Projekt im Forschungsbereich
Tribologie und Oberflächengestaltung

 

Kornfeinung in der Randzone von metallischen Werkstoffen durch maschinelles Oberflächenhämmern (FinePeening)

In metallischen Werkstoffen hat die Korngröße einen direkten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass eine Kornfeinung zu einer Festigkeitssteigerung, einer höheren Härte und Dauerfestigkeit sowie einer verbesserten Verschleißbeständigkeit führt. Da die Randzone der am stärksten beanspruchte Bereich eines Bauteils ist, empfiehlt sich eine lokale Veredelung der Randzone. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in der Bauteilrandzone besteht in der Erzeugung eines feinkörnigen Gefüges mithilfe des mechanischen Randzonenverfestigungsverfahrens des maschinellen Oberflächenhämmerns (MOH). Das MOH ist ein inkrementelles Umformverfahren, welches sich durch hochfrequente Schläge eines sphärischen Hammerkopfes auszeichnet. Dabei wird die Oberfläche eingeglättet, Druckeigenspannungen in das Werkstück eingebracht sowie eine Kaltverfestigung in der Bauteilrandzone erreicht. Die Ursache-Wirkungszusammenhänge zwischen den MOH-Prozessparametern und der resultierenden Kornfeinung sowie deren Einfluss auf die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit sind bislang jedoch noch unerforscht.

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines materialphysikalischen Erklärungsmodells der Ursache-Wirkungszusammenhänge zwischen den Prozessparametern des MOH und der resultierenden Kornfeinung in der Randzone ausgewählter metallischer Werkstoffe. Darüber hinaus werden die Auswirkungen der Kornfeinung auf die Bauteileigenschaften hinsichtlich Verschleißbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit untersucht. Dazu erfolgt in einer ersten Projektphase die phänomenologische Modellierung und makroskopische Beschreibung der Ursache-Wirkungszusammenhänge zwischen den Prozessparametern des MOH und der auftretenden Kornfeinung in der Werkstückrandzone. In einem ersten Schritt wird hierfür die Randzone von 42CrMo4 und X5CrNi18-10 Werkstoffen in experimentellen MOH-Versuchen bearbeitet und mithilfe verschiedener Charakterisierungsmethoden beschrieben. Dazu zählen neben der Gefügeanalyse (Korngrößenverteilung, Versetzungsdichte und -anordnung) auch die Oberflächenrauheit, Makro- und Mikrohärte sowie Eigenspannungen. In einem zweiten Schritt wird auf Basis der Finite-Elemente-Methode ein numerisches MOH-Prozessmodell mithilfe der Software Abaqus aufgestellt. Die mittels implementierter Kraft- und Wegsensorik aufgezeichnete Prozesskinematik dient der Validierung des numerischen Prozessmodells. Dieses wird darüber hinaus mit einem versetzungsdichten basierten Materialmodell gekoppelt, welches die zeitlich und örtlich aufgelöste Darstellung der Versetzungsdichte als interne Variable ermöglicht. In einem dritten Schritt wird die Thematik untersucht, inwiefern durch eine gezielte Kornfeinung in der Werkstückrandzone durch MOH die Verschleißbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit gegenüber unbehandelten Werkstücken verbessert werden kann. Dazu werden Verschleißanalysen auf einem Pin-on-Cylinder Tribometer und Ermüdungstests zur Ermittlung der Schwingfestigkeit mittels Wöhlerversuch durchgeführt. Eine abschließende Synthese der Erkenntnisse erlaubt die valide Deduktion eines Beschreibungsmodells zur Kornfeinung mittels MOH.


Die Projektpartner danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des vorgestellten Forschungsprojekts Kornfeinung in der Randzone von metallischen Werkstoffen durch maschinelles Oberflächenhämmern (FinePeening).



 

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Ansprechpartner(in):
Robby Mannens, M.Sc. RWTH Aachen
Gruppenleiter(in)
Cluster Produktionstechnik 3A 342
Tel.: +49 241 80-28244
Fax: +49 241 80-628244
Mail: R.Mannens@wzl.rwth-aachen.de