Zweifrequenzhärteanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit und der Lebensdauer von Bauteilen aus Stahl und Aluminium, werden meist Wärmebehandlungen in ein- oder mehrstufigen Prozessen durchgeführt. Bei konventionellen ofenbasierten Prozessen, wie z. B. dem Einsatzhärten, wird die Randschicht in einem zeitaufwendigen Prozess mit Kohlenstoff angereichert, um so die Härtbarkeit zu erhöhen. Im Vergleich hierzu wird bei den thermischen Kurzzeithärteverfahren, wie dem Induktionshärten, die Randschicht des Bauteils innerhalb weniger Millisekunden mit einer Induktionsspule erwärmt. Die Eindringtiefe wird dabei maßgeblich durch die Frequenz, Heizzeit und Leistungsdichte bestimmt. Die Vorteile des Induktionshärtens sind neben dem geringeren Verzug und der geringeren Prozesszeit, die Möglichkeit des Anpassens des Randschicht- und Kerngefüges an die auftretenden Belastungen. Jedoch ist noch ein zu geringes Prozessverständnis für eine optimale Prozessauslegung vorhanden. Die zur Verfügung stehende Zweifrequenzhärteanlage hat eine Gesamtleistung von 850 kW, bei der 400 kW auf Mittelfrequenzleistung und 450 kW auf Hochfrequenzleistung entfallen. Für Mittel- und Hochfrequenz sind je zwei Frequenzbänder wählbar. Ziel der Anlage war es zunächst ein Grundlagenverständnis bezüglich geeigneter Prozessparameter und erzeugbaren Gefüge zu erhalten, um optimale Bauteilzustände zu erhalten und Grenzen des Induktionshärtens auszuloten. Zur Anpassung der Randschichteigenschaften von geradverzahnten Zahnrädern wurden zunächst Parameterstudien durch Variationen der Frequenzen durchgeführt. Während den Experimenten wurden Temperaturmessungen mit Thermoelementen aufgenommen und mit den Möglichkeiten der vereinfachten Bestimmung der erreichten Temperaturen mit thermo-induzierten Lacken verglichen. Durch eine Anpassung des Versuchsaufbaus konnten die Temperaturmessungen in den realen Härteprozess integriert werden. Zur Analyse der entstandenen Härtebilder wurden Schliffbilder, Härtemessungen und Eigenspannungen bestimmt. Weitere Variationen wurden im Ausgangszustand des Werkstoffs vorgenommen: Es wurden die Ergebnisse der vergüteten Zahnräder mit denen der normalisierten verglichen. Um die gesamte Prozesskette der Wärmebehandlung abzubilden, wurde ebenso das Potential des induktiven Anlassens der Zahnräder und ebenso von zylinderförmigen Ersatzgeometrien untersucht. Im Weiteren wurde eine Spule entwickelt, welche additiv gefertigt wurde, um auch Werkstücke mit komplexerer Geometrie fertigen zu können. Um ein besseres Prozessverständis zu erhalten, um den Entwicklungsprozess zu unterstützen und um eine Vorhersage der zu erwartenden Gefüge, Härteverteilungen und Eigenspannungen treffen zu können, die durch das Induktionshärten entstehen, wurde ein Simulations-Framework entwickelt. Dazu wurden die ablaufenden Gefügeumwandlungen, Temperaturen und Spannungsverteilungen beim Härten erfasst und beschrieben, um die gekoppelten, unterschiedlichen physikalischen Effekte, Wärmeverteilung und Wärmeleitung, sowie Phasenumwandlungsprozesse abzubilden. Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen wurden genutzt, um die Simulationen zu validieren. Hierbei konnte die Mikrostruktur des Gefügebildes mit dem berechneten Martensitanteil, sowie die experimentell bestimmten Eigenspannungen simulativ abgebildet werden. Ebenso konnten übereinstimmende gemessene und berechnete Temperatur- Zeit-Verläufe ermittelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimentally validated residual stresses and distortion prediction for dual frequency induction hardening. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 44, 127-135, 2014
M. Schwenk, J. Hoffmeister, V. Schulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11665-013-0566-3) - A novel procedure to account for high temperature gradients in induction dilatometer sample during rapid heating. Thermochimica Acta, 646, 8-15, 2016
D. Kaiser, B. de Graaff, S. Dietrich, V. Schulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tca.2016.10.014) - Induktive Wärmebehandlung - Effiziente Einstellung von Werkstoffeigenschaften. Jahresmagazin WAW Ingenieurwissenschaften. Im Fokus: Werkstofftechnik, 100-104, 2016
C. Grau, M. Habschied, B. de Graaff B, S. Dietrich
- Performance and Properties of an Additive Manufactured Coil for Inductive Heat Treatment in the MHz Range. Journal of Heat Treatment and Materials: Vol. 71, No. 5, pp. 212-217, 2016
M. Habschied, S. Dietrich, D. Heussen, V. Schulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/105.110294) - A comparison of different tem- perature measurement methods for dual frequency induction hardening, Proceedings of 24th IFHTSE Congress - European Conference on Heat Treatment and Surface Engineering, 26.-29.06.2017, Nizza, Frankreich, 2017
C. Grau, A. Osuna Arrieta, S. Dietrich, V. Schulze
- In-situ Prozessanalyse des induktiven Härtungsprozesses randschichtgehärteter Zahnräder. 6. Getpro Getriebekongress, 28.-29.03.2017, Würzburg, Bd. II, 1- 14, 2017
C. Grau, A. Osuna Arrieta, B. de Graaf, S. Dietrich, V. Schulze
- Investigation of the tempering process of martensitic AISI 4140 steel at high heating rates, Proceedings of 24th IFHTSE Congress - European Conference on Heat Treatment and Surface Engineering, 26.-29.06.2017, Nizza, Frankreich, 2017
D. Kaiser, B. de Graaff, S. Dietrich, V. Schulze
