Analysis and modeling of the inherent stresses of high-alloyed cast steel components with regard to the highest dimensional stability requirements

 

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer Modellkette und experimentellen Methoden zur Beschreibung der Evolution von inhärenten Spannungen bei der Herstellung eines Gehäusebauteils aus austenitischem Stahl.

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  Verteilung der Spannung in axialer Richtung ICMEaix Verteilung der Spannung in axialer Richtung in MPa, Schubspannung in der Schnittebene in MPa, Schubspannung senkrecht zur Schneidebene in MPa und Kunststoffäquivalente. Belastung in MPa.

Während des Betriebes eines gegossenen Gehäusebauteils aus austenitischem rostfreiem Stahl werden im Vergleich zum Lieferzustand Maßänderungen im Lagerbereich bestimmt. Diese treten nach einem Spannungsglühen des Bauteils nicht mehr auf. Weder aus Kosten noch aus Zuverlässigkeit und aus Sicherheitsaspekten ist dieser Zustand akzeptabel.

Die Analyse des Problems ergibt die folgenden Forschungshypothesen:

  1. Die grundlegenden mikrostrukturellen Eigenschaften, wie Makro- und Mikrosegregation, werden durch den Gießprozess eingestellt.
  2. Bei der Wärmebehandlung, die aus einem austenitisierenden Glühen und einer Abschreckung des Bauteils besteht, werden Restspannungen induziert.
  3. Diese Restspannungen werden durch die mechanische Bearbeitung verschoben.
  4. Im Betrieb führen lokale Strukturmerkmale, inhärente Spannungen und Betriebsbelastung zu einer martensitischen Phasentransformation, die eine Volumenänderung mit sich bringt und Verzerrungen verursacht.

Neben der notwendigen experimentellen Verifikation der Forschungshypothese soll der gesamte Prozess auf Mikro- und Makroebene simuliert werden. Dadurch wird nicht nur der aktuelle Prozess besser verstanden, sondern auch neue Möglichkeiten der Applikation des Materials durch präzisere Vorhersagen der Bauteileigenschaften entwickelt. Zu diesem Zweck wurden folgende Arbeiten durchgeführt:

  1. Materialcharakterisierung durch metallographische und Rasterelektronenmikroskopie,
  2. Bestimmung thermomechanischer Materialparameter,
  3. Messungen von inhärenten Spannungen in realistischen Probenteilen,
  4. thermomechanische Simulation der Wärmebehandlung,
  5. Simulation des Bearbeitungsprozesses,
  6. Simulation des optimierten Prozessparameters.

Zwei Pilotkomponenten wurden simuliert und getestet. Eine Komponente bestand die übliche Prozessroute und wurde lösungsgeglüht, abgeschreckt und bearbeitet. Die andere Komponente wurde vor der Bearbeitung zusätzlich vorgespannt. Im Allgemeinen zeigten die Simulationen der Restspannungen, einschließlich der Bearbeitung, eine gute Übereinstimmung mit der experimentellen Spannungsanalyse. Wie erwartet, wurden große Unterschiede in Bezug auf die Restspannungswerte zwischen den beiden Komponenten beobachtet. Die Materialcharakterisierung zeigt einerseits, dass keine Makrosegregationen technologisch relevanter Größe vorhanden sind. Auf der anderen Seite zeigt sich, dass sich die Elemente Chrom und Molybdän zwischen den Dendritenarmen und Nickel ansammeln. Dies kann Potential für lokale mechanisch induzierte martensitische Transformationen haben.

 

Projektpartner

Organisation Anschrift
Gießerei-Institut,
RWTH Aachen
Intzestr. 5,
52072 Aachen
ACCESS e.V. Intzestr. 5,
52072 Aachen
Otto Junker GmbH Jägerhausstr. 22,
52152 Simmerath-Lammersdorf



 

Veröffentlichungen

  1. S. Benke, G. Laschet: On the interplay between the solid deformation and fluid flow during the solidification of a metallic alloy, Comp. Mater. Sci. 43 (2008) 92-100 | RWTH Publications
  2. J. Kron, M. Bellet, A. Ludwig, B. Pustal, J. Wendt, H. Fredriksson: Comparison of numerical simulation models for predicting temperature in solidification analysis with reference to air gap formation, Int. J. Cast Met. Res. 17 (2004) 295-310 | RWTH Publication