Hochmanganhaltige Stähle (HMnS) sind im Vergleich zu konventionellen Stählen durch hohe Festigkeiten bei einer gleichzeitig ausgezeichneten Duktilität charakterisiert. Diese außergewöhnlichen Eigenschaften lassen sich auf die Aktivierung unterschiedlicher Verformungsmechanismen zurückführen: Neben reinem Versetzungsgleiten können eine verformungsinduzierte Zwillingsbildung (TWIP-Effekt) sowie eine verformungsinduzierte martensitische Phasenumwandlung
(TRIP-Effekt) auftreten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Oberflächenbehandlungsverfahren auf die Randschichteigenschaften und das Ermüdungsverhalten des hochmanganhaltigen Stahls X40MnCrAl19-2 untersucht. Neben dem Kugelstrahlen kam dabei vorwiegend das Festwalzen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum Einsatz. Unter Verwendung hochauflösender elektronenmikroskopischer Analysemethoden sowie der Röntgendiffraktometrie wurden tiefgehende Einblicke in die mikrostrukturellen Mechanismen der oberflächenbehandelten Randschichten gewonnen. Eine detaillierte Analyse des zyklischen Spannung-Dehnung-Verhaltens (ZSD-Verhalten) ermöglichte im Zusammenspiel mit den Randschichteigenschaften schließlich eine Bewertung der Ermüdungseigenschaften der randschichtbehandelten Zustände im Zeitfestigkeitsbereich.
Aktualisiert: 2022-12-22
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Das Leistungsvermögen von Getrieben wird maßgeblich durch die Zahnfußtragfähigkeit der verbauten Zahnräder begrenzt. Zur Verbesserung der Tragfähigkeit werden die Zahnräder heutzutage häufig in einem letzten Bearbeitungsschritt kugelgestrahlt. Hierbei erfährt der Werkstoff eine plastische Verformung in der Bauteilrandzone, was zu einer Kaltverfestigung und zur Ausbildung von Druckeigenspannungen unterhalb der Werkstückoberfläche führt. Hieraus resultieren eine Senkung der effektiv wirkenden Lastspannungen und eine signifikante Reduzierung der Risswachstumsgeschwindigkeit.
Demgegenüber hat sich insbesondere an rotationssymmetrischen Bauteilen das Festwalzen als Endbearbeitungsverfahren bewährt. Wesentlicher Vorteil des Festwalzens ist die größere Tiefenwirkung der Verfestigungsmechanismen, womit in der Regel höhere Belastungstoleranzen einhergehen.
Durch ein neu entwickeltes Inline-Festwalzwerkzeug können diese positiven Effekte auch für die Zahnradfertigung zugänglich gemacht werden. Auf der Basis von hintereinander angeordneten (englisch: „in line“) Hartmetallrollen erfolgt eine festwalztechnische Bearbeitung im Zahnfuß.
Röntgenographische Eigenspannungsuntersuchungen in der Region der 30°- Tangente belegen eine Erhöhung des Druckeigenspannungsmaximums um nahezu 200 %, die mit dem Inline-Festwalzen gegenüber dem Kugelstrahlen erreicht wird. Die Versuche zur Ermittlung der Zahnfußtragfähigkeiten an einem hochfrequenten Resonanzprüfstand bestätigen die vorteilhafte Wirkung der Druckeigenspannungen auf die Lebensdauer: Die festgewalzten Zahnfußbereiche erdulden ein etwa 12,5 % höheres Lastniveau in Relation zu den kugelgestrahlten Zahnradvarianten.
Ergänzende simulative Arbeiten innerhalb der Ausarbeitung zeigen Optimierungspotenziale auf.
Aktualisiert: 2022-12-15
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Zusammengefasst sollen folgende Forschungsschwerpunkte im Verlauf der Arbeit detailliert
behandelt werden:
• (Teil-)Integration der zweistufigenWärmebehandlung der bisher räumlich getrennten
Prozessabfolge aus Härten, Anlassen und Festwalzen in die mechanische Oberflächenbehandlung
am Beispiel des niedriglegierten Vergütungsstahls 42CrMo4.
• Werkstofftechnische Einordnung und Bewertung der während der Entwicklung
der Prozesskette durchgeführten Maßnahmen anhand der Charakterisierung von
Randschichteigenschaften und Schwingfestigkeitsuntersuchungen.
• Analyse des Einflusses kombinierter mechanischer Oberflächenbehandlungsverfahren
auf die Werkstoffrandschicht eines martensitaushärtenden Stahls (Maraging
C250) und einer äquiatomaren Hochentropielegierung (CrMnFeCoNi).
Aktualisiert: 2022-07-26
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Auch kunstvoll gestaltete Architekturelemente in Schraubflächengestalt wie an einem Portal des Palácio Nacional da Pena in Portugal geben Anreiz für die Kreation von Walzwerkzeugen. In Anknüpfung an diese Arbeit könnten zukünftig oberflächenprofilierte Werkzeuge während des Walzens zu einer starken Zunahme der Werkstoffhärte auf der Bauteiloberfläche führen.
