Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen

Karl Heeß

Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen

Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt – Grundlagen – Praxisbeispiele

© 2021 • expert Verlag

Dischingerweg 5 • D-72070 Tübingen

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Satz: pagina GmbH, Tübingen

ISBN 978-3-8169-8531-0 (Print)

ISBN 978-3-8169-0075-7 (ePub)

Inhalt

  Geleitwort zur 6. Ausgabe

  Geleitwort zur 5. Ausgabe

  Geleitwort zur 4. Auflage

  Geleitwort zur 3. Auflage

  Geleitwort zur 2. Auflage

  Geleitwort zur 1. Auflage

  Vorwort zur 6. Auflage

  Vorwort zur 5. Auflage

  Vorwort zur 4. Auflage

  Vorwort zur 3. Auflage

  Vorwort zur 2. Auflage

  Vorwort zur 1. Auflage

  Bildnachweis

 1 Grundlagen1.1 Definitionen1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen1.2.1 Volumenänderungen1.2.2 Verformungen1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen1.3.1 Volumenänderungen durch Umwandlung1.3.2 Maß- und Formänderungen durch thermische Spannungen1.3.3 Maß- und Formänderungen durch Überlagerung von thermischen Spannungen und Umwandlungen1.4 Vermeidbare Maß- und Formänderungen – Verzugspotenzial1.5 Methode Distortion Engineering1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren1.6.1 Durchhärten1.6.2 Anlassen1.6.3 Randschichthärten1.6.4 Einsatzhärten1.6.5 Nitrieren und Nitrocarburieren1.6.6 Glühen1.7 Maß- und Formänderungen – Ursachen aus der Prozesskette1.7.1 Grundlegende Einflussgrößen aus der Prozesskette1.7.2 Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen1.7.3 Ursachen aus der Prozesskette – Beispiele1.8 Verzugsprobekörper

 2 Berechnung von Maß- und Formänderungen2.1 Allgemeines zur Berechnung2.2 Eingabedaten2.2.1 Geometrie2.2.2 Wärmebehandlung2.2.3 Werkstoff2.3 Berechnungsgrundlagen2.3.1 Temperaturberechnung2.3.2 Umwandlungsberechnung2.3.3 Deformations- und Spannungsberechnung2.3.4 Anlassen2.4 Berechnungsergebnisse2.5 Beispiele2.6 Aktuelle Entwicklungen

 3 Literatur zum Grundlagen- und Berechnungsteil3.1 Literatur zu den Grundlagen3.2 Literatur zur Berechnung von Maß- und Formänderungen

  4 Beispielsammlung 4.1 Anleitung zum Gebrauch 4.2 Schlagwortverzeichnis 4.3 Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie 4.4 Ausgearbeitete Beispiele 4.5 Literaturverzeichnis „Ausgearbeitete Beispiele“ 4.6 Literaturverzeichnis „Nicht ausgearbeitete Beispiele“

  5 Fazit und Ausblick

  6 Aktuelle und ehemalige Autoren

Geleitwort zur 6. Ausgabe

In die 6. Auflage der Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen – Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt“ sind neue Erkenntnisse von insgesamt 10 weiteren internationalen Tagungen und 72 neuen Veröffentlichungen, die seit dem Erscheinen der 5. Auflage im Jahre 2016 stattgefunden haben bzw. erschienen sind, eingeflossen. Durch das fleißige Recherchieren der Mitarbeiter des AWT-Fachausschusses 15 „Maß- und Formänderung“ unter der Leitung von Gunther Schmitt von der ALD Vacuum Technologies GmbH konnte auf diese Weise die 6. Auflage aufbauend auf der 5. Auflage ergänzt, erweitert und verbessert werden.

Die große Anzahl von Tagungen und Veröffentlichungen, die sich mit dem Thema Maß- und Formänderungen auseinandersetzen, zeigt deutlich, wie wichtig das Verständnis für diese nicht vermeidbaren Effekte in der gesamten Fertigungskette von der Stahlerzeugung über die anschließende Weichbearbeitung und Wärmebehandlung und der abschließenden Hartbearbeitung der entsprechenden Bauteile von der Fachwelt eingeschätzt wird. Allein durch die Reduzierung von Maß- und Formänderungen können z.B. bei der Einsatzhärtung die Einsatzhärtungstiefen deutlich geringer festgelegt und damit die Aufkohlungsdauern beträchtlich verkürzt werden. Insgesamt können Bauteile so wirtschaftlicher produziert, preiswerter angeboten und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen sichergestellt werden. Unsere zahlreichen Lohn- und Betriebshärtereien können von dieser Entwicklung sicherlich profitieren.

