Ultraschallunterstütztes Flüssigkeitsabschrecken bei der Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In zahlreichen Wärmebehandlungen metallischer Bauteile ist das Abschrecken ein entscheidender Schritt. Das Abschrecken wird überwiegend in Flüssigkeitsbädern (Wasser, Öl) vorgenommen. Vorteile der Flüssigkeitsabschreckung sind der relativ geringe Aufwand und die hohen mittleren Abschreckgeschwindigkeiten. Nachteil ist die sehr ungleichmäßige Abschreckung durch das Verdampfen der Flüssigkeit an der Bauteiloberfläche. Eine neuartige Variante ist die ultraschallunterstützte Flüssigkeitsabschreckung. Dabei soll der Dampffilm auf der Bauteiloberfläche zerstört und die Abschreckung rascher und gleichmäßiger werden. Im Zuge dieses Projekts wurden ein flexibles Abschrecksystem zur ultraschallunterstützten Flüssigkeitsabschreckung aufgebaut, umfangreiche Versuche zur ultraschallunterstützten Wasser- und Ölabschreckung von Zylindern der Aluminiumlegierung EN AW-6082, des austenitischen Stahls X5CrNi18-10 und des martensitisch umwandelnden Stahls C45E durchgeführt sowie umfangsabhängige Wärmeübergangskoeffizienten als Grundlage für die Abschrecksimulation bestimmt. Sowohl bei einseitiger als auch bei zweiseitiger Ultraschallunterstützung der Wasser- und Ölabschreckung konnten vor der/den Sonotrode(n) raschere und in axialer Richtung gleichmäßigere Abschreckungen erzielt werden. Die bei einseitiger Ultraschallunterstützung auftretende Ungleichmäßigkeit in Umfangsrichtung konnte durch die beidseitige Ultraschallunterstützung deutlich reduziert werden. Die Verwendung weiterer Sonotroden lässt einen nahezu kompletten Ausgleich dieser Ungleichmäßigkeit in Umfangsrichtung erwarten. Bei allen untersuchten Werkstoffen und Abschreckmedien führen ein geringer werdender Abstand zwischen Sonotrode(n) und Probe, eine zunehmende Größe der schallabgebenden Fläche(n) sowie eine ansteigende Ultraschallamplitude zu einer zunehmenden Destabilisierung des Dampffilms und zu einer zunehmenden Verringerung der Gesamtabkühldauer. Dies wird mit dem mit zunehmender Amplitude und abnehmendem Abstand steigenden Schalldruck sowie mit der mit zunehmender Sonotrodenfläche steigenden Schallleistung erklärt. Darüber hinaus kommt es auch in der Filmsiedephase zu einer zunehmenden Beschleunigung. Trotz der sehr raschen Abschreckungen ist sowohl die einseitig als auch die zweiseitig ultraschallunterstützte Wasser- und Ölabschreckung in Bezug auf Rissbildung für die untersuchten Werkstoffe, Probengeometrien und Abschreckparameter als unkritisch zu betrachten. Durch die Möglichkeiten, mit Hilfe der Ultraschallunterstützung die Abschreckung einerseits zu beschleunigen und zu vergleichmäßigen, andererseits jedoch auch gezielt ungleichmäßig abschrecken zu können, ergibt sich ein breites Feld an Einsatzmöglichkeiten der ultraschallunterstützten Flüssigkeitsabschreckung. Die Beschleunigung und Vergleichmäßigung der Abschreckung lässt sich beim Durchhärten nutzen. Bei Stählen mit niedriger Einhärtbarkeit können die durchhärtbaren Abmessungen vergrößert werden, während sich bei Stählen mit hoher Einhärtbarkeit eine Verringerung von Verzug und Eigenspannungen erzielen lässt. Die gezielt ungleichmäßige Abschreckung hingegen lässt bei Stählen mit geringer Einhärtbarkeit eine gezielte lokale Härtung zu, während sich bei Stählen mit hoher Einhärtbarkeit wiederum Verzug und Eigenspannungen gezielt beeinflussen lassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Charakterisierung der Abschreckwirkung einer ultraschallunterstützten Wasserabschreckung von Aluminiumzylindern, HTM Journal of Heat Treatment and Materials, 66 (2011) 5, 281-289
Redmann R., Keßler O.
- Heat transfer coefficients of ultrasonic assisted water quenching of AlSi1MgMn-cylinders, Proc. 3rd International Conference on Distortion Engineering 2011, Sept 14-16, 2011, Bremen, Germany, 525-532
Redmann R., Reich M., Keßler O.
- Ultrasonic assisted water quenching of aluminium and steel cylinders, Proc. 19th Congress of the International Federation of Heat Treatment and Surface Engineering 2011, Oct 17-20, 2011, Glasgow, Scotland
Redmann R., Keßler, O.
- Ultrasonic assisted water quenching of aluminium and steel cylinders, International Heat Treatment and Surface Engineering, 6 (2012) 3, 115-121
Redmann R., Keßler O.
