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B-Bereich: Prozesssimulation der Herstellung einsatzgehärteter pulvermetallurgischer Zahnräder

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Philipp Nusskern
 
  Motivation und Ziele:
Um eine porositätsbedingte Durchkohlung von pulvermetallurgisch erzeugten Bauteilen beim Einsatzhärten zu vermeiden, kann der Wärmebehandlung eine mechanische Oberflächenbehandlung vorangestellt werden.
Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines durchgängigen Simulationstools zur Beschreibung der kompletten Prozesskette bei der Herstellung hochfester pulvermetallurgischer Bauteile am Beispiel eines pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrads. Aufbauend auf der Prozesskette Füllen, Pressen Sintern und Festwalzen, bearbeitet durch den Projektpartner IWM Fraunhofer, sollen Simulationen für die Einsatzhärtung aufgebaut werden, um eine Vorhersage der Bauteilkontur, des durch Porosität, Gefüge, Härte und Eigenspannungen charakterisierbaren Bauteilzustands sowie der resultierenden Bauteileigenschaften zu ermöglichen. Damit sollen quantitative Aussagen zur Optimierung des Fertigungsprozesses hinsichtlich der Bauteileigenschaften ermittelt werden.
Untersuchungen Ergebnisse
Für die numerische Beschreibung des Einsatzhärtens sind Materialparameter in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehaltes und der Porosität notwendig. Der für den Aufkohlvorgang erforderliche effektive Diffusionskoeffizient wurde simulativ aus Aufkohlexperimenten an Proben homogener Dichte bestimmt. Für die numerische Beschreibung des Abschreckens wurde das Umwandlungsverhalten mittels Abschreckdilatometrie, das mechanisch Verhalten über Deformationsdilatometrie und die thermophysikalischen Kennwerte mit Laser-Flash-Analysen und DSC-Messungen ermittelt. Mit einer mechanischen Oberflächenbehandlung vor dem Einsatzhärten konnte ein definiertes Kohlenstoffprofil und damit  eine Randschichthärtung pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder realisiert werden. Hinsichtlich der thermochemischen Wärmebehandlung sind die aufgebauten numerischen Tools in der Lage die Kohlenstoffverteilung und die Gefügeentwicklung gut vorherzusagen. Der Eigenspannungszustand, insbesondere die randnahen Druckeigenspannungen, werden derzeit überschätzt. Dennoch zeigen die Simulationen das Potential zur Beschreibung des Einsatzhärtens gradiert poröser PM-Bauteile.