Allein durch die Tatsache, dass momentan und auch noch zukünftig eine so große Menge von Fachleuten aus der Industrie, von den Hochschulen und Instituten sich mit dem Thema Verzüge auseinandersetzen, zeigt, dass nach wie vor auf diesem Gebiet hohe Forschungspotentiale vorhanden und viele Ergebnisse nicht verstanden oder nicht schlüssig erklärbar sind. Durch die immer schneller werdende Entwicklung von Simulationssoftware, die immer leistungsfähiger wird, stehen uns allerdings Werkzeuge zur Verfügung, um diese Rätsel zukünftig schneller zu lösen.

An der nun 6. Auflage haben dankenswerterweise insgesamt 42 Kolleginnen und Kollegen mitgearbeitet, von denen sich einige bereit erklärt haben, für bestimmte Themen als Kontaktperson zu fungieren und dem interessierten Leser bei speziellen Problemstellungen hilfreich zur Seite zu stehen.

Ein Grundgedanke unserer Arbeitsgemeinschaft für Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT) liegt in der Erklärung von Grundlagen, der Weitergabe von neuen Erkenntnissen an unsere Fachkolleginnen und -kollegen und der Übertragung der wissenschaftlichen Ergebnisse in die industrielle Praxis. Alle drei Aspekte werden in dieser Monographie hervorragend und in verständlicher Weise dargestellt. Ich möchte mich in aller Form bei allen Mitautorinnen und -autoren, die uns ihre knapp bemessene Freizeit geopfert haben, bedanken und empfehle Ihnen, liebe Leser, die spannenden Inhalte dieses Werks.

Dr. Winfried Gräfen

Moers

AWT Vorsitzender

Geleitwort zur 5. Ausgabe

Dank einer kontinuierlichen Überarbeitung und Erweiterung hat diese Verzugsmonographie nicht an Interesse und Wert verloren. Dies ist die 5. Auflage und damit 4. Überarbeitung innerhalb von 19 Jahren. Im Schnitt hat sich das Wissen somit alle 5 Jahre so stark weiterentwickelt, dass eine Aufarbeitung der Verzugsmonographie sinnvoll und nötig wurde. Es gibt wahrscheinlich kein anderes Thema, welches einen Fachausschuss über so viele Jahre kontinuierlich beschäftigt hat. Das zeigt die Komplexität und das stetige Interesse dieses Themas in der Fachwelt. Den Stand der Technik ermitteln, zusammenfassen und systematisch zur Verfügung stellen, ist eine große Wertschöpfung für die Entwickler und Wärmebehandlungsexperten unserer AWT Branche. Herzlichen Dank für den nebenberuflichen Einsatz an die Fachausschuss-Mitglieder.

Das Interesse an diesem Thema ist zunehmend internationaler geworden und auch die Vernetzung der Verzugsexperten hat international stattgefunden. So ist beispielsweise eine Verschmelzung der beiden internationalen Tagungen Quenching and Control of Distortion und International Distortion Engineering ab 2018 geplant. Auch die neuen aufgenommenen Veröffentlichungen in dieser 5. Auflage stammen zum Großteil von internationalen Tagungen.

Für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen haben heute kurze Entwicklungszeiten, geringe Entwicklungskosten sowie robuste Produktionsprozesse und Bauteilergebnisse in der Serie die höchste Priorität. Gerade die verstandenen Zusammenhänge zum Verzug für Simulationen zu nutzen haben hierfür einen großen Wert. Können doch so in einer frühen Phase am Schreibtisch Parameter- und Designvariationen umfassend analysiert werden und somit in der späteren Serienproduktion teure Designmodifikationen oder Nacharbeitskosten vermieden werden. Diese 5. Auflage macht nochmals verstärkt deutlich, dass für robuste Prozesse und damit beherrschbare Bauteilverzüge eine passende und in sich robuste Gesamtfertigungskette nötig ist. Diese Abstimmung und Optimierung der Teilprozesse aufeinander ist in der Entwicklungsphase, insbesondere in der Serienproduktionsentwicklung, zu berücksichtigen.

Diese Monographie erfüllt vollstens die Intention der AWT. Dies ist hier perfekt mit der Wissensweitergabe sowie Übertragung von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Praxis der Wärmebehandlung und Werkstofftechnik gelungen.

