Investigations on the influence of machining and sulphur content on the fatigue strength of the quenched and tempered steel 42CrMo4+QT

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Frank Walther
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2016 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 320296624

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Die Randzoneneigenschaften von Bauteilen sind entscheidend für deren Funktionseigenschaften und werden durch die bei der Fertigung eingesetzten Bearbeitungsprozesse maßgeblich beeinflusst. Insbesondere bei spanenden Fertigungsverfahren wie dem Bohren entstehen durch die thermomechanischen Belastungen Veränderungen, sowohl an der Bohrungsoberfläche als auch im Randzonengefüge. Die mechanischen Lasten können dabei eine plastische Deformation des Randzonengefüges verursachen und damit verbunden zu einer Einebnung der Bohrungsoberfläche, Kornfeinung, Verfestigungseffekten und der Entstehung von Druckeigenspannungen beitragen. Zu hohe thermomechanische Lasten können hingegen zu ermüdungsfestigkeitsmindernden Schädigungen in der Bauteilrandzone führen, wie bspw. der Bildung von als „white-etching layer“ (WEL) bezeichneten spröden Randschichten. In dem Projekt wurde das Ziel verfolgt, durch technologische Untersuchungen grundlegende Erkenntnisse zur prozessbedingten Randzonenbeeinflussung beim Einlippentiefbohren des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT zu erlangen sowie die Prüfmethoden für prozessbedingte Randzonenveränderungen weiterzuentwickeln. Dabei lag ein Fokus auf der Analyse der im Prozess auftretenden mechanischen und thermischen Randzonenbelastungen, die bei unterschiedlichen Prozessparametern auf die Bohrungsrandzone wirken. Die resultierenden Randzoneneigenschaften wurden mit konventionellen und innovativen Methoden analysiert und hinsichtlich der Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit bewertetet. Die grundlegenden Erkenntnisse und Ergebnisse der technologischen Untersuchungen dienten als Grundlage für Modelle, um die prozessbedingten Randzonenveränderungen beim Einlippentiefbohren mittels Finite-Elemente-Simulation vorherzusagen. Das Einlippentiefbohren wurde dabei als Verfahren mit besonders hohem Potential zur mechanischen Beeinflussung der Randzoneneigenschaften identifiziert, da aufgrund des asymmetrischen Werkzeugaufbaus eine relativ hohe Passivkraft am Werkzeugkopf entsteht, die über Führungsleisten an die Bohrungswand übertragen wird. Durch die Analyse der thermomechanischen Werkzeug- und Randzonenbelastungen mittels eines dafür entwickelten Versuchsaufbaus wurden geeignete Prozessparameter identifiziert, um bereits während des Tiefbohrens die Randzonenintegrität gezielt zu beeinflussen und damit verbundene Funktionseigenschaften einzustellen. Zur Abdeckung eines breiten Spektrums an Prozessbedingungen wurden Untersuchungen unter Variation der Werkzeuggestalt, der Schnittwerte und der Kühlschmierstrategie durchgeführt und die jeweiligen Auswirkungen auf das thermomechanische Belastungskollektiv in Verbindung mit den Beurteilungskriterien der Randzoneneigenschaften analysiert.

Publications

• Steigerung der Schwingfestigkeit von Bauteilen durch eine gezielte Anpassung der Parameter beim Einlippenbohren. Unter Span / Machining Innovations Network, (2017), S. 22, ISSN 2365-7006
  Biermann, D. & Nickel, J.
  
• Barkhausen Noise Assessment of the Surface Conditions Due to Deep Hole Drilling and Their Influence on the Fatigue Behaviour of AISI 4140. Metals, 8(9), 720.
  Baak, Nikolas; Schaldach, Fabian; Nickel, Jan; Biermann, Dirk & Walther, Frank
  
• Einfluss des Tiefbohrens auf die Schwingfestigkeit*/Influence of deep hole drilling on the fatigue resistance of components made of quenched and tempered steel 42CrMo4+QT (AISI 4140). wt Werkstattstechnik online, 108(11-12), 767-772.
  Nickel, J.; Baak, N.; Biermann, D. & Walther, F.
  
• Influence of the deep hole drilling process and sulphur content on the fatigue strength of AISI 4140 steel components. Procedia CIRP, 71(2018), 209-214.
  Nickel, Jan; Baak, Nikolas; Biermann, Dirk & Walther, Frank
  
• Untersuchungen zum Einfluss der spanenden Bearbeitung und des Schwefelgehalts auf die Schwingfestigkeit des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT. Werkstoffe in der Fertigung, Ausgabe 4 (2018), S. 30-31, ISSN 0939-2629
  Nickel, J.; Baak, N.; Biermann, D. & Walther, F.
  
