Kitabı oku: «Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen»

Name: Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen
Author: Karl Heeß
ISBN: 9783816900757

Karl Heeß

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Karl Heeß

Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen

Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt – Grundlagen – Praxisbeispiele

Dischingerweg 5 • D-72070 Tübingen

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Internet: www.expertverlag.de eMail: info@expert.verlag

Satz: pagina GmbH, Tübingen

ISBN 978-3-8169-8531-0 (Print)

ISBN 978-3-8169-0075-7 (ePub)

Inhalt

Geleitwort zur 6. Ausgabe

Geleitwort zur 5. Ausgabe

Geleitwort zur 4. Auflage

Geleitwort zur 3. Auflage

Geleitwort zur 2. Auflage

Geleitwort zur 1. Auflage

Vorwort zur 6. Auflage

Vorwort zur 5. Auflage

Vorwort zur 4. Auflage

Vorwort zur 3. Auflage

Vorwort zur 2. Auflage

Vorwort zur 1. Auflage

Bildnachweis

1 Grundlagen1.1 Definitionen1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen1.2.1 Volumenänderungen1.2.2 Verformungen1.3 Systematik der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen1.3.1 Volumenänderungen durch Umwandlung1.3.2 Maß- und Formänderungen durch thermische Spannungen1.3.3 Maß- und Formänderungen durch Überlagerung von thermischen Spannungen und Umwandlungen1.4 Vermeidbare Maß- und Formänderungen – Verzugspotenzial1.5 Methode Distortion Engineering1.6 Maß- und Formänderungen bei ausgewählten Wärmebehandlungsverfahren1.6.1 Durchhärten1.6.2 Anlassen1.6.3 Randschichthärten1.6.4 Einsatzhärten1.6.5 Nitrieren und Nitrocarburieren1.6.6 Glühen1.7 Maß- und Formänderungen – Ursachen aus der Prozesskette1.7.1 Grundlegende Einflussgrößen aus der Prozesskette1.7.2 Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen1.7.3 Ursachen aus der Prozesskette – Beispiele1.8 Verzugsprobekörper

2 Berechnung von Maß- und Formänderungen2.1 Allgemeines zur Berechnung2.2 Eingabedaten2.2.1 Geometrie2.2.2 Wärmebehandlung2.2.3 Werkstoff2.3 Berechnungsgrundlagen2.3.1 Temperaturberechnung2.3.2 Umwandlungsberechnung2.3.3 Deformations- und Spannungsberechnung2.3.4 Anlassen2.4 Berechnungsergebnisse2.5 Beispiele2.6 Aktuelle Entwicklungen

3 Literatur zum Grundlagen- und Berechnungsteil3.1 Literatur zu den Grundlagen3.2 Literatur zur Berechnung von Maß- und Formänderungen

4 Beispielsammlung 4.1 Anleitung zum Gebrauch 4.2 Schlagwortverzeichnis 4.3 Einteilung der Literatur entsprechend Wärmebehandlungsverfahren und Geometrie 4.4 Ausgearbeitete Beispiele 4.5 Literaturverzeichnis „Ausgearbeitete Beispiele“ 4.6 Literaturverzeichnis „Nicht ausgearbeitete Beispiele“

5 Fazit und Ausblick

6 Aktuelle und ehemalige Autoren

Geleitwort zur 6. Ausgabe

In die 6. Auflage der Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen – Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt“ sind neue Erkenntnisse von insgesamt 10 weiteren internationalen Tagungen und 72 neuen Veröffentlichungen, die seit dem Erscheinen der 5. Auflage im Jahre 2016 stattgefunden haben bzw. erschienen sind, eingeflossen. Durch das fleißige Recherchieren der Mitarbeiter des AWT-Fachausschusses 15 „Maß- und Formänderung“ unter der Leitung von Gunther Schmitt von der ALD Vacuum Technologies GmbH konnte auf diese Weise die 6. Auflage aufbauend auf der 5. Auflage ergänzt, erweitert und verbessert werden.

Die große Anzahl von Tagungen und Veröffentlichungen, die sich mit dem Thema Maß- und Formänderungen auseinandersetzen, zeigt deutlich, wie wichtig das Verständnis für diese nicht vermeidbaren Effekte in der gesamten Fertigungskette von der Stahlerzeugung über die anschließende Weichbearbeitung und Wärmebehandlung und der abschließenden Hartbearbeitung der entsprechenden Bauteile von der Fachwelt eingeschätzt wird. Allein durch die Reduzierung von Maß- und Formänderungen können z.B. bei der Einsatzhärtung die Einsatzhärtungstiefen deutlich geringer festgelegt und damit die Aufkohlungsdauern beträchtlich verkürzt werden. Insgesamt können Bauteile so wirtschaftlicher produziert, preiswerter angeboten und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen sichergestellt werden. Unsere zahlreichen Lohn- und Betriebshärtereien können von dieser Entwicklung sicherlich profitieren.

Allein durch die Tatsache, dass momentan und auch noch zukünftig eine so große Menge von Fachleuten aus der Industrie, von den Hochschulen und Instituten sich mit dem Thema Verzüge auseinandersetzen, zeigt, dass nach wie vor auf diesem Gebiet hohe Forschungspotentiale vorhanden und viele Ergebnisse nicht verstanden oder nicht schlüssig erklärbar sind. Durch die immer schneller werdende Entwicklung von Simulationssoftware, die immer leistungsfähiger wird, stehen uns allerdings Werkzeuge zur Verfügung, um diese Rätsel zukünftig schneller zu lösen.

An der nun 6. Auflage haben dankenswerterweise insgesamt 42 Kolleginnen und Kollegen mitgearbeitet, von denen sich einige bereit erklärt haben, für bestimmte Themen als Kontaktperson zu fungieren und dem interessierten Leser bei speziellen Problemstellungen hilfreich zur Seite zu stehen.

Ein Grundgedanke unserer Arbeitsgemeinschaft für Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT) liegt in der Erklärung von Grundlagen, der Weitergabe von neuen Erkenntnissen an unsere Fachkolleginnen und -kollegen und der Übertragung der wissenschaftlichen Ergebnisse in die industrielle Praxis. Alle drei Aspekte werden in dieser Monographie hervorragend und in verständlicher Weise dargestellt. Ich möchte mich in aller Form bei allen Mitautorinnen und -autoren, die uns ihre knapp bemessene Freizeit geopfert haben, bedanken und empfehle Ihnen, liebe Leser, die spannenden Inhalte dieses Werks.

Dr. Winfried Gräfen

Moers

AWT Vorsitzender

Geleitwort zur 5. Ausgabe

Dank einer kontinuierlichen Überarbeitung und Erweiterung hat diese Verzugsmonographie nicht an Interesse und Wert verloren. Dies ist die 5. Auflage und damit 4. Überarbeitung innerhalb von 19 Jahren. Im Schnitt hat sich das Wissen somit alle 5 Jahre so stark weiterentwickelt, dass eine Aufarbeitung der Verzugsmonographie sinnvoll und nötig wurde. Es gibt wahrscheinlich kein anderes Thema, welches einen Fachausschuss über so viele Jahre kontinuierlich beschäftigt hat. Das zeigt die Komplexität und das stetige Interesse dieses Themas in der Fachwelt. Den Stand der Technik ermitteln, zusammenfassen und systematisch zur Verfügung stellen, ist eine große Wertschöpfung für die Entwickler und Wärmebehandlungsexperten unserer AWT Branche. Herzlichen Dank für den nebenberuflichen Einsatz an die Fachausschuss-Mitglieder.

Das Interesse an diesem Thema ist zunehmend internationaler geworden und auch die Vernetzung der Verzugsexperten hat international stattgefunden. So ist beispielsweise eine Verschmelzung der beiden internationalen Tagungen Quenching and Control of Distortion und International Distortion Engineering ab 2018 geplant. Auch die neuen aufgenommenen Veröffentlichungen in dieser 5. Auflage stammen zum Großteil von internationalen Tagungen.

