Gezielte Beeinflussung der Flüssigkeitsabschreckung in der Wärmebehandlung metallischer Bauteile mittels Oberflächenstrukturierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In zahlreichen Wärmebehandlungsverfahren metallischer Werkstoffe spielt das rasche Abschrecken eine zentrale Rolle, beispielsweise beim martensitischen Härten von Stählen oder beim Ausscheidungshärten von Aluminiumlegierungen. Ziel des Abschreckens ist die Einstellung übersättigter Mischkristalle, die entweder selbst hohe Mischkristallverfestigungen aufweisen oder Ausgangszustände für nachfolgende Teilchenverfestigungen darstellen. Das Abschrecken sollte einerseits so rasch wie nötig zur Einstellung der gewünschten Werkstoffstrukturen und Eigenschaften erfolgen. Andererseits sollte es so langsam und gleichmäßig wie möglich erfolgen, um Bauteilverzug und Eigenspannungen zu verringern. Überwiegend wird das Abschrecken in Bädern aus verdampfenden Flüssigkeiten durchgeführt. Vorteile des Abschreckens in Bädern aus verdampfenden Flüssigkeiten sind ein geringer Aufwand und hohe mittlere Abschreckgeschwindigkeiten, Nachteil die ungleichmäßige Abschreckung aufgrund des Leidenfrost-Effekts. Der Stand der Forschung konzentriert sich auf die Einflussgrößen des Abschreckprozesses selbst, nicht aber auf die Oberflächenstruktur des Wärmebehandlungsguts. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Forschungsansatz verfolgt. Nicht mehr Abschreckmedium und Abschreckeinrichtung, sondern die Oberflächenstruktur des Wärmebehandlungsguts sollen als gezielt einstellbare Einflussgröße betrachtet werden. Die bei der vorherigen Zerspanung gezielt eingebrachte Oberflächenstrukturierung soll die verschiedenen Phasen der Flüssigkeitsabschreckung, insbesondere die Filmphase beeinflussen. Dazu ist kein zusätzliches Fertigungsverfahren notwendig, da die Bauteile vor der Wärmebehandlung in der Regel immer zerspanend bearbeitet werden. Dadurch soll mit einem sehr geringen zusätzlichen Aufwand bei der Weichbearbeitung des Wärmebehandlungsguts Einfluss auf die Geschwindigkeit und Gleichmäßigkeit der Flüssigkeitsabschreckung genommen werden. Das Ziel des Projekts, die gezielte Beeinflussung der Flüssigkeitsabschreckung von Stahlund Aluminiumzylindern, vor allem die gezielte Verkürzung der Filmsiedephasen mittels Oberflächenstrukturierung des Wärmebehandlungsguts konnte erreicht werden. Die Hypothesen des Antrags, dass insbesondere hohe relative Oberflächenvergrößerungen durch spanende Bearbeitung sowie Schichten mit niedriger Temperaturleitfähigkeit zu einer signifikanten Verkürzung der Filmsiedephase beitragen konnten bestätigt werden. Hohe relative Oberflächenvergrößerungen bewirken gemeinsam mit tiefen Oberflächenstrukturen eine effektive Wärmeabfuhr und rasche Abkühlung an Strukturspitzen und dadurch eine Destabilisierung des Dampffilms. Schichten mit niedriger Temperaturleitfähigkeit bewirken an der Grenzfläche Bauteil/Abschreckflüssigkeit einen raschen Temperaturabfall unter die Leidenfrost-Temperatur. Durch gezielte Ausnutzung dieser Wirkmechanismen kann insbesondere an Aluminiumzylindern die Wiederbenetzungsdauer in den ms-Bereich gesenkt werden. Dies führt bei homogenen Oberflächenstrukturierungen zum Vorteil von lokal sehr gleichmäßigen Abkühlungen, wie sie allein durch Variation der Abschreckparameter nicht erreicht werden können. Gleichzeitig eröffnet sich hier ein Potenzial für die lokale Beeinflussung der Flüssigkeitsabschreckung durch gezielt inhomogenen Oberflächenstrukturierungen. Selbst lokale Oberflächenstrukturierungen mittels Ultrakurzpulslaser auf lateralen Flächen von wenigen mm² können das Flüssigkeitsabschrecken signifikant beeinflussen. Damit steht mit der Oberflächenstrukturierung des Wärmebehandlungsguts zukünftig eine neuartige gezielte Einflussmöglichkeit auf die Flüssigkeitsabschreckung zur Verfügung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influencing on Liquid Quenching by Surface Structuring, International Journal of Thermal Sciences 101 (2016) 133-142
Nikolay Kozlov, Olaf Keßler
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Surface Structuring as a Method to Influence on Rewetting during Liquid Quenching, Proceedings of the 23rd IFHTSE Congress, April 18–21, 2016, Savannah, Georgia, USA, ASM International, 2016
Nikolay Kozlov, Olaf Kessler
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Fine Surface Structures Influencing on Liquid Quenching, HTM J. Heat Treatm. Mat. 75 (2020) 3, 137-151
R. Steuer, N. Kozlov, O. Keßler