Dr. Michael Lohrmann

Friedrichshafen

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 4. Auflage

Das Thema dieses Buches steht nach wie vor im Zentrum des Interesses der Wärmebehandlungs-Fachleute. Die Experten im AWT-Fachausschuss 15 „Maß- und Formänderung“ haben ihre Sammlung von Grundlagenbetrachtungen, Untersuchungsergebnissen und Praxiserfahrungen ausgebaut, und viele neue Beiträge zeigen die aktuellen Arbeits-Schwerpunkte, aber auch die Herausforderungen, denen sich Forscher und Praktiker gegenübersehen.

Verfolgen wir z.B. das Arbeitsgebiet der Modellierung und Simulation durch das 14-jährige Leben dieser Monografie, so sehen wir, wie jedes gelöste Problem ein neues auf die Tagesordnung gesetzt hat oder, weniger pointiert, aber genauer, wie sich die Schwerpunkte im Lauf der Jahre verschoben haben.

In den 90er Jahren waren die verfügbaren Rechnerleistungen noch eine ernstzunehmende Grenze z.B. für die Feinheit der anwendbaren FEM-Netze und damit schon für die Genauigkeit der Modellierung der Bauteile und die Darstellung der Rechenergebnisse. Nicht dass heute Rechenzeiten und Modellgrößen gar kein Thema mehr wären, aber es ist dann doch wichtiger geworden, in den eigentlichen Algorithmen die große Anzahl der physikalischen Gesetze und der stofflichen Größen gültig einzuprogrammieren und nach und nach immer mehr Effekte mit zu berücksichtigen, die anfangs noch vereinfachend vernachlässigt werden mussten. Die Wärmebehandlung hat durch die gemeinsame Betrachtung und gegenseitige Beeinflussung der schon für sich allein umfangreichen Gebiete Mechanik, Thermik, Gefügeumwandlungen und (im Falle des induktiven Randschichthärtens) Elektromagnetismus eine enorme Komplexität im Vergleich zu anderen Arbeitsgebieten, die in dieser Zeit mit Simulationsergebnissen von sich reden gemacht haben, wie z.B. die Crashsimulation bei Autos.

Wenn dann die Modelle und Gleichungen alle standen, fehlten oft die genauen Kennwerte für Werkstoffe und Medien, vor allem diejenigen, die gar nicht direkt oder zumindest einfach messbar sind, z.B. die bei hohen Temperaturen. Es ist eines der großen Verdienste des Bremer SFB 570, uns hier mit vielen Daten und Kennfeldern versorgt zu haben. Andere Arbeiten haben die erforderlichen Daten auch aus der Anpassung von parametrierten Rechnungen an passend dazu geplante Versuchsreihen gewonnen. Überhaupt scheint mir der früher manchmal zu beobachtende unselige Antagonismus von Rechnung und Versuch doch gewichen dem Bewusstsein, dass eine Rechnung nichts anderes ist als die Anwendung eines mathematisch formulierten Versuchsergebnisses, und dass gerade in dieser Anwendung der höchste Wert eines Versuchs liegen kann.

Je genauer man nun die realen Material-Kennwerte gemessen hat, desto drängender wird dann die Frage, wie weit denn diese Werte auch gültig sind, da doch das nächste Werkstück, die nächste Schmelze schon wieder ein klein wenig anders ist. Will ich noch genauer rechnen als ich messen bzw. meine Prozesse regeln kann? Wieviel Aufwand muss ich vorab treiben, um meine Materialien und Prozesse zu charakterisieren, damit meine Rechenergebnisse auch für meinen konkreten Fall zutreffend sind?

Die große Lösung für alle Fragen auf einmal wird noch lange auf sich warten lassen. Wir können aber in diesem Band sehen, dass Modellrechnungen mit großem Nutzen auf ganz spezifische Fragestellungen angewandt werden können, vor allem wenn sie sich mit gezielt durchgeführten Versuchen ergänzen.

Ich danke den Mitgliedern des AWT-Fachausschusses „Maß- und Formänderung“ und allen, die hier mitgearbeitet haben, dafür, dass sie die vornehmste Aufgabe unseres Fachverbandes AWT tatkräftig umgesetzt und mit Leben erfüllt haben: die Weiterentwicklung unseres Fachgebietes im Austausch der Experten und die Verbreitung der Ergebnisse und Erfahrungen zum Nutzen der Anwender und unserer Nachwuchskräfte.