Für die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen haben heute kurze Entwicklungszeiten, geringe Entwicklungskosten sowie robuste Produktionsprozesse und Bauteilergebnisse in der Serie die höchste Priorität. Gerade die verstandenen Zusammenhänge zum Verzug für Simulationen zu nutzen haben hierfür einen großen Wert. Können doch so in einer frühen Phase am Schreibtisch Parameter- und Designvariationen umfassend analysiert werden und somit in der späteren Serienproduktion teure Designmodifikationen oder Nacharbeitskosten vermieden werden. Diese 5. Auflage macht nochmals verstärkt deutlich, dass für robuste Prozesse und damit beherrschbare Bauteilverzüge eine passende und in sich robuste Gesamtfertigungskette nötig ist. Diese Abstimmung und Optimierung der Teilprozesse aufeinander ist in der Entwicklungsphase, insbesondere in der Serienproduktionsentwicklung, zu berücksichtigen.

Diese Monographie erfüllt vollstens die Intention der AWT. Dies ist hier perfekt mit der Wissensweitergabe sowie Übertragung von wissenschaftlichen Erkenntnissen in die Praxis der Wärmebehandlung und Werkstofftechnik gelungen.

Dr. Michael Lohrmann

Friedrichshafen

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 4. Auflage

Das Thema dieses Buches steht nach wie vor im Zentrum des Interesses der Wärmebehandlungs-Fachleute. Die Experten im AWT-Fachausschuss 15 „Maß- und Formänderung“ haben ihre Sammlung von Grundlagenbetrachtungen, Untersuchungsergebnissen und Praxiserfahrungen ausgebaut, und viele neue Beiträge zeigen die aktuellen Arbeits-Schwerpunkte, aber auch die Herausforderungen, denen sich Forscher und Praktiker gegenübersehen.

Verfolgen wir z.B. das Arbeitsgebiet der Modellierung und Simulation durch das 14-jährige Leben dieser Monografie, so sehen wir, wie jedes gelöste Problem ein neues auf die Tagesordnung gesetzt hat oder, weniger pointiert, aber genauer, wie sich die Schwerpunkte im Lauf der Jahre verschoben haben.

In den 90er Jahren waren die verfügbaren Rechnerleistungen noch eine ernstzunehmende Grenze z.B. für die Feinheit der anwendbaren FEM-Netze und damit schon für die Genauigkeit der Modellierung der Bauteile und die Darstellung der Rechenergebnisse. Nicht dass heute Rechenzeiten und Modellgrößen gar kein Thema mehr wären, aber es ist dann doch wichtiger geworden, in den eigentlichen Algorithmen die große Anzahl der physikalischen Gesetze und der stofflichen Größen gültig einzuprogrammieren und nach und nach immer mehr Effekte mit zu berücksichtigen, die anfangs noch vereinfachend vernachlässigt werden mussten. Die Wärmebehandlung hat durch die gemeinsame Betrachtung und gegenseitige Beeinflussung der schon für sich allein umfangreichen Gebiete Mechanik, Thermik, Gefügeumwandlungen und (im Falle des induktiven Randschichthärtens) Elektromagnetismus eine enorme Komplexität im Vergleich zu anderen Arbeitsgebieten, die in dieser Zeit mit Simulationsergebnissen von sich reden gemacht haben, wie z.B. die Crashsimulation bei Autos.

Wenn dann die Modelle und Gleichungen alle standen, fehlten oft die genauen Kennwerte für Werkstoffe und Medien, vor allem diejenigen, die gar nicht direkt oder zumindest einfach messbar sind, z.B. die bei hohen Temperaturen. Es ist eines der großen Verdienste des Bremer SFB 570, uns hier mit vielen Daten und Kennfeldern versorgt zu haben. Andere Arbeiten haben die erforderlichen Daten auch aus der Anpassung von parametrierten Rechnungen an passend dazu geplante Versuchsreihen gewonnen. Überhaupt scheint mir der früher manchmal zu beobachtende unselige Antagonismus von Rechnung und Versuch doch gewichen dem Bewusstsein, dass eine Rechnung nichts anderes ist als die Anwendung eines mathematisch formulierten Versuchsergebnisses, und dass gerade in dieser Anwendung der höchste Wert eines Versuchs liegen kann.

Je genauer man nun die realen Material-Kennwerte gemessen hat, desto drängender wird dann die Frage, wie weit denn diese Werte auch gültig sind, da doch das nächste Werkstück, die nächste Schmelze schon wieder ein klein wenig anders ist. Will ich noch genauer rechnen als ich messen bzw. meine Prozesse regeln kann? Wieviel Aufwand muss ich vorab treiben, um meine Materialien und Prozesse zu charakterisieren, damit meine Rechenergebnisse auch für meinen konkreten Fall zutreffend sind?

Die große Lösung für alle Fragen auf einmal wird noch lange auf sich warten lassen. Wir können aber in diesem Band sehen, dass Modellrechnungen mit großem Nutzen auf ganz spezifische Fragestellungen angewandt werden können, vor allem wenn sie sich mit gezielt durchgeführten Versuchen ergänzen.

Ich danke den Mitgliedern des AWT-Fachausschusses „Maß- und Formänderung“ und allen, die hier mitgearbeitet haben, dafür, dass sie die vornehmste Aufgabe unseres Fachverbandes AWT tatkräftig umgesetzt und mit Leben erfüllt haben: die Weiterentwicklung unseres Fachgebietes im Austausch der Experten und die Verbreitung der Ergebnisse und Erfahrungen zum Nutzen der Anwender und unserer Nachwuchskräfte.

Dr. Stefan Hock,

Friedrichshafen

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 3. Auflage

Dies ist bereits die dritte Auflage der „Monographie Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung“. Neun Jahre sind seit dem Erscheinen der 1. Auflage im Jahre 1997 vergangen. Das Erscheinen dieser Neuauflage im Jahre 2006 zeigt, dass das Thema nicht an Aktualität verloren hat. Im Gegenteil, die Bedeutung dieses Themas ist heute größer als je zuvor.

Nachdem die Wärmebehandlungsprozesse selbst durch neue Verfahrensentwicklungen, neue Ofentechnologien, Sensoren und Prozessrechnersteuerungen immer präziser und wirtschaftlicher geworden sind, liegt das größte Kosteneinsparungspotential bei der Wärmebehandlung heute in der Reduzierung der Nacharbeitskosten. Und diese hängen nun einmal so gut wie allein von den bei der Wärmebehandlung entstehenden Maß- und Formänderungen ab.

Die „Net-shape“-Wärmebehandlung, d.h. die Wärmebehandlung komplett ohne Nacharbeit, ist die große Herausforderung dieses Jahrzehntes. Sollte sie gelingen könnten Milliarden von Euros pro Jahr allein in Deutschland eingespart werden. Die Gründung des Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ (SFB 570) am Institut für Werkstofftechnik in Bremen im Jahre 2001 zeigt die große wirtschaftliche Bedeutung, die der Aufgabenstellung der Erforschung der Ursachen für die Entstehung von Verzug und der Entwicklung von Maßnahmen zu seiner Vermeidung beigemessen wird.

Durch die bisher vorliegenden Ergebnisse der Arbeiten innerhalb des SFB ist klar geworden, dass Maß- und Formänderungen eine Eigenschaft des gesamten Systems des Herstellungsprozesses eines Bauteils sind, angefangen von der Stahlherstellung, über die Konstruktion, Halbzeugfertigung, Bauteilbearbeitung bis hin zur Wärmebehandlung. Ergo dürfen Maßnahmen zur Verzugsreduzierung nicht nur bei der Wärmebehandlung ansetzen, sondern müssen alle Systemkomponenten einbeziehen.

