-)Härte, sondern auch Gefüge- und Bruchflächenuntersuchungen. Die Härte-Zähigkeits-Beziehung zeigt für weite Bereiche eine Austauschbarkeit von Zeit und Temperatur. Ausgenommen davon ist der Sekundärhärtebereich bei sehr kurzer Behandlungsdauer. Die Methode bietet damit auch die Möglichkeit zum Vergleich verschiedener Stähle und Schweißzusatzstoffe untereinander.

Modeling the relationship between hardness and spray cooling parameters for pinion shafts using a neuro-fuzzy model strategy

Zhuo Yu, Kostiantyn Kuznietsov, Iryna Mozgova, Vera Böhm, Thorsten Gretzki, Florian Nürnberger, Mirko Schaper, habil-Wilfried Reimche May 31, 2013 Page range: 39-47

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Abstract

The production of pinion shafts having a predefined hardness distribution faces the challenge of analytically describing the relationship between pinion shafts hardness and spray cooling parameters. The present work attempts to establish this type of mutual relationship based on radial basis function (RBF) neural networks regarding precision forged and spray-cooled pinion shafts. A method for increasing the ability of generalising RBF-Networks via fuzzy inputs is discussed. The results indicate that the relationship between the pinion shaft's hardness and spray cooling has been obtained by using the proposed network. The optimum process parameters can be selected to achieve the desired hardness profile on the basis of the predicted results.

Einfluss von CO und CO2 als Kohlenstoffspender auf den Verbindungsschichtaufbau beim Nitrocarburieren legierter Stähle*

Juan Dong, Franz Hoffmann, Heinrich Klümper-Westkamp, Hans-Werner Zoch May 31, 2013 Page range: 48-57

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Abstract

Kurzfassung Gasnitrocarburieren verbessert Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Bauteilen. Dies basiert in erster Linie auf der Verbindungsschicht, welche aus Carbonitriden besteht. Die Zusammensetzung und die Porosität der Verbindungsschicht sind wesentliche Einflussgrößen der Randeigenschaften. Sie werden durch die Nitrier-, Kohlungs-, und Oxidationskennzahl (K N , K C B und K O ) der Prozessatmosphäre beeinflusst. Im Allgemeinen wird über das Verhältnis Ammoniak (NH 3 ) zu Wasserstoff (H 2 ) die gewünschte Nitrierkennzahl K N eingestellt und über das Verhältnis Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO 2 ) die Kohlungskennzahl K C B . Daraus ergibt sich eine Oxidationskennzahl K O als abhängige Größe in der Prozessatmosphäre, da die Kohlenstoffspender CO und CO 2 gleichzeitig Sauerstoffspender sind. Zu dem Einfluss von CO und CO 2 und ihrem Verhältnis zueinander auf die relevanten Kennzahlen – und damit auf den Verbindungsschichtaufbau – gibt es bisher keine ausreichenden Angaben in der Literatur. Diese Arbeit berichtet über orientierende Untersuchungen dieser Fragestellung. Das Gasnitrocarburieren erfolgte an legierten Stählen (42CrMo4, X40CrMoV5-1, X40Cr14) unter Zusatz von CO bzw. CO 2 . Die resultierten Kennzahlen (K N , K C B und. K O ) wurden mithilfe von Sauerstoff- und Wasserstoffsensoren ermittelt, die erzeugten Randschichten mittels Lichtmikroskop und GDOES (glow discharge optical emission spectroscopy) charakterisiert. Die Ergebnisse belegen, dass CO 2 ein niedrigeres aufkohlendes, aber höheres oxidierendes Potenzial als CO aufweist. Als Folge der unterschiedlichen Potenziale beim Gasnitrocarburieren mit CO oder CO 2 werden das Wachstum und die Porosität der Verbindungsschicht stark beeinflusst. Das Ausmaß dieses Einflusses ist zusätzlich von der Zusammensetzung der nitrocarburierten Stähle abhängig. Anhand der Untersuchungsergebnisse werden mögliche Mechanismen der Porenbildung diskutiert.