Dr. Stefan Hock,

Friedrichshafen

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 3. Auflage

Dies ist bereits die dritte Auflage der „Monographie Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung“. Neun Jahre sind seit dem Erscheinen der 1. Auflage im Jahre 1997 vergangen. Das Erscheinen dieser Neuauflage im Jahre 2006 zeigt, dass das Thema nicht an Aktualität verloren hat. Im Gegenteil, die Bedeutung dieses Themas ist heute größer als je zuvor.

Nachdem die Wärmebehandlungsprozesse selbst durch neue Verfahrensentwicklungen, neue Ofentechnologien, Sensoren und Prozessrechnersteuerungen immer präziser und wirtschaftlicher geworden sind, liegt das größte Kosteneinsparungspotential bei der Wärmebehandlung heute in der Reduzierung der Nacharbeitskosten. Und diese hängen nun einmal so gut wie allein von den bei der Wärmebehandlung entstehenden Maß- und Formänderungen ab.

Die „Net-shape“-Wärmebehandlung, d.h. die Wärmebehandlung komplett ohne Nacharbeit, ist die große Herausforderung dieses Jahrzehntes. Sollte sie gelingen könnten Milliarden von Euros pro Jahr allein in Deutschland eingespart werden. Die Gründung des Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ (SFB 570) am Institut für Werkstofftechnik in Bremen im Jahre 2001 zeigt die große wirtschaftliche Bedeutung, die der Aufgabenstellung der Erforschung der Ursachen für die Entstehung von Verzug und der Entwicklung von Maßnahmen zu seiner Vermeidung beigemessen wird.

Durch die bisher vorliegenden Ergebnisse der Arbeiten innerhalb des SFB ist klar geworden, dass Maß- und Formänderungen eine Eigenschaft des gesamten Systems des Herstellungsprozesses eines Bauteils sind, angefangen von der Stahlherstellung, über die Konstruktion, Halbzeugfertigung, Bauteilbearbeitung bis hin zur Wärmebehandlung. Ergo dürfen Maßnahmen zur Verzugsreduzierung nicht nur bei der Wärmebehandlung ansetzen, sondern müssen alle Systemkomponenten einbeziehen.

Bauteile erwerben mit jedem Durchschreiten eines Fertigungsschrittes einen bestimmten Anteil an Verzugspotential. Dieses zu erkennen und zu reduzieren, ehe sich das Potential bei der Wärmebehandlung in Verzug umsetzen kann, ist eine große Herausforderung, vor der wir heute stehen.

Eine andere ist, einem erkannten und definierten Verzugspotential eines Bauteils durch gezielte, gesteuerte Wärmebehandlung so entgegenzuwirken, dass es neutralisiert wird und bei der Wärmebehandlung keine Maß- und Formänderungen auslösen kann.

Ehe wir diese Zielsetzungen erreicht haben werden, wird noch eine geraume Zeit vergehen. Wir sind aber auf dem richtigen Weg. Dies wird durch die Zusammenstellung der Arbeiten in dieser Monographie deutlich belegt. Sie gibt einen Überblick über die neuesten Ergebnisse der Forschungen auf diesem Gebiet und kann insbesondere dem Praktiker wertvolle Hinweise zu Ursachen der Entstehung von Maß- und Formänderungen und deren Vermeidung geben.

Dr. Bernd Edenhofer,

Kleve

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 2. Auflage

Das Thema Maß- und Formänderung ist aus den vielen Diskussionen über Fragen der Wärmebehandlung nicht wegzudenken. Nicht nur der entstehende wirtschaftliche Schaden, der jährlich durch die Vielzahl nicht beherrschter Abläufe bei der Fertigung wärmebehandelter Bauteile entsteht, sondern der besonders in den letzten Jahren entstandene Informations- und Wissensaufbau haben das große Interesse an diesem Thema, vor allem seitens der mit der Wärmebehandlung von Bauteilen Beschäftigten, noch weiter erhöht.