Bauteile erwerben mit jedem Durchschreiten eines Fertigungsschrittes einen bestimmten Anteil an Verzugspotential. Dieses zu erkennen und zu reduzieren, ehe sich das Potential bei der Wärmebehandlung in Verzug umsetzen kann, ist eine große Herausforderung, vor der wir heute stehen.

Eine andere ist, einem erkannten und definierten Verzugspotential eines Bauteils durch gezielte, gesteuerte Wärmebehandlung so entgegenzuwirken, dass es neutralisiert wird und bei der Wärmebehandlung keine Maß- und Formänderungen auslösen kann.

Ehe wir diese Zielsetzungen erreicht haben werden, wird noch eine geraume Zeit vergehen. Wir sind aber auf dem richtigen Weg. Dies wird durch die Zusammenstellung der Arbeiten in dieser Monographie deutlich belegt. Sie gibt einen Überblick über die neuesten Ergebnisse der Forschungen auf diesem Gebiet und kann insbesondere dem Praktiker wertvolle Hinweise zu Ursachen der Entstehung von Maß- und Formänderungen und deren Vermeidung geben.

Dr. Bernd Edenhofer,

Kleve

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 2. Auflage

Das Thema Maß- und Formänderung ist aus den vielen Diskussionen über Fragen der Wärmebehandlung nicht wegzudenken. Nicht nur der entstehende wirtschaftliche Schaden, der jährlich durch die Vielzahl nicht beherrschter Abläufe bei der Fertigung wärmebehandelter Bauteile entsteht, sondern der besonders in den letzten Jahren entstandene Informations- und Wissensaufbau haben das große Interesse an diesem Thema, vor allem seitens der mit der Wärmebehandlung von Bauteilen Beschäftigten, noch weiter erhöht.

Dabei handelt es sich bei den Maß- und Formänderungen, die auch eng mit den Abläufen während der unterschiedlichen Wärmebehandlungsprozesse verbunden sind, um ein Ergebnis, das von vielen einzelnen Faktoren und nicht nur von der Wärmebehandlung alleine, beeinflusst wird. Neben den physikalischen und damit systematischen Größen sind es vor allem diejenigen Einflussfaktoren, die in der Fertigung der betroffenen Bauteile begründet sind und sich damit der oben genannten Systematik entziehen. Nur das Wissen über diese Zusammenhänge hilft uns bei der Beherrschung der gesamten Abläufe und erlaubt uns die Einstellung guter Ergebnisse besonders im Hinblick auf den maßlichen Endzustand.

Die erste Auflage des vorliegenden Buches hat einen maßgeblichen Beitrag zur Klärung der Zusammenhänge geleistet. Die Vielzahl von Veröffentlichungen auf dem Gebiet der Maß- und Formänderung wurde von der Mitgliedern des AWT-Fachausschusses 15 kritisch gesichtet, diskutiert, bewertet und geordnet. In dieser Form stellten sie für uns eine große Hilfe bei der Bewältigung der tagtäglich auftretenden Probleme bei der Fertigung der vielfältigsten – auch sehr komplizierten – Bauteile dar: sowohl im Wärmebehandlungsbetrieb, als auch im Vorfeld bei der Information und Verpflichtung aller Beteiligten an dem Gesamtprozess.

Zwischenzeitlich stehen weitere Methoden zur Erforschung der Zusammenhänge in der Fertigungskette zur Verfügung. Eine sehr interessante Methode ist die Simulation. Sie stellt jene Möglichkeit dar, thermische und mechanische Abläufe während der Wärmebehandlung mit Hilfe der Werkstoffeigenschaften und der wirkenden mechanischen Größen wie z.B. der im Bauteil herrschenden Eigenspannungen oder anderen Faktoren rechnerisch zu simulieren. Mit Hilfe der Simulation können diese Zusammenhänge besser sichtbar und damit auch erklärbar gemacht werden.

Der zweiten Auflage gebe ich den Wunsch mit, dass sie ein ebenso umfangreiches Interesse erfährt wie die erste Auflage und damit einen weiteren wichtigen Beitrag zur Minimierung und Vergleichmäßigung der Maß- und Formänderung bei der Wärmebehandlung von Bauteilen in der Praxis liefert. Mit diesem Wunsch verbinde ich meinen aufrichtigen Dank an die Mitarbeiter dieses Fachausschusses, die diese Beiträge neben ihrer beruflichen Tätigkeit und der beruflichen Anspannung im Namen der AWT geleistet haben.

Helmut Mallener,

Markdorf

AWT-Vorsitzender

Geleitwort zur 1. Auflage

Maß- und Formänderungen (Verzug) infolge Wärmebehandlung haben Härterei-Fachleute von jeher sehr beschäftigt, denn diese beeinflussen in schwerwiegender Weise Folgekosten durch Nacharbeit oder Ausschuss, welche die Wirtschaftlichkeit in Frage stellen können. Dementsprechend ist dieses Thema in der Fachliteratur auch immer wieder und zwar vorwiegend für Einzelfälle, abgehandelt worden. Für Werkstücke aus Stahl sind grundsätzliche Zusammenhänge, wie Volumenänderungen durch Umwandlungen, Einfluss von thermischen Spannungen beim Anwärmen und besonders beim Abschrecken sowie deren Überlagerung meistens mit einfachen Modellen (Zylinder, Prismen) mehr oder weniger anschaulich dargestellt worden. Durch Einflüsse des Umwandlungsverhaltens (Härtbarkeit) des Stahls, Randschichthärten, Bildung von Diffusionsschichten, Geometrie der Werkstücke (Form und Größe), Abschreckintensität ist dieses Problem so vielschichtig, dass eine systematische Übersicht sehr erschwert wird.

Es ist deshalb sehr zu begrüßen, dass der AWT-Fachausschuss „Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlungen“ seine in jahrelanger Gemeinschaftsarbeit gewonnene Übersicht über dieses komplizierte Gebiet in dieser Monographie der Öffentlichkeit zur Verfügung stellt. In einem ersten Teil werden die Grundlagen ausführlich und gut verständlich beschrieben, wobei auch kurz auf die Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung von Maß- und Formänderungen eingegangen wird. Für den Härterei-Praktiker von besonderem Nutzen dürfte die umfangreiche und systematische Sammlung von konkreten Fallbeispielen aus der Literatur und aus der Praxis von Mitgliedern des Fachausschusses sein.

Die Monographie gehört deshalb in die Hand eines jeden Wärmebehandlers. Sie ist geeignet zur persönlichen Weiterbildung, als Handbuch und schließlich als Ergänzung zu Wärmebehandlungskursen.

Urs Wyss,

Zürich

Vorwort zur 6. Auflage

Seit der fünften Auflage besteht die Verzugsmonographie aus einem Buch (enthält die Grundlagen zur Verzugsentstehung und eine Vielzahl von Quellenangaben) und über einen Link aus dem Netz herunterladbare Ausarbeitungen von verzugsrelevanter Literatur. Dieses Konzept hat sich bewährt und wurde auch für die sechste Auflage verwendet.

Im Grundlagenteil der Monographie wurden weitere Beispiele im Abschnitt „Maß- und Formänderungen – Ursachen aus der Prozesskette“ ergänzt, die dem Praktiker wichtige Hinweise geben können. Diese zeigen den Einfluss einzelner Verzugspotentialträger auf den Verzug von Wellen, Schiebemuffen, Zahnrädern und Ringen und geben Hinweise zur Verzugsreduzierung.

Im Kapitel „Berechnung von Maß- und Formänderungen“ wurde der Abschnitt „Eingabedaten – Werkstoff“ an aktuelle Erkenntnisse angepasst. Ergänzend wurde eine Anleitung zur Textsuche in der gesamten Monographie erstellt.