Aktualisiert: 2022-02-10
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Das Oberflächenverfestigungsverfahren Festwalzen ist ein geeignetes Verfahren, um Randzoneneigenschaften so zu verändern, dass die Lebensdauer der bearbeiteten Bauteile steigt. Die Kombination mit thermischem Festwalzen führt zu einem weiteren Anstieg der Lebensdauer, jedoch erfordert das thermische Festwalzen einen zusätzlichen Prozessschritt. Das Drehwalzen stellt eine effiziente Möglichkeit für die Bearbeitung von Hochleistungsbauteilen dar. Zunächst wird der Drehprozess hinsichtlich der induzierbaren Bauteiltemperatur untersucht, damit die nötige thermische Energie durch den Drehprozess in das Bauteil gelangt und thermisches Festwalzen ermöglicht. Es folgt die grundlegende Untersuchung und Modellierung der Wirkmechanismen bei der kombinierten, thermomechanischen Bearbeitung zur gezielten Lebensdauersteigerung durch maßgeschneiderte Randzoneneigenschaften. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich die induzierten Eigenspannungsprofile für die Kompensation von Bauteilverzügen ausnutzen lassen. Das Drehwalzverfahren zur Lebensdauersteigerung und zur Verzugskompensation wird experimentell an Kugelkäfigen aus einer Antriebsgelenkwelle und an Umlaufbiegeproben validiert.
Aktualisiert: 2020-02-27
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Das Oberflächenverfestigungsverfahren Festwalzen ist ein geeignetes Verfahren, um Randzoneneigenschaften so zu verändern, dass die Lebensdauer der bearbeiteten Bauteile steigt. Die Kombination mit thermischem Festwalzen führt zu einem weiteren Anstieg der Lebensdauer, jedoch erfordert das thermische Festwalzen einen zusätzlichen Prozessschritt. Das Drehwalzen stellt eine effiziente Möglichkeit für die Bearbeitung von Hochleistungsbauteilen dar. Zunächst wird der Drehprozess hinsichtlich der induzierbaren Bauteiltemperatur untersucht, damit die nötige thermische Energie durch den Drehprozess in das Bauteil gelangt und thermisches Festwalzen ermöglicht. Es folgt die grundlegende Untersuchung und Modellierung der Wirkmechanismen bei der kombinierten, thermomechanischen Bearbeitung zur gezielten Lebensdauersteigerung durch maßgeschneiderte Randzoneneigenschaften. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich die induzierten Eigenspannungsprofile für die Kompensation von Bauteilverzügen ausnutzen lassen. Das Drehwalzverfahren zur Lebensdauersteigerung und zur Verzugskompensation wird experimentell an Kugelkäfigen aus einer Antriebsgelenkwelle und an Umlaufbiegeproben validiert.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Die Ressourceneffizienz von Wälzlagern wird durch eine Steigerung der Lebensdauer erreicht. Eine Möglichkeit hierzu ist ein gezieltes Oberflächen- und Randzonendesign durch die Fertigungsverfahren Hartdrehen und Festwalzen zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die hybride Verfahrenskombination dieser Prozesse, das Hartdrehwalzen, entwickelt und deren Einfluss auf die Oberflächenund Randzoneneigenschaften und damit auf die Ermüdungslebensdauer von Zylinderrollenlagern systematisch untersucht. Hierzu wird ein Werkzeug für die Hartdrehwalzbearbeitung entwickelt. Die dadurch entstehenden Oberflächen- und Randzoneneigenschaften werden analysiert und modelliert. Abschließend werden Einsatzuntersuchungen an hybrid bearbeiteten Lagern durchgeführt und die erreichbare Ermüdungslebensdauer ermittelt.
Aktualisiert: 2020-01-01
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Technische Bauteile und Konstruktionen sind während ihres Einsatzes zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt. Erfahrungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass Werkstoffe diese Beanspruchungen selbst dann nicht beliebig oft ertragen, wenn die hierbei auftretenden maximalen Spannungen kleiner als die im Zugversuch ermittelten Zugfestigkeiten sind. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, das Werkstoffverhalten unter dieser Art von Belastung zu kennen, um sicher und zuverlässig konstruieren zu können. Die Bauteilrandschicht stellt den höchstbeanspruchten Werkstoffbereich dar und besitzt daher einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Belastung. Das Festwalzen ist seit Jahren ein anerkanntes Verfahren zur Steigerung der Schwingfestigkeit und positiven Beeinflussung dieser Randzoneneigenschaften. Es wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit sowohl bei Raumtemperatur als auch unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Als Versuchswerkstoff dient der unlegierte Vergütungsstahl C45E.