Dabei handelt es sich bei den Maß- und Formänderungen, die auch eng mit den Abläufen während der unterschiedlichen Wärmebehandlungsprozesse verbunden sind, um ein Ergebnis, das von vielen einzelnen Faktoren und nicht nur von der Wärmebehandlung alleine, beeinflusst wird. Neben den physikalischen und damit systematischen Größen sind es vor allem diejenigen Einflussfaktoren, die in der Fertigung der betroffenen Bauteile begründet sind und sich damit der oben genannten Systematik entziehen. Nur das Wissen über diese Zusammenhänge hilft uns bei der Beherrschung der gesamten Abläufe und erlaubt uns die Einstellung guter Ergebnisse besonders im Hinblick auf den maßlichen Endzustand.

Die erste Auflage des vorliegenden Buches hat einen maßgeblichen Beitrag zur Klärung der Zusammenhänge geleistet. Die Vielzahl von Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Maß- und Formänderung wurde von der Mitgliedern des AWT-Fachausschusses 15 kritisch gesichtet, diskutiert, bewertet und geordnet. In dieser Form stellten sie für uns eine große Hilfe bei der Bewältigung der tagtäglich auftretenden Probleme bei der Fertigung der vielfältigsten – auch sehr komplizierten – Bauteile dar: sowohl im Wärmebehandlungsbetrieb, als auch im Vorfeld bei der Information und Verpflichtung aller Beteiligten an dem Gesamtprozess.

Zwischenzeitlich stehen weitere Methoden zur Erforschung der Zusammenhänge in der Fertigungskette zur Verfügung. Eine sehr interessante Methode ist die Simulation. Sie stellt jene Möglichkeit dar, thermische und mechanische Abläufe während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Werkstoffeigenschaften und der wirkenden mechanischen Größen wie z.B. der im Bauteil herrschenden Eigenspannungen oder anderen Faktoren rechnerisch zu simulieren. Mit Hilfe der Simulation können diese Zusammenhänge besser sichtbar und damit auch erklärbar gemacht werden.

Der zweiten Auflage gebe ich den Wunsch mit, dass sie ein ebenso umfangreiches Interesse erfährt wie die erste Auflage und damit einen weiteren wichtigen Beitrag zur Minimierung und Vergleichmäßigung der Maß- und Formänderung bei der Wärmebehandlung von Bauteilen in der Praxis liefert. Mit diesem Wunsch verbinde ich meinen aufrichtigen Dank an die Mitarbeiter dieses Fachausschusses, die diese Beiträge neben ihrer beruflichen Tätigkeit und der beruflichen Anspannung im Namen der AWT geleistet haben.

Helmut Mallener,

Markdorf

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 1. Auflage

Maß- und Formänderungen (Verzug) infolge Wärmebehandlung haben Härterei-Fachleute von jeher sehr beschäftigt, denn diese beeinflussen in schwerwiegender Weise Folgekosten durch Nacharbeit oder Ausschuss, welche die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen können. Dementsprechend ist dieses Thema in der Fachliteratur auch immer wieder und zwar vorwiegend für Einzelfälle, abgehandelt worden. Für Werkstücke aus Stahl sind grundsätzliche Zusammenhänge, wie Volumenänderungen durch Umwandlungen, Einfluss von thermischen Spannungen beim Anwärmen und besonders beim Abschrecken sowie deren Überlagerung meistens mit einfachen Modellen (Zylinder, Prismen) mehr oder weniger anschaulich dargestellt worden. Durch Einflüsse des Umwandlungsverhaltens (Härtbarkeit) des Stahls, Randschichthärten, Bildung von Diffusionsschichten, Geometrie der Werkstücke (Form und Größe), Abschreckintensität ist dieses Problem so vielschichtig, dass eine systematische Übersicht sehr erschwert wird.

Es ist deshalb sehr zu begrüßen, dass der AWT-Fachausschuss „Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlungen“ seine in jahrelanger Gemeinschaftsarbeit gewonnene Übersicht über dieses komplizierte Gebiet in dieser Monographie der Öffentlichkeit zur Verfügung stellt. In einem ersten Teil werden die Grundlagen ausführlich und gut verständlich beschrieben, wobei auch kurz auf die Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung von Maß- und Formänderungen eingegangen wird. Für den Härterei-Praktiker von besonderem Nutzen dürfte die umfangreiche und systematische Sammlung von konkreten Fallbeispielen aus der Literatur und aus der Praxis von Mitgliedern des Fachausschusses sein.

Die Monographie gehört deshalb in die Hand eines jeden Wärmebehandlers. Sie ist geeignet zur persönlichen Weiterbildung, als Handbuch und schließlich als Ergänzung zu Wärmebehandlungskursen.

Urs Wyss,

Zürich