Bend-Straightening of Case-hardened Shafts - Scientific Basis and Modeling
Final Report Abstract
Ziel der Arbeiten war es, die beim Biegerichten einsatzgehärteter Komponenten auftretenden Plastizierungen genauer zu studieren und insbesondere die damit verbundenen Änderungen des Eigenspannungszustandes sowie der Restaustenitverteilung zu erfassen. Dazu wurden sowohl Untersuchungen an Biegebalken mit definierten randnahen Kohlenstoff- bzw. Härteverteilungen als auch an verschiedenen realen Getriebewellen durchgeführt. Weiterhin wurde ein Finite-Elemente- Modell erstellt, mit dem sich Biegerichtprozesse simulieren lassen. Zur Bestimmung der lokalen mechanischen Eigenschaften in der einsatzgehärteten Randzone als Eingangsgrößen für Simulationsrechnungen wurden Miniaturzugproben mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten wärmebehandelt und anschließend in Zugversuchen geprüft. Die Herstellung der Biegeproben war zunächst mit Schwierigkeiten verbunden, weil aufgrund einer nicht erwarteten ausgeprägten Karbidbildung in der Randzone bei der Richtsimulation anrissfrei keine hinreichenden plastischen Randdeformationen erreicht werden konnten. Inzwischen liegen aber Probenchargen mit verbesserten randnahen Gefügezuständen vor, so dass damit die geplanten Untersuchungen möglich sind. Die bisher erzielten Ergebnisse – und auch die Untersuchungen an realen Getriebewellen – bestätigen die Arbeitshypothese, dass beim Biegerichten komplexe inhomogene Plastizierungen als Funktion des Randabstandes auftreten. Diese werden, neben dem Lastspannungsgradienten, durch das Ausmaß der Randentkohlung bei der Wärmebehandlung, die Restaustenittiefenverteilung sowie die durch den Kohtenstoffgradienten geprägte Tiefenverteilung der mechanischen Eigenschaften bestimmt. Außerdem spielen auch die durch die Wärmebehandlung entstandenen Eigenspannungen für das Einsetzen plastischer Deformationen eine wichtige Rolle. Somit liegen nicht nur über dem Randabstand sondern auch auf der zug- bzw. druckbeanspruchten Probenseite bzw. über dem Umfang gerichteter Wellen Unterschiede in den resultierenden Eigenspannungen vor. Über der Biegehöhe können die Eigenspannungsverteilungen dann bis zu sieben Nulldurchgänge bzw. Vorzeichenwechsel aufweisen. Aufgrund der Verzögerungen bei der Wärmebehandlung geeigneter Probenzustände sind die vorgesehenen Experimente bisher noch nicht abgeschlossen. Auch die geplanten Simulationsrechnungen mit dem erstellten Finite-Elemente Programm sind noch nicht vollständig durchgeführt. Sämtliche Arbeitspakete werden aber im Rahmen des Promotionsprojektes von Herrn Dipl.-lng. Chr. Schott zum Abschluss gebracht und bewertet.
Publications
- Consequences of Bend Straightening Processes on Residual Stresses and Strength of Quenched and Tempered Steels. Proceedings 5th Int. Conference on Distortion Engineering 2015, herausgeg. von H.-W. Zoch und Th. Lübben, Bremen, 23. – 25. Sept. 2015, S. 277 – 287
Chr. Schott, A. Ellermann, W. Zinn, B. Scholtes
(See online at https://doi.org/10.3139/105.110283) - Werkstofftechnische Grundlagen des Biegerichtens. HTM J. Heat. Treatm. Mat. 70 (2015) S. 4 - 18
B. Scholtes, A. Ellermann, D. Baunack, A. Kraus, W. Zinn
(See online at https://doi.org/10.3139/105.110246) - Consequences of Bend Straightening Processes on Residual Stresses and Strength of Quenched and Tempered Steels. HTM J. Heat Treatm. Mat. 71 (2016) S. 75 – 82
Chr. Schott, A. Ellermann, W. Zinn, B. Scholtes
(See online at https://doi.org/10.3139/105.110283) - Eigenspannungen – die Regel und nicht die Ausnahme. In: Fortschritte in der Werkstoffprüfung für Forschung und Praxis, herausgeg. von Hans-Jürgen Christ, Tagung Werkstoffprüfung 2016, 1. – 2. Dez. 2016, Neu-Ulm, Verlag Stahleisen GmbH, Düsseldorf, 2016, S. 1 – 12, ISBN 978-3-514-00830-4
B. Scholtes
- Bend Straightening of a Carbonitrided Gear Shaft – Consequences on Residual Stresses and Retained Austenite Near the Surface. HTM J. Heat. Treatm. Mat. 72 (2017) S. 145 – 153
C. Schott, W. Zinn, B. Scholtes, T. Niendorf
(See online at https://doi.org/10.3139/105.110320)