Basierend auf einigen den Autoren bekannt gewordenen Problemen beim Download wurde mit dem expert verlag eine Verbesserung dieses Schrittes abgestimmt. Im Abschnitt „Beispielsammlung-Anleitung zum Gebrauch“ werden Hinweise zu den notwendigen Einstellungen in verschiedenen Browsern für optimalen Download gegeben. Zudem wird am Ende dieses Vorworts ein Ansprechpartner benannt, den Sie bei Download-Problemen kontaktieren können.

Darüber hinaus haben die Autoren in enger Zusammenarbeit mit dem Verlag sichergestellt, dass die sechste Auflage der Verzugsmonographie auf Smartphones, Tablets und Desktop-PC’s unabhängig vom Betriebssystem genutzt werden kann.

Selbstverständlich wurde auch die Literatur, die seit dem Erscheinen der 5. Auflage publiziert wurde, gesichtet. Dabei wurden 81 Veröffentlichungen zum Thema „Maß- und Formänderungen“ vorausgewählt und im Detail von den Fachausschussmitgliedern analysiert und bewertet. Zur Identifikation geeigneter Veröffentlichungen wurden dabei die Jahrgänge 2015–2019 der HTM – Journal of Heat Treatment and Materials und der Zeitschrift „Stahl und Eisen“ gesichtet. Vom Journal Comp. Mater. Science konnten die Jahrgänge 2015–2017 ausgewertet werden. Neben diesen Auswertungen wurde auch in den Fachzeitschriften Advanced Materials & Processes, Elektrowärme International, Journal of Materials Engineering and Performance, Journal of Materials Processing Technology, Journal of Microstructure and Materials Properties, Materials Science & Engineering A, Materials Science and Technology, Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Prozesswärme und Thermal Processing geeignete Veröffentlichungen identifiziert.

Weiterhin wurden auch die Konferenzbände der internationalen Tagungen aus diesem Zeitraum, die sich mit dieser Thematik befasst haben, ausgewertet:

European Conference on Heat Treatment & 22nd IFHTSE Congress, 2015, Venice, Italy.

METEC & 2nd ESTAD 2015, European Steel Technology and Application Days, 2015, Düsseldorf, Germany.

5th International Conference on Distortion Engineering, IDE 2015, Bremen, Germany.

European Conference on Heat Treatment & 3rd Int. Conference on Heat Treatment and Surface Engineering in Automotive Applications, 2016, Prague, Czech Republic.

23rd IFHTSE Congress, 2016, Savannah, Georgia, USA.

Heat Treat 2017: 29th ASM Heat Treating Society Conference, 2017, Columbus, Ohio, USA.

24th IFHTSE Congress 2017 & European Conference on Heat Treatment and Surface Engineering & A3TS Congress, 2017, Nice, France.

1st International Conference on Quenching and Distortion Engineering, 2018, Nagoya, Japan.

European Conference on Heat Treatment, 2019, Bardolino, Italy.

11th International Conference on Tooling, 2019, Aachen, Germany.

Im Ergebnis wurden 72 neue Veröffentlichungen in der bewährten standardisierten Form ausgearbeitet und in die Beispielsammlung aufgenommen. Der Umfang der Beispielsammlung steigt damit auf 391 Ausarbeitungen an.

Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Maß- und Formänderungen kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar und bittet um Zusendung von Veröffentlichungen, die durch sein Raster gefallen sind. Als Kontaktpersonen stehen die im Folgenden aufgeführten Personen gerne zur Verfügung:

Für den allgemeinen Teil	Thomas Streng HEESS GmbH & Co KG Bahnhofstraße 101 68623 Lampertheim Telefon: 06241/8309–0 Email: t.streng@heess.com





Für den Grundlagenteil	Dr. Thomas Lübben Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT Badgasteiner Straße 3 28359 Bremen Telefon: 0421/218–51321 Email: luebben@iwt-bremen.de






Für den Simulationsteil	Dr. Martin Hunkel Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT Badgasteiner Straße 3 28359 Bremen Telefon: 0421/218–51341 Email: hunkel@iwt-bremen.de






	Michael Fiderer CENIT AG Industriestrasse 52–54 70565 Stuttgart Telefon: +49711/78253510 Email: m.fiderer@cenit.com





Für Download-Probleme	Dr. Martin Hunkel Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT Badgasteiner Straße 28359 Bremen Telefon: 0421/218–51341 Email: hunkel@iwt-bremen.de






Leiter Fachausschuss	Gunther Schmitt ALD Vacuum Technologies GmbH Otto-von-Guericke-Platz 1 63457 Hanau Telefon: 06181/3073365 Fax: 06181/307383365 Email: gunther.schmitt@ald-vt.de

Die Autoren danken Frau Anette Mink, Firma Heess für die Vielzahl an redaktionellen Arbeiten, die sie wieder – wie schon bei allen Auflagen zuvor – ausgeführt hat.

Vorwort zur 5. Auflage

Die auffälligste Änderung an der 5. Auflage der Verzugsmonographie ist der Titel. Die alte Formulierung „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen“ implizierte nicht eindeutig genug, dass das entlang der Fertigungskette kumulierte Verzugspotenzial zwar durch die Wärmebehandlung als Maß- und Formänderungen ausgelöst wird aber nicht unbedingt von ihr zu verantworten ist. Vielmehr könnte man schlussfolgern, dass die Wärmebehandlung hauptverantwortlich für die Verzugsentstehung ist. Der Zusatz „Ursachen von der Konstruktion bis zum Endprodukt“ stellt nach Meinung der Mitglieder des Fachausschusses FA15 nun eindeutig klar, dass Verzug eine Systemeigenschaft ist und die gesamte Prozesskette dieses System darstellt. Weiter sei an dieser Stelle explizit erwähnt, dass Maß- und Formänderungen beim Schweißen nicht Thema dieser Monographie sind.

Die zweite gravierende Änderung besteht im Verzicht auf die dem Buch beigefügte CD. Nach Einschätzung der Autoren ist der Download die zeitgemäßere Variante, die unabhängig von einem CD-Laufwerk arbeitet. Die Beispielsammlung sowie der gesamte Text des vorliegenden Buches können von der Homepage des Verlages heruntergeladen werden.

Der Grundlagenteil der Monographie wurde noch einmal deutlich erweitert und den aktuellen Erkenntnissen angepasst. So wurden die Grundlagen der „Entstehung von Maß- und Formänderungen“ an die abschließenden Erkenntnisse des Ende 2011 ausgelaufenen Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ angepasst. Der Themenbereiche „Randschichthärten“ wurde in seiner Bedeutung für die Verzugsentstehung ebenfalls gemäß dem aktuellen Erkenntnisstand überarbeitet. Die pure Aufzählung der Einflussgrößen auf den Verzug wurde graphisch aufgearbeitet. Dabei wurde der Bezug der Prozessparameter zu den Verzugspotentialträgern herausgearbeitet. Weiter wurde ein neuer Abschnitt zum „Messen und Bewerten von Maß- und Formänderungen“ eingefügt, der dem Praktiker ebenfalls wichtige Hinweise geben kann. Letztlich werden anhand von Beispielen Ursachen für Maß- und Formänderungen aus der gesamten Prozesskette aufgezeigt.

Das Kapitel „Berechnung von Maß- und Formänderungen“ wurde ebenfalls an den Stand der Technik angepasst. Insbesondere wurde der Anlassmodellierung ein eigenes Unterkapitel gewidmet.

Die Anleitung zum Gebrauch der Monographie wurde um Screen-Shots zur besseren Verdeutlichung der Möglichkeiten und Abläufe erweitert.

Selbstverständlich wurde auch die Literatur, die seit dem Erscheinen der 4. Auflage publiziert wurde, gesichtet. Dabei wurden 94 Veröffentlichungen zum Thema „Maß- und Formänderungen“ vorausgewählt und im Detail von den Fachausschussmitgliedern analysiert und bewertet. Zur Identifikation geeigneter Veröffentlichungen wurden dabei die Jahrgänge 2010–2014 der HTM – Journal of Heat Treatment and Materials und der Zeitschrift „Stahl und Eisen“ gesichtet. Die Zeitschrift „Computational Material Science“ wurde rückwirkend von 2007 analysiert. Weiterhin wurden die Konferenzbände der internationalen Tagungen aus diesem Zeitraum, die sich mit dieser Thematik befasst haben, ausgewertet:

4th International Conference on Thermal Process Modeling and Simulation, 2010, Shanghai.

