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.
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:
SIMHEAT® kann verwendet werden zum:
Abb. 1 - Modellierung einer vertikalen Sprühnebel-Wasservergütung
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:
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.