Längere Lebensdauer mit reineren Einsatzstählen – was lohnt sich und wie rein ist rein?*

Stefan Hock, Dieter Wiedmann May 31, 2013 Page range: 58-64

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Abstract

Kurzfassung Nichtmetallische Einschlüsse (NE) können in einsatzgehärteten Bauteilen Risse auslösen und damit zu einem Bauteilversagen führen. Diese NE sind einerseits zu selten, um sie mit der mikroskopischen Reinheitsgradprüfung zu beschreiben, anderseits aber zu klein für die Erkennung mit Ultraschallprüfung (UT-Prüfung) am gewalzten Material im Stahlwerk. Diese Lücke kann mit der UT-Prüfung in Tauchtechnik nach dem Stahl-Eisen-Prüfblatt (SEP) 1927 [2] teils geschlossen werden. Die ZF Friedrichshafen AG hat mit der UT-Prüfung nach SEP 1927 Einsatzstähle charakterisiert und Probematerialien mit unterschiedlichen Reinheitsgraden definiert. Untersuchungen der Schwingfestigkeit im einsatzgehärteten Zustand ergaben extreme Unterschiede in der Lebensdauer in Abhängigkeit vom UT-geprüften Reinheitsgrad. Die UT-Prüfung in Tauchtechnik hat sich dabei als zweckmäßiges, aber immer noch nicht hinreichendes Prüfverfahren herausgestellt. Es zeigt sich, dass mit einer Differenzierung des Materials nach Reinheitsgrad unter Umständen eine erhebliche Differenzierung der Bauteile nach Schwingfestigkeit möglich ist.

Systematische Untersuchung verschiedener Einflussgrößen auf die Maß- und Formänderungen von einsatzgehärteten Stirnrädern*

Matthias Steinbacher, Holger Surm, Brigitte Clausen, Th. Lübben, Franz Hoffmann May 31, 2013 Page range: 65-78

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Abstract

Kurzfassung Hoch belastete Zahnräder werden üblicherweise wärmebehandelt, um den betriebsbedingten Belastungen zu widerstehen. Im Zusammenhang mit Bauteilen des Antriebstrangs, insbesondere Zahnrädern, wird häufig das Verfahren des Einsatzhärtens eingesetzt. Dabei werden verschiedene Verzüge beobachtet, deren Untersuchung im Folgenden dargestellt wird. Als Probekörper dienten schrägverzahnte kleinmodulige Stirnräder. Die Einsatzhärtung wurde in einer Zwei-Kammer-Vakuumanalage vom Typ IPSEN RVTC 224 mittels Niederdruckaufkohlen und Hochdruckgasabschreckung durchgeführt. Die Untersuchungen wurden durch die Anwendung von Design-of-Experiments (DoE)-Methoden unterstützend begleitet. Bezüglich ihres Einflusses auf den Verzug der Zahnräder standen die drei aufeinanderfolgenden Wärmebehandlungsschritte Erwärmen, Aufkohlen und Abschrecken im Fokus der Untersuchungen. Die in den Untersuchungen des Erwärmprozesses variierten Parameter sind der Chargenaufbau, der Wärmeübergangsmechanismus sowie die Temperatur der ersten Haltestufe für den Temperaturausgleich in der Charge. Die in der Aufkohlung variierten Größen sind die Aufkohlungstiefe und der Randkohlenstoffgehalt sowie die Atmosphäre während der Diffusions- und Haltephasen. Das Abschrecken wurde nicht variiert. Die Änderung der Maß- und Formabweichungen durch die Wärmebehandlung wurde durch 3-D-Koordinatenmessung des Grundkörpers und der Verzahnung vor und nach der Wärmebehandlung ermittelt. Die Einflüsse der untersuchten Parameter auf die Maß- und Formänderungen der Zahnräder wurden durch eine Varianzanalyse der Versuchsergebnisse statistisch bewertet und die Signifikanz verifiziert.

Tribologische Betrachtung moderner Chargiergestelle*

Maria Gilbert, Robert Eder, Volker Uhlig, Dimosthenis Trimis May 31, 2013 Page range: 79-85

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Abstract

Kurzfassung Bei der Beschickung von Chargiergestellen sowie deren Gebrauch in Wärmebehandlungsanlagen kommt es zu Relativbewegungen zwischen dem Gestell und dem behandelten Gut. Verhindern die im System wirkenden Haftreibungskräfte Gleitvorgänge, kann es bei hohen Temperaturen zu Bauteilverzug kommen. Die Auswirkungen einer Substitution herkömmlicher Edelstahlgussgestelle durch Gestelle auf Kohlenstoffbasis werden aus tribologischer Sicht untersucht. Während Metallpaarungen bei Temperaturen über 600 °C einen starken Anstieg der Reibwerte zeigen, werden oberhalb der genannten Temperatur bei den Tribosystemen 100Cr6/CFC und 100Cr6/Graphit niedrigere Reibwerte um 0,4 ermittelt. Alle bisherigen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass der Ersatz herkömmlicher Stahlgestelle durch CFC-Gestelle nicht nur im Hinblick auf Festigkeit, Thermoschockbeständigkeit, Erwärm-/Abkühldauern und Transportaufwand Vorteile bringt, sondern auch der Gefahr des Verzuges behandelter Bauteile entgegenwirkt.

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