3rd International Conference on Distortion Engineering, IDE 2011, Bremen.

19th Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2011, Glasgow.

6th International Conference on Quenching and Control of Distortion including 4th International Conference on Distortion Engineering, 2012, Chicago.

20th Congress of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2012, Peking.

European Conference on Heat Treatment and 21st IFHTSE Congress, 2014, München.

5th International Conference on Thermal Process Modeling and Computer Simulation; 2014; Orlando, USA.

Rückwirkend wurde noch die

1st International Conference on Quenching and Control of Distortion, 1992, Chicago

ausgewertet. Im Ergebnis wurden 78 neue Veröffentlichungen in der bewährten standardisierten Form ausgearbeitet und in die Beispielsammlung aufgenommen. Der Umfang der Beispielsammlung steigt damit von 242 auf 319 Ausarbeitungen an. Der ständigen Weiterentwicklung der Wärmebehandlungssimulation Rechnung tragend, sind ca. ein Drittel aller Ausarbeitungen Beispiele aus diesem Themenkreis.

Dem Nutzer wird mit der 5. Auflage wieder eine Monographie zur Verfügung gestellt, die durch Suchfunktionen und Verlinkungen komfortable auf dem Computer angewendet werden kann, um aus der Vielzahl der ausgearbeiteten Veröffentlichungen gezielt die aktuell interessierenden finden zu können.

Vorwort zur 4. Auflage

Der Fachausschuss 15 hat sich zum Ziel gesetzt, etwa alle 4 Jahre neue Ausarbeitungen in die Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung von Stählen“ einzubinden. Nachdem diese eigene Vorgabe bereits bei den vergangenen Auflagen erfolgreich umgesetzt werden konnte, haben die Mitglieder des FA 15 auch diesmal fleißig gearbeitet, um der Fachwelt zum HK 2011 die Neuauflage dieser Monographie präsentieren zu können. Zur Identifikation geeigneter Veröffentlichungen wurden die Jahrgänge 2004–2009 der HTM – Zeitschrift für Werkstoffe, Wärmebehandlung, Fertigung – und der Zeitschrift „Stahl und Eisen“ gesichtet. Weiterhin die Konferenzbände der internationalen Tagungen, die sich mit dieser Thematik befasst haben:

1st International Conference on Distortion Engineering, IDE 2005, Bremen.

15th Conference of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering and SMT 20, 2006, Wien.

3rd International Conference on Thermal Process Modeling and Simulation, 2006, Budapest.

5th International Conference on Quenching and Control of Distortion, 2007, Berlin.

2nd International Conference on Distortion Engineering IDE 2008, Bremen

17th Conference of International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering, 2008, Kobe.

New Challenges in Heat Treatment and Surface Engineering, Conference in Honour of Prof. B. Liscic, 2009, Dubrovnik – Cavtat.

Im Rahmen einer Vorauswahl wurden insgesamt 105 Veröffentlichungen ausgewählt und im Detail analysiert und bewertet. In 91 Fällen fiel das Votum positiv aus und es erfolgte eine Auswertung der entsprechenden Arbeit in der bewährten standardisierten Form. Der Umfang der Beispielsammlung steigt damit von 153 auf 244 Ausarbeitungen an. Erneut eine Steigerung um mehr als 50 %. Der ständigen Weiterentwicklung der Wärmebehandlungssimulation Rechnung tragend, sind ca. ein Drittel aller Ausarbeitungen Beispiele aus diesem Themenkreis.

Neben den neuen Ausarbeitungen wurde auch der allgemeine Teil der Monographie in einigen Punkten verbessert. So wurde die Übersicht der Ursachen für Maß- und Formänderungen den aktuellen Erkenntnissen des Sonderforschungsbereiches „Distortion Engineering“ angepasst.

Das überarbeitete Stichwortverzeichnis enthält jetzt zahlreiche verbesserte und klarere Definitionen.

Vorwort zur 3. Auflage

Die Mitglieder des Fachausschuss 15 haben nach dem Erscheinen der zweiten Auflage im Jahr 2003 zwar zunächst einmal „kräftig durchgeatmet“, dann aber konsequent weiter an der standardisierten Ausarbeitung von relevanten Literaturstellen zum Thema Maß- und Formänderungen von Bauteilen aus Stählen gearbeitet. So wurden weitere 56 aktuelle Beispiele in die 3. Auflage aufgenommen. Eine Steigerung des Umfangs von über 50 %. Insgesamt beinhaltet sie jetzt 153 Ausarbeitungen. Der ständigen Weiterentwicklung der Wärmebehandlungssimulation Rechnung tragend, sind insgesamt 37 Beispiele aus diesem Themenkreis.

Diese starke Vergrößerung des Inhalts brachte ein Problem mit sich: Die Seitenzahl der Monographie ist von 371 Seiten in der 2. Auflagen auf nunmehr über 600 Seiten angestiegen. Dieser Seitenumfang wäre nur schwerlich in einem Buch unterzubringen gewesen. Der Fachausschuss hat sich daher zur Beschreitung eines neuen Weges entschlossen: Die ausgearbeiteten Beispiele sind nur noch elektronisch auf der diesem Buch beiliegenden CD enthalten, der Grundlagenteil ist sowohl auf der CD als auch im Buch. Neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung bietet diese Form der Monographie einen drastisch verbesserten Komfort bei der Suche nach Stichworte, seien es nun die bereits in der ersten und zweiten Auflage verwendeten Schlagworte oder Autorennamen oder jedes beliebige Textsegment. Die Suchmöglichkeiten des elektronischen Zeitalters führen sehr viel schneller und sicherer zum Ziel als das bisher übliche Nachschlagen in den Schlagwort-Verzeichnissen der Monographie. Die eingearbeiteten Verknüpfungen der Schlagworte mit den Ausarbeitungen erlauben ein schnelles Sichten der gewünschten Informationen und – falls gewünscht – auch einen Ausdruck. Für alle Schlagworte wurden Definitionen in die Monographie aufgenommen, die per Mausklick abrufbar sind.

Im Grundlagenteil wurden neue Erkenntnisse aus den Arbeiten des Sonderforschungsbereichs „Distortion Engineering“ eingebracht. Speziell wurde die Tendenz II der unvermeidbaren Maß- und Formänderungen – verursacht durch thermische Spannungen – systematischer analysiert und die Regel von Ameen als nicht allgemeingültig erkannt. Das Kapitel „Berechnung von Maß- und Formänderungen“ wurde aktualisiert.

Aufgrund der großen Zahl von Veröffentlichungen zum Thema Verzüge kann kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Die Beispiele wurden jedoch so gewählt, dass die wichtigsten Einflussfelder abgedeckt werden. Für Anregungen und Ergänzungen ist der Fachausschuss 15 jedoch stets dankbar.

Vorwort zur 2. Auflage

Die Autoren des Fachausschusses 15 haben sich aus unterschiedlichen Gründen zur Überarbeitung der ersten Auflage entschlossen, die sich aufgrund von Anregungen der Leser und inhaltlichen Aspekten ergeben haben.

Der Titel der Monographie „Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung“ wird auf Stähle eingegrenzt. Diese Einschränkung wurde bei der Erstauflage versehentlich nicht vorgenommen, obwohl sich die Inhalte nur auf dieses Thema bezogen. Wir danken den Lesern für den Hinweis zur Klarstellung.