Das wesentliche Ziel liegt in der Erforschung und Beurteilung der Stabilität randnaher Mikrostrukturen im Falle komplexer Beanspruchungen, wobei gezielt auf das Werkstoffverhalten bei a) hoher Belastungsamplitude, b) mehrstufiger Belastung (Überlasteffekte), c) thermischer Beanspruchung sowie d) im Bereich sehr hoher Schwingspielzahlen eingegangen werden soll. Auf Basis von Wöhlerkurven lässt sich das Schwingfestigkeitsverhalten anhand von Lebensdauern und Wechselverformungskurven beurteilen. Röntgenographische Eigenspannungsmessungen und mikroskopische Untersuchungen werden zur ausführlichen Charakterisierung der erzeugten Randschichten eingesetzt so dass diese direkt mit denen des unverfestigten Zustands gegenübergestellt und diskutiert werden können.
Aktualisiert: 2022-01-26
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Technische Bauteile und Konstruktionen sind während ihres Einsatzes zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt. Erfahrungen der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass Werkstoffe diese Beanspruchungen selbst dann nicht beliebig oft ertragen, wenn die hierbei auftretenden maximalen Spannungen kleiner als die im Zugversuch ermittelten Zugfestigkeiten sind. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, das Werkstoffverhalten unter dieser Art von Belastung zu kennen, um sicher und zuverlässig konstruieren zu können. Die Bauteilrandschicht stellt den höchstbeanspruchten Werkstoffbereich dar und besitzt daher einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer bei zyklischer Belastung. Das Festwalzen ist seit Jahren ein anerkanntes Verfahren zur Steigerung der Schwingfestigkeit und positiven Beeinflussung dieser Randzoneneigenschaften. Es wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit sowohl bei Raumtemperatur als auch unter erhöhter Temperatur durchgeführt. Als Versuchswerkstoff dient der unlegierte Vergütungsstahl C45E.
Das wesentliche Ziel liegt in der Erforschung und Beurteilung der Stabilität randnaher Mikrostrukturen im Falle komplexer Beanspruchungen, wobei gezielt auf das Werkstoffverhalten bei a) hoher Belastungsamplitude, b) mehrstufiger Belastung (Überlasteffekte), c) thermischer Beanspruchung sowie d) im Bereich sehr hoher Schwingspielzahlen eingegangen werden soll. Auf Basis von Wöhlerkurven lässt sich das Schwingfestigkeitsverhalten anhand von Lebensdauern und Wechselverformungskurven beurteilen. Röntgenographische Eigenspannungsmessungen und mikroskopische Untersuchungen werden zur ausführlichen Charakterisierung der erzeugten Randschichten eingesetzt so dass diese direkt mit denen des unverfestigten Zustands gegenübergestellt und diskutiert werden können.
Aktualisiert: 2022-09-29
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Die Ressourceneffizienz von Wälzlagern wird durch eine Steigerung der Lebensdauer erreicht. Eine Möglichkeit hierzu ist ein gezieltes Oberflächen- und Randzonendesign durch die Fertigungsverfahren Hartdrehen und Festwalzen zu erzeugen. Im Rahmen dieser Arbeit wird die hybride Verfahrenskombination dieser Prozesse, das Hartdrehwalzen, entwickelt und deren Einfluss auf die Oberflächenund Randzoneneigenschaften und damit auf die Ermüdungslebensdauer von Zylinderrollenlagern systematisch untersucht. Hierzu wird ein Werkzeug für die Hartdrehwalzbearbeitung entwickelt. Die dadurch entstehenden Oberflächen- und Randzoneneigenschaften werden analysiert und modelliert. Abschließend werden Einsatzuntersuchungen an hybrid bearbeiteten Lagern durchgeführt und die erreichbare Ermüdungslebensdauer ermittelt.
Aktualisiert: 2019-11-07
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In Orthopädie und Unfallchirurgie werden Implantate, wie bspw. Schrauben oder
Platten zur Osteosynthese eingesetzt. Diese derzeit vorwiegend aus Stahl- und Titanwerkstoffen
hergestellten Implantate dienen der Fixierung traumatisierter Knochen
und haben damit in der überwiegenden Zahl der Fälle nur eine zeitlich begrenzte
Funktion bis zur vollständigen Knochenheilung. Die bisher nötige Revisionsoperation
zur Implantatentfernung mit den damit verbundenen Risiken für die Patienten sowie
den entstehenden Kosten kann durch degradierbare Implantate umgangen werden.
Die vorliegende Arbeit behandelt Fertigungsverfahren zur Herstellung degradierbarer
Kleinimplantate aus biokompatiblen Magnesiumlegierungen und hat die Auslegung
angepasster Bearbeitungsprozesse unter Anwendung geeigneter Prozessstrategien
zum Ziel. Der Fokus liegt auf der gezielten Modifikation der Implantatdegradation
über die definierte Einstellung von Oberflächen- und Randzoneneigenschaften durch
Einsatz von Dreh-, Fräs- oder Walzprozessen zur mechanischen Bearbeitung.
Grundlegende Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen Bearbeitungsverfahren,
den bearbeitungsbedingten Werkstückeigenschaften und dem daraus resultierendem
Korrosions- bzw. Abbauverhalten werden dazu aufgezeigt.
Aktualisiert: 2019-10-17
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