Experimentelle Untersuchungen und Simulationen der Eigenspannungsausbildung und des Verzugsverhalten

Die Simulation von Fertigungsprozessen hat sich immer stärker als ein entscheidendes Werkzeug im Rahmen des Simultaneous Engineering etabliert. Durch Simulationen der kompletten Fertigungskette können Entwicklungszeiten verkürzt und Verfahren optimiert werden. Der Bereich der Wärmebehandlung von Stählen mit vergleichsweise langen Prozesszeiten und komplexen Veränderungen des Werkstoffzustandes im Bauteil würde dem Einsatz von Simulationswerkzeugen ein breites Anwendungsgebiet mit vielfältigen Optimierungsmöglichkeiten ermöglichen. Bei der Wärmebehandlung von Stählen beeinflussen die Bauteilgeometrie, die Werkstoffzusammensetzung, das Verfahren und der Ablauf der einzelnen Prozessschritte sowie der Ausgangszustand des Bauteilwerkstoffes das Maß- und Formänderungsverhalten der Bauteile während der Wärmebehandlung. Um Zeiten bei der Nachbearbeitung wärmebehandelter Bauteile bzw. Hartbearbeitung bei gehärteten Bauteilen zu minimieren, sollten die nach einer Wärmebehandlung zurückbleibenden Maß- und Formänderungen möglichst gering sein. Deshalb muss derzeit für eine wirtschaftliche Prozessführung für spezielle Anwendungen ein zeit- und kostenintensives "trial-and-error"-Verfahren durchgeführt werden, um den Prozess für das jeweilige Bauteil zu optimieren. Dies steht jedoch dem Ziel der industriellen Fertigung entgegen, entsprechend der ständig kürzer werdenden Produktzyklen, die Entwicklungsdauer für neue Produkte zu verkürzen. Hier liegt die große Bedeutung der Simulation von Wärmebehandlungsprozessen, da bei hinreichend realitäts nahen Simulationen die entstehenden Eigenspannungsverteilungen und Verzüge berechnet werden können. Der experimentelle Aufwand für die Einführung einer Wärmebehandlung für neuartige Bauteile würde sich dadurch erheblich vermindern. Mit zunehmendem Kenntnisstand über die potentiellen Einflussgrößen und ihre Auswirkungen auf den Werkstoffzustand, insbesondere die Ausbildung von Verzügen wärmebehandelter Bauteile und der breiten Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechner, wurden in den letzten Jahren kommerzielle Programme für die 3D-Simulation von Wärmebehandlungen entwickelt. Dies eröffnet für Verfahrensentwicklungen im Bereich der Wärmebehandlung die Möglichkeit, an Stelle von Musterteilen bereits im Modell erste Abschätzungen zur Prozessführung zu treffen. Die Berechnung von Gefügeund Härteverteilungen kann konkrete Hinweise auf notwendige Abschreckbedingungen, Anlagentechnik oder Chargierbedingungen geben. Berechnete Eigenspannungsverteilungen und Verzüge sind sehr hilfreich für die Entwicklung und Konstruktion neuer Bauteile, die Lebensdauerabschätzung dieser Bauteile sowie für die Optimierung bzw. Minimierung der notwendigen Hartbearbeitungsprozesse. Dem breiten Einsatz von Simulationsprogrammen dieser Art in der industriellen Anwendung stehen z.Zt. oft noch unzureichende Kenntnisse über spezifische Eingabeparameter entgegen. So sind vielfach die von Temperatur, Gefüge und Werkstoffzusammensetzung abhängigen Werkstoffkennwerte sowie verfahrenstypische Kenndaten, wie z.B. die Wärmeübergangszahlen für die in der Praxis angewandten unterschiedlichen Abkühlungsbedingungen austenitisierter Bauteile nur lückenhaft vorhanden. In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von mit Hilfe des kommerziellen Finite­ Elemente-Programms DEFORM-HpM durchgeführte 2D-Simulationen von Zylindern aus Ni-Cr-Mo-Stählen mit gleichen Legierungselementanteilen aber mit drei unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten bei Gasabschreckung vorgestellt. Es wurden die Temperatur-, Gefügeund Deformationsentwicklungen und die nach Temperaturausgleich zurückbleibenden Eigenspannungen und Verzüge untersucht. Der Übergang von der 2D-Simulation einer einfachen Zylindergeometrie zur 3D-Simulation realer Bauteilgeometrien erfolgte am Beispiel zweier realer Einsatzhärtungsprozesse von Getriebebauteilen aus dem Einsatzstahl 16MnCr5. Von allen untersuchten Stählen werden die detaillierten Eingabedatensätze aufgeführt. Zur Verifikation der Rechnungen dienten die Ergebnisse entsprechender Wärmebehandlungsexperimente.