Das Abschrecken von Stählen besteht aus dem Erhitzen eines Bauteils, um es in einen austenitischen Zustand zu versetzen, es abzukühlen, um den Austenit umzuwandeln. Ein rascher Abschreckprozess führt zu einer martensitischen Umwandlung, während ein langsamer eher Perlit mit dem verbleibenden Austenit erzeugt, was einer teilweise harten Struktur entspricht. Wärmebehandlung verleiht dem Material je nach Abkühlungsrate seine endgültigen Eigenschaften und Mikrostruktur. Es gibt verschiedene Abschreckverfahren: Eintauchen in ein Bad, Düsenprallkühlung, und Sprühnebel-Wasservergüten.
Was versteht man unter Sprühnebel-Wasservergüten?
Sprühnebel-Wasservergüten ist ein Wärmebehandlungsprozess basierend auf dem Abschreckverfahren, bei dem das Metallteil mit einem Abschreckmittel sprühgekühlt wird. Nach dem Erhitzen wird die heiße Oberfläche des Teils mit einem Strahl aus Gas, in dem kleinste Tröpfchen vorhanden sind, besprüht, um auf die gewünschte Temperatur abgekühlt zu werden. Das verwendete Abschreckmittel kann Wasser oder Öl sein.
Im Vergleich zu anderen Abschrecktechniken weist das Sprühnebel-Wasservergüten den Vorteil einer hohen Wärmeübertragung und einer gleichmäßigen Wärmeabführung auf. Darüber hinaus ist es durch die mögliche Anwendung einer breiten Amplitude von Abkühlungsraten durch einfaches Anpassen des Wasserdurchflusses auch besonders flexibel.
Beim Sprühnebel-Wasservergüten ändert sich der Wärmeübergangskoeffizient (HTC) durch:
- Sprühwinkel;
- Abstand zur Oberfläche;
- Winkel von Sprühstrahl & Oberfläche zueinander;
- Sprühwasser-Durchflussrate;
- usw.
Vorteile der Simulationsvorhersage
SIMHEAT® kann verwendet werden zum:
- Modellieren von Sprühstrahl und Ausrichtung
- Vorhersagen von Temperatur, Phasenumwandlung, HV- oder HRC-Härte, Verzerrung, Eigenspannung, Fließspannung, usw.
- Erstellen eines Kirkaldy-basierten TTT-Diagramms für niedrig legierte Stahlklassen
- Vorbeugen von Verzerrungen, die an jeder Art von Metall, inklusive Luftfahrtlegierungen auftreten können
- Verfolgen von Materialeigenschaften während der Wärmebehandlung
Wettbewerbsstarke Merkmale von SIMHEAT® für Sprühnebel-Wasservergüte
- SIMHEAT® integriert ein Modell, das thermische, mechanische und metallurgische Daten koppelt >MEHR ERFAHREN
- Das Optimierungsmodul bietet die Berechnung der Sprühwasser-Durchflussrate und der Sprühausrichtung anhand eines Umkehrungsanalyseverfahrens an.
- Die Gestaltung der Ausrüstung zum Sprühnebel-Wasservergüten kann durch Festlegen der Anzahl von Sprühsäulen, des Abstands zwischen den Sprays und der Durchflussrate, usw. individuell angepasst werden
Abb. 1 - Modellierung einer vertikalen Sprühnebel-Wasservergütung
- Ein Tool ist speziell zur Erstellung von Diagrammen kontinuierlicher Abkühlungsumwandlung (CCT) oder Zeit-Temperatur-Umwandlung (TTT) für niedrig legierte Stahlklassen kommt zur Anwendung
- Verzerrungsmodelle, anwendbar für alle Metallarten, einschließlich Legierungen für die Luftfahrt, stehen zur Verfügung
- Materialeigenschaften können während der Wärmebehandlung durch die Bestimmung von Sensoren verfolgt werden
Fallstudie: Sprühnebel-Wasservergütung einer Welle grosser Ausmasse bei Ofar (Giva Group)
Eine Fallstudie, die in Zusammenarbeit mit der Italienischen Firma Ofar der Giva Group beim Sprühnebel-Wasservergüten einer Welle mit großen Ausmaßen ausgearbeitet wurde, wird im Folgenden vorgestellt.
Abb 2 - Sprühnebel-Wasservergütung einer großen Welle - mit freundlicher Genehmigung der Giva Group (Italien)
Abbildung 3 zeigt die auf die Oberfläche der Welle angewandten Wärmeaustauschwerte in Abhängigkeit von den Prozessbedingungen an. Dabei kann beobachtet werden, dass dieser Wärmeaustausch nicht konstant ist, und sich der Haupteinflussfaktor in diesem Beispiel auf die Sprühposition und Ausrichtung bezogen hat.
Abb. 3 - Wärmeaustauschkoeffizient-Verteilung
Dabei wurde ein Sensor eingesetzt, um den Temperaturverlauf an der Wellenoberfläche aufzuzeichnen. In der folgenden Grafik ist der Temperaturverlauf während des Abschreckens zu sehen. Dabei kann beobachtet werden, wie die von dem Sensor aufgezeichnete Temperatur mit der Zeit abnimmt.
Abb. 4a - Sensor zum Aufzeichnen des Temperaturverlaufs an der Wellenoberfläche
Abb. 4b - Temperaturverlauf während des Abschreckens
Abbildung 4 zeigt die Phasenverteilung nach dem Abschrecken. Eine Bainit-Phase ist in der Mitte der Welle zu sehen. Da die Abkühlung an den Extremitäten schneller verläuft, ist dort das Auftreten einer Martensit-Phase zu beobachten.
Abbildung 5 - Phasenverteilung (Bainit und Martensit) nach dem Sprühnebel-Wasservergüten
Abbildung 5 zeigt die Wirkung des Abschreckens auf die erste Hauptspannung:
- Negative Werte in blau zeigen die hochverdichteten Bereiche auf.
- Positive Werte in gelb und rot zeigen Bereiche mit hoher Zugbelastung auf.
Im letzten Schritt der Animation sind Restspannungen zu beobachten.
Erster Hauptspannungsverlauf während des Abschreckens
In dieser Animation wurde die Verlagerung um das 10-fache verstärkt, um die durch die Sprühnebel-Wasservergütung induzierten Verzerrungen aufzuzeigen. Dadurch ist es möglich, das nicht verformte Modell mit der endgültigen, nach dem Abschrecken erhaltenen verzerrten Geometrie zu vergleichen.
Zum Ausgleichen der Verzerrungen kommt unter beinahe allen Umständen eine Bearbeitung zur Anwendung, und unsere Teams arbeiten bereits an der Modellierung dieses speziellen Schrittes. In naher Zukunft wird es möglich sein, den Eigenspannungsabbau nach dem Bearbeiten zu modellieren.