Von einer inhaltlichen Erweiterung der Monographie auf alle metallischen Werkstoffe wurde bei der Überarbeitung aufgrund des zu weitreichenden Themengebietes und der damit verbundenen erheblichen zusätzlichen Erweiterung des Umfangs bei der zweiten Auflage Abstand genommen.

Der Grundlagenteil der Erstauflage wurde weitestgehend überarbeitet. So wurde die Klassifizierung des Maß- und Formänderungsverhaltens in drei Grundtendenzen nach Wyss in die vorliegende Darstellung integriert. Weiterhin wurde das Konzept des „Verzugspotentials“, das im Rahmen der Arbeiten des Sonderforschungsbereiches 570 „Distortion Engineering“ der Universität Bremen entwickelt wurde, eingearbeitet.

Aufgrund der sich stetig weiterentwickelten Erkenntnisse zur Simulation von Wärmebehandlungen und dem Wunsch der Härtereibetriebe nach dem Einsatz gebrauchsfähiger Simulationssoftware zur Vorausberechnung von Maß- und Formänderungen wurde das Kapitel 2 „Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung von Maß- und Formänderungen“ neu formuliert sowie 15 ausgewählte Veröffentlichungen zur Simulation von Maß- und Formänderungen in einer standardisierten Form aufgearbeitet.

Die Beispielsammlung wurde durch die Ausarbeitung der Inhalte aktueller, seit der Veröffentlichung der Erstauflage erschienener Veröffentlichungen zum Thema Maß- und Formänderungen von Stählen erweitert. Das vorliegende Buch enthält 97 aus-gearbeitete Praxisbeispiele. Damit wurde dieser Teile der Monographie nahezu verdoppelt. Die in der ersten Auflage gewählte standardisierten Form der Aufbereitung wurde konsequent beibehalten. Das zugehörige Schlagwortverzeichnis wurde gründlich überarbeitet.

Vorwort zur 1. Auflage

Verzüge oder, anders ausgedrückt, Maß- und Formänderungen bei der Wärmebehandlung führen Jahr für Jahr zu beträchtlichen Kosten in der Fertigung durch Aus-schuss oder Nacharbeit. Ohne dass Summen exakt beziffert werden können, seien durch zwei Beispiele die wirtschaftlichen Auswirkungen verdeutlicht. Im einen Fall betragen die Kosten für eine Schleifbearbeitung nach der Wärmebehandlung etwa 30 % an den Fertigungskosten eines Großserienbauteils der Antriebstechnik. Ein Kunststoff-Spritzgießwerkzeug kann im zweiten Beispiel zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung bereits den Wert eines Mittelklasse-Pkw darstellen; eine hohe Wertschöpfungsstufe, die bei unzulässig großen Verzügen zu nahezu untragbaren Ausschusskosten führt.

Der enormen wirtschaftlichen Bedeutung entsprechend, wurden stets große Anstrengungen unternommen, Verzüge entweder so klein wie möglich zu halten oder sie zumindest weitgehend vorhersagen zu können.

Mit dem Wissen über die Grundlagen der Wärmebehandlung wuchsen in den letzten Jahrzehnten auch die Kenntnisse über das Entstehen von Verzügen, und sie gehören heute zum festen Bestandteil in der Ausbildung von Wärmebehandlungsfachleuten.

Die Beherrschung der Verzüge gestaltet sich – wie die tägliche Praxis zeigt – mitunter äußerst schwierig, da das Verzugsphänomen als sog. Systemeigenschaft von einer Vielzahl sich z.T. gegenseitig beeinflussender Größen abhängt. Ausgehend von der konstruktiven Gestaltung über die Wahl des Werkstoffs, dessen umformtechnische oder spanende Verarbeitung bis zur Wärmebehandlung eines Bauteils, sind alle Bereiche der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung am Entstehen des späteren Verzuges mitbeteiligt. Ein Beispiel aus der Produktion von Getriebekomponenten beziffert die unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die Maß- und Formänderungen zu 50–60 % (Bauteilform), 20–30 % (Werkstoffwahl) und nur zu 5–10 % für den eigentlichen Wärmebehandlungsprozess /Ber88/. Die bereichsübergreifende Verantwortung für den entstehenden Gesamtverzug kommt inzwischen immer häufiger darin zum Ausdruck, dass zur Lösung oder vorbeugenden Vermeidung von Verzugsproblemen die modernen Arbeitsformen wie Qualitätszirkel oder Simultaneous Engineering eingesetzt werden.

Als Hilfsmittel und Nachschlagewerk für Praktiker, aber auch als Informationsquelle für mit der Wärmebehandlung noch nicht so Vertraute, entstand als Gemeinschaftsarbeit des Fachausschusses 15 der AWT vorliegende Monographie. Nach einer grundlegenden Einführung in die Gesetzmäßigkeiten des Verzugs bis hin zu den Möglichkeiten seiner Vorausberechnung – diese Teile wurden mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlages /Hof96/ entnommen – werden in einer systematischen Zusammenstellung von Literaturdaten typische Beispiele für einzelne Verzugsursachen und deren Behebung beschrieben. Diese Arbeit entstand im Zusammenwirken von Hochschulinstituten und Industrie-Wärmebehandlungs-Fachleuten für tägliche Praxis und Weiterbildung.

Bildnachweis

Wir danken den nachfolgend aufgeführten Personen, Verlagen, Instituten und Verbänden für die Genehmigung zur Veröffentlichung von Bildmaterial:

Herr Dr. Kyozo Arimoto

Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann

Frau Dr. R. Chatterjee-Fischer

Herr Prof. Tatsuo Inoue

Herr Maciej Korecki

Herr Prof. Young-Kook Lee

Herr Dr. Scott Mackenzie

Herr Anders Olofsson

Herr Dr. Rüdiger Rentsch

Herr E. Schreiber

Herr Pavel Šuchmann

Herr Yuuki Tanaka

Frau Eva Troell

Herr Dr. W. Schützenhöfer

Frau Eva Troell

Herr Youichi Watanabe

Herr Dr. Urs Wyss

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Carl Hanser Verlag GmbH & Co, Kolbergstraße 22, 81679 München

DGM Informationsgesellschaft

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Veitsch-Radex Aktiengesellschaft, Magnesitstraße 2, A – 8700 Leoben

Verlag Stahleisen GmbH, Postfach 105164, 40042 Düsseldorf

Verlag Moderne Industrie, Justus von Liebig Straße 1, 86899 Landsberg

Vulkan Verlag GmbH, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen

Institutet för Metalforskning

Institute of Materials, 1 Carlton House Terrace, London SW1 Y5DB (UK)

Iron Steel Institute, 4 Grosvenor Gardens, London SW1 (UK)

Technische Hochschule Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg

School of Materials Science & Engineering, Shanghai Jiao Tong University

Wolfson Heat Treatment Center Aston University Birmingham, Aston Triangle Birmingham B47ET (United Kingdom)

Associazione Italiana Di Metallurgia

International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering

Austrian Society for Metallurgy and Materials

Croatian Society for Heat Treatment and Surface Engineering

Japanese Society for Heat Treatment

1 Grundlagen

Nach der Festlegung einiger zentraler Begriffe sollen im Folgenden die für die Entstehung von Maß- und Formänderungen verantwortlichen Mechanismen sowie das für einige Wärmebehandlungsverfahren typische Maß- und Formänderungsverhalten dargestellt werden.