• Barkhausen noise-based fatigue life prediction of deep drilled AISI 4140. Procedia Structural Integrity, 18(2019), 274-279.
  Baak, Nikolas; Nickel, Jan; Biermann, Dirk & Walther, Frank
  
• Influence of the Feed Rate in the Single-Lip Deep Hole Drilling Process on the Surface Integrity of Steel Components. Lecture Notes in Mechanical Engineering, 198-212. Springer Singapore.
  Nickel, Jan; Baak, Nikolas; Walther, Frank & Biermann, Dirk
  
• Micromagnetic-Based Fatigue Life Prediction of Single-Lip Deep Drilled AISI 4140. Structural Integrity, 19-25. Springer International Publishing.
  Baak, N.; Nickel, J.; Biermann, D. & Walther, F.
  
• Qualification of an inner surface Barkhausen noise sensor for residual stress measurements of single-lip deep drilled AISI 4140 by means of X-ray diffraction. In: Proceedings of the 13th International Conference on Barkhausen Noise and Micromagnetic Testing, 23.9.- 26.9. 2019, Prag, Tschechien
  Baak, N.; Nickel, J.; Starke, P.; Biermann, D. & Walther, F.
  
• Analyse der thermischen Randzonenbeeinflussung beim Einlippentiefbohren. Unter Span - Das Magazin des Machining Innovations Network e. V., 2020, (2020), S. 14, ISSN 2365-7006
  Nickel, J.; Volke, P.; Baak, N.; Walther, F. & Biermann, D.
  
• Barkhausen noise-based assessment of single lip-deep drilling focused on fatigue life improvement of AISI 4140 component-near specimens. Fatigue 2021, Proceedings of the 8th Engineering Integrity Society International Conference on Durability and Fatigue (2021), S. 195-204
  Baak, N.; Nickel, J.; Deiters, A.; Biermann, D. & Walther, F.
  
• Micromagnetic approaches for microstructure analysis and capability assessment. Materials Characterization, 178, 111189.
  Baak, Nikolas; Hajavifard, Ramin; Lücker, Lukas; Rozo, Vasquez Julian; Strodick, Simon; Teschke, Mirko & Walther, Frank
  
• THERMAL INFLUENCE ON THE SURFACE INTEGRITY DURING SINGLE-LIP DEEP HOLE DRILLING OF STEEL COMPONENTS. MM Science Journal, 2021(3), 4636-4643.
  Nickel, J.; Baak, N.; Volke, P.; Walther, F. & Biermann, D
  
• Thermomechanical Impact of the Single-Lip Deep Hole Drilling on the Surface Integrity on the Example of Steel Components. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5(4), 120.
  Nickel, Jan; Baak, Nikolas; Volke, Pascal; Walther, Frank & Biermann, Dirk
  
• Investigation of the thermomechanical loads on the bore surface during single-lip deep hole drilling of steel components. Procedia CIRP, 108(2022), 805-810.
  Nickel, Jan; Baak, Nikolas; Walther, Frank & Biermann, Dirk
  
• Microstructure analysis of single-lip deep hole drilled bores by electron backscatter diffraction and magnetic Barkhausen noise. Procedia CIRP, 108(2022), 740-745.
  Baak, Nikolas; Nickel, Jan; Biermann, Dirk & Walther, Frank
  
• Analyse und Modellierung der thermomechanischen Beeinflussung der Randzoneneigenschaften beim Einlippentiefbohren von Bauteilen aus Vergütungsstahl. Dissertation (2023), Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen. ISBN: 978-3-8027-8924-3.
  Nickel, J.
  
• Beeinflussung der Randzonenintegrität tiefgebohrter Bauteile. MM Maschinenmarkt ,129, (2023) 1-2, S. 38-39
  Schmidt, R. & Nickel, J.:
  
• Mikromagnetische Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens und der Eigenspannungsrelaxation tiefgebohrter Proben des Vergütungsstahls 42CrMo4. Werkstofftechnische Berichte │ Reports of Materials Science and Engineering, 2023. Springer Fachmedien Wiesbaden.
  Baak, Nikolas
  
• Monitoring of the fatigue state of single-lip deep-drilled specimens made of the quenched and tempered steel AISI 4140 using micromagnetic methods. Tagungsband 5. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik (2023)
  Baak, N.; J. Nickel, D. Biermann & F. Walther