1.1 Definitionen

In der Norm „Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen – Begriffe“ (DIN EN ISO 4885:2018-07) wird Verzug als „jede Änderung der Form oder der ursprünglichen Maße eines Eisenwerkstücks, die während einer Wärmebehandlung auftritt“, definiert. Die Begriffe Maß- und Formänderung hingegen sind nicht enthalten. Nach Einschätzung der Autoren kann aber eine Monographie, die sich mit dieser Thematik befasst, nicht auf eine Definition dieser Begriffe verzichten. Daher soll in dieser Arbeit unter „Maßänderung“ gemäß der DIN 17014 in der Ausgabe von 1975 „die Änderung der Maße eines Werkstückes ohne Formänderung“ verstanden werden. In Anlehnung an /Ber77/ soll unter Formänderung „die Veränderung von Winkelbeziehungen und Krümmungen am Bauteil“ verstanden werden. Der Begriff „Verzug“ soll hingegen rein umgangssprachlich verwendet werden, um anzudeuten, dass von Maß- und/oder Formänderungen die Rede ist. Dabei wird bewusst auf die in der DIN EN ISO 4885:2018-07 verwendeten Einschränkungen „Eisenwerkstück“ und „während einer Wärmebehandlung“ verzichtet.

Da in der Regel sowohl Änderungen in den Maßen als auch in Bezug auf Form, Richtung, Ort und Lauf auftreten, müssen die zugehörigen kennzeichnenden Größen ermittelt werden. Kriterien für die Beschreibung des Verzugs sind in DIN EN ISO 1101 zusammengefasst. Die Ermittlung der Geometrieelemente erfolgt durch geeignete Messvorschriften, die stark geometrieabhängig sind. Für die Innenbohrung von zylindrischen Ringen kann eine entsprechende Messvorschrift beispielsweise lauten:

Messe Kreise in verschiedenen Höhen. Ermittle einen mittleren Innenradius durch das Einpassen eines mittleren Zylinders unter Minimierung der Summe der Abweichungsquadrate zwischen Messung und dem Standardgeometrieelement Zylinder. Wiederhole diese Prozedur vor und nach der Wärmebehandlung. Die Differenz der Zylinderradien nach und vor der Wärmebehandlung ist dann die Änderung des Maßes „Innenradius“. Als Form kann in diesem Beispiel die Zylinderform herangezogen werden, dessen Toleranzzone durch zwei koaxiale Zylinder vom Abstand t begrenzt wird. Die Formänderung ergibt sich entsprechend aus der Differenz der Werte der Messungen nach und vor der Wärmebehandlung.

Bei der Ermittlung der Formabweichungen anhand der Kriterien nach DIN EN ISO 1101 ist zu beachten, dass die eigentliche Gestalt des Elementes nicht berücksichtigt wird. Dies kann zu Fehlinterpretationen des Verzugsverhaltens aus der Differenz der Formänderungen vor und nach der Wärmebehandlung führen, wenn der Verzug durch signifikante Änderungen der Gestalt bestimmt wird. Weiterführende Konzepte zur Analysen der Gestaltsänderung unter Berücksichtigung der Form und Richtung liegen vor /bspw. Sur08, Lüb12/.

1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen1

Als Ursache von Maß- und Formänderungen sind heute zwei Ursachen bekannt, die sich durch die Begriffe

Volumenänderungen und

Verformungen

Bild 1.1:

Ursachen für Maß- und Formänderungen

charakterisieren lassen (Bild 1.1). In den folgenden beiden Abschnitten werden die zugehörigen Zusammenhänge diskutiert.

1.2.1 Volumenänderungen

Volumenänderungen resultieren prinzipiell aus Dichte- und/oder Masseänderungen. Letzterer Fall tritt bei jeder thermochemischen Behandlung auf, da in deren Verlauf zusätzliche Atome in den oberflächennahen Bereich eingebracht werden. Natürlich tragen auch ungewollte Veränderungen wie bspw. eine Randschichtoxidation oder eine Entkohlung zu diesem Effekt bei. Diese gewollten oder ungewollten Randschichtmodifikationen führen neben der Masseänderung in der Regel auch zu Dichteänderungen.

Die Dichte wird aber auch durch Phasenumwandlungen und Ausscheidungsprozesse nachhaltig beeinflusst, die ihrerseits von der (lokalen) chemischen Zusammensetzung und dem prozessabhängigen Temperatur-Zeit-Pfad bestimmt werden. Weiterhin können Spannungen das Umwandlungsverhalten nachhaltig beeinflussen (bspw. /Ahr00/).

Bild 1.2 zeigt die Abhängigkeit der reziproken Dichte – dem spezifischen Volumen – vom Kohlenstoffgehalt /Lem59/. Diese Darstellung von Lement basiert auf röntgenographischen Messungen der Gitterkonstanten und enthält im Original eine Vielzahl weiterer Abschätzungen. An dieser Stelle wurde die Zahl der dargestellten Phasen bewusst begrenzt. So benötigt der Austenit das geringste Volumen pro Masseneinheit, er weist die höchste Dichte auf. Phasengemische aus Ferrit und Zementit und der Martensit benötigen mehr Volumen. Mit wachsendem Kohlenstoffgehalt steigt das spezifische Volumen für alle genannten Phasen näherungsweise linear an. Die Differenz zwischen den Geraden für Ferrit + Zementit und Martensit vergrößert sich dabei deutlich mit wachsendem C-Gehalt. Entsprechendes gilt für die Volumenänderung eines Bauteiles nach der martensitischen Härtung, das im Ausgangszustand aus Ferrit und Zementit bestand. Mit Hilfe von Bild 1.2 oder unter Verwendung der in /Lem59/ angegebenen Formeln können die resultierenden Volumenänderungen abgeschätzt werden.

Bild 1.2:

Der Einfluss des Gefügezustands auf das spezifische Volumen von Kohlenstoffstählen /Lem59/

Die Ursache für dieses Verhalten ist in der Atomanordnung im jeweiligen Elementargitter zu sehen. So sind die vier Atome/Elementarzelle im kubisch-flächenzentrierten Gitter des Austenits entsprechend dichter gepackt als die zwei Atome/Elementarzelle im kubisch-raumzentrierten Gitter.

1.2.1.1 Volumenänderungen durch Umwandlungen

Die im Detail ablaufenden Vorgänge bei der Erwärmung und Abkühlung können mit diesen Überlegungen natürlich nicht erfasst werden. Dafür ist der Einsatz eines Dilatometers hilfreich. Bild 1.3 zeigt einen vollständigen Wärmebehandlungszyklus für eine Probe aus 20MnCr5, die im Ausgangszustand FP-geglüht war. Die Umwandlung in Austenit zeigt die aus der Verringerung des spezifischen Volumens zu erwartende Verkürzung, während die Umwandlung zu Martensit mit einer Volumenvergrößerung einhergeht resultierende Längenänderung am Ende des Zyklus ist vergleichsweise gering, aber positiv und entspricht damit den in Bild 1.2 aufgezeigten Verhältnissen bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 %.

Die Rückumwandlung von Austenit zu Martensit bringt drastisch größere Maßänderungen mit sich. Beispielhaft ist die Volumenänderung in Form einer Längenänderung in der in Bild 1.3 dargestellten Dilatometerkurve für einen 20MnCr5 zu sehen. Wertet man diese Kurve bei 50 °C aus, so stellt man in diesem Beispiel eine Längenzunahme von 0,9 % des martensitischen Gefüges verglichen zum ferritisch-perlitischen Ausgangszustand fest. Erkennbar sind auch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Ferrit-Perlit und Austenit.

Bild 1.3:

Längenänderungen beim Blindhärten des 20MnCr5 /Lüb12/

1.2.1.2 Volumenänderungen durch Ausscheidungen

Ausscheidungen verursachen kleinere Maßänderungen, die aber im Dilatometer noch gut nachweisbar sind. Bild 1.4 zeigt dies am Beispiel der Carbidausscheidungen beim ersten Anlassen des Stahls X155CrVMo12-1. Die Abweichung vom linearen Ausdehnungsverhalten bei ca. 260 °C ist auf diesen Vorgang zurückzuführen. Weiterhin sind die Bildung von kubischem Martensit und die erneute Martensitbildung am Ende der Abkühlung von Anlasstemperatur erkennbar.

Bild 1.4:

Längenänderungen beim ersten Anlassen des X155CrVMo12–1 nach einer Austenitisierung bei 1050 °C und Ölabschreckung /Lüb12/

1.2.2 Verformungen

Zur Verzugsentstehung beitragende Verformungen lassen sich in plastische und elastische Verformungen unterteilen. Die für die Maß- und Formänderungen infolge Wärmebehandlung relevanten elastischen Verformungen entstehen bei der Wärmebehandlung selbst und werden durch die Eigenspannungen des Bauteils hervorgerufen (s. Bild 1.1).

Jede Veränderung des am fertigen Bauteil vorliegenden Eigenspannungszustandes führt dann über plastische Verformungen unvermeidbar zu Änderungen in den elastischen Verformungen und damit zu Maß- und Formänderungen. Dies kann bspw. durch thermische oder mechanische Lasten im Einsatz des Bauteils erfolgen. Auch ein mechanischer Eingriff in das Spannungsgleichgewicht z.B. durch lokale Abtragprozesse führt zu Verformungen.

Zur Erzeugung von plastischen Verformungen sind Spannungen notwendig. Diese können mehrere Ursachen haben. Einerseits können es Wärme- und Umwandlungsspannungen sein, wie sie bei vielen Wärmebehandlungsprozessen aufgrund von thermischen bzw. thermischen und chemischen Gradienten entstehen. Diese werden im Detail im Abschnitt 1.3 diskutiert.

Andererseits können Lastspannungen zu Maß- und Formänderungen führen. Hier sei bspw. der Einsatz von Abschreckfixturen genannt, die zur gezielten Erzeugung von Richtkräften beim Abschrecken von bestimmten Bauteilgruppen wie bspw. Synchronringen, Schiebemuffen, Kupplungskörpern und Tellerrädern, eingesetzt werden /Hee99/. Aber auch durch Verspannen einer Gruppe von Führungsleisten werden Lastspannungen erzeugt, die die Einzelteile eines solchen Pakets in Form halten /Hub92/.

Nicht vergessen werden darf, dass das Eigengewicht des Bauteils als Lastspannung wirkt. Speziell für dünnwandige Teile können hier bei mangelnder mechanischer Unterstützung oder aber in Kombination mit Reibung zwischen Bauteil und Auflage, besonders bei mehrlagiger Chargierung, Lastspannungen in kritischer Höhe entstehen.

Letztendlich wirken Eigenspannungen, die aus den Prozessen vor der Wärmebehandlung stammen, genauso wie die oben erwähnten Eigenspannungen nach der Wärmebehandlung. Der Unterschied liegt darin, dass bei einer Wärmebehandlung die Temperaturen zwangsläufig höher sind als im Einsatz. Entsprechend können daraus deutlich größere Maß- und Formänderungen entstehen. Details zu diesem und dem vorangegangenen Aspekt werden in /Sur12/ am Beispiel der Produktion von Wälzlagerringen vorgestellt.

Aus den Spannungen können aber letztlich nur dann Maß- und Formänderungen resultieren, wenn sie zu plastischen Verformungen führen. Dies kann durch eine Überschreitung der Streckgrenze geschehen, durch Umwandlungsplastizität oder durch Kriechprozesse (Bild 1.1). Für jeden dieser Effekte ist die Ursache der Spannung unerheblich.

1.2.2.1 Plastische Deformationen durch Streckgrenzenüberschreitung

Beim erstgenannten Mechanismus bedarf es einer Mindestspannung, die größer als die lokale Streckgrenze ist. Diese Größe ist u.a. abhängig von der Temperatur (Bild 1.5, links). Bei niedrigen Temperaturen können vergleichsweise große Spannungen elastisch ertragen werden. Mit steigender Temperatur sinkt dieser Widerstand gegen eine plastische Deformation aber immer weiter ab, bis er bei üblichen Haltetemperaturen nur noch wenige zig MPa beträgt. Zudem tritt bei diesen Temperaturen nur noch eine geringe Verfestigung auf, so dass geringe Überschreitungen der Streckgrenze zu großen plastischen Deformationen führen können: 65 MPa reichen bei 700 °C aus, um eine plastische Deformation von 0,2 % zu erzeugen (Bild 1.5, rechts).

Bild 1.5:

Temperaturabhängigkeit der Streckgrenze des 100Cr6 im GKZ-geglühten Ausgangszustand (links) und zugehörige Spannungs-Dehnungskurven bei 20 und 700 °C gemessen mit einer Dehnrate von 40×10^-⁴ 1/s (rechts) /Lüb12/.

1.2.2.2 Plastische Deformationen durch Umwandlungsplastizität

Im Gegensatz zum gerade besprochenen Mechanismus benötigt die Umwandlungsplastizität keine Mindestspannung für plastische Deformationen. Das umwandlungsplastische Dehnungsinkrement ist proportional zum Spannungsdeviator (im einachsigen Lastfall proportional zur wirkenden Spannung) und tritt immer dann auf, wenn ein Umwandlungsprozess und eine Spannung zeitgleich auftreten /Bes93/. Dabei ist es gleichgültig, ob Austenit oder eine ferritische Phase gebildet wird. Die Proportionalitätskonstante zwischen der umwandlungsplastischen Dehnung und dem Spannungsdeviator hängt aber von der Art der Umwandlung ab /Dal06/.

In Bild 1.6 sind Dilatometerkurven für die Martensitbildung des 42CrMo4 dargestellt. Es zeigt sich, dass eine Spannung, die kurz vor Beginn der Umwandlung aufgebracht wird, die spannungsfreie Kurve deutlich verändert. Für die Martensitbildung beim 42CrMo4 ergab sich für die Proportionalitätskonstante ein Wert von 4,2×10^-⁵ mm²/N. D.h. bei einer Spannung von 50 MPa resultiert in diesem Fall nach vollendeter Umwandlung eine umwandlungsplastische Deformation von 0,2 %.

Die Umwandlungsplastizität sorgt speziell bei zeiligem Gefüge für eine Anisotropie und Ortsabhängigkeit der Umwandlungsdehnung. Insbesondere beim Erwärmen von Bauteilen im FP-geglühten Zustand mit ausgeprägten Zeilen aus Ferrit und Perlit können durch diesen Effekt auf mesoskopischer Ebene deutliche Maß- und Formänderungen der Bauteile auf makroskopischer Ebene hervorgerufen werden. Details dazu werden in /Hun12, Ren12/ vorgestellt.

Bild 1.6:

Einfluss von Spannungen auf das Längenänderungsverhalten bei der martensitischen Umwandlung am Beispiel des Stahls 42CrMo4 /Bes95/

1.2.2.3 Plastische Deformationen durch Kriechen

Auch der dritte verzugsrelevante Plastizitätsmechanismus – das Kriechen – bedarf keiner Mindestspannung. Er wirkt speziell bei erhöhten Temperaturen und ist ein zeitabhängiger Effekt (s. Bild 1.7). Selbst bei einer sehr moderaten Spannung von 5 MPa resultiert bei einer beim Aufkohlen üblichen Temperatur von 940 °C bereits nach einer Stunde eine plastische Deformation von 0,2 %.

1.2.2.4 Relevanz der Mechanismen

Die Umwandlungsplastizität ist sowohl beim Erwärmen als auch beim Abkühlen ein relevanter Verzugsmechanismus.

Die Streckgrenzenüberschreitung ist primär beim Abschrecken von großer Bedeutung. Beim Erwärmen spielt sie dann eine Rolle, wenn sehr große Fertigungseigenspannungen im Teil vorliegen, die bereits bei geringen Temperaturen die Streckgrenze überschreiten.

Das Kriechen spielt beim Abschrecken keine Rolle, da der für diesen Mechanismus notwendige Temperaturbereich recht schnell durchquert wird. Beim Erwärmen und Halten bzw. Aufkohlen hingegen darf dieser Mechanismus bei einer Bewertung möglicher Verzugsursachen nicht aus dem Auge verloren werden.

Bild 1.7: