Bödecker, Jennifer (2013)
Randschichtmodifikation von integral verzweigten Blechprofilen mit UFG Gradientengefügen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Spaltprofilieren sowie Spaltbiegen sind innovative Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung integral verzweigter Blechstrukturen. Die aus Blechen hergestellten, verzweigten Strukturen sind insbesondere für Leichtbauanwendungen interessant, da durch die Verzweigungen eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Bauteilgewicht erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verfahren Spaltprofilieren und Spaltbiegen ist die prozessimmanente Entstehung ultrafeinkörniger (UFG) Gefüge. Die durch das Spaltprofilieren bzw. Spaltbiegen erzeugten UFG Gefüge weisen eine gelängte, pancake-förmige Kornform auf und liegen an den gespaltenen Bauteiloberflächen bis in eine Tiefe von 300 µm bzw. 500 µm vor. Mit den ultrafeinkörnigen Gefügen geht eine Verdopplung der Härte und Festigkeit sowie eine deutliche Erhöhung der Dauerfestigkeit einher, verglichen zu dem Blechmaterial im unverformten Ausgangszustand. Durch die sehr guten mechanischen Eigenschaften der UFG Gefüge und durch die Form der Spaltprofile eignen sich spaltprofilierte Bauteile insbesondere für den Einsatz als Linearführung. Spaltgebogene Profile können in Stringerprofile umgeformt werden und bieten so die Möglichkeit, beispielsweise im Bereich der Luftfahrt eingesetzt zu werden. Im Hinblick auf eine mögliche Anwendung von Spaltprofilen als Linearführungen soll die Härte und somit die Verschleißbeständigkeit der UFG Gradientengefüge in Spaltprofilen durch Plasmanitrieren weiter verbessert werden. Aufgrund der geringen thermischen Stabilität der UFG Gefüge müssen geeignete Prozesstemperaturen gefunden werden, um zum einen geschlossene Verbindungsschichten zu erzeugen und eine Steigerung der Bauteilhärte zu gewährleisten, und zum anderen nicht durch zu hohe Prozesstemperaturen das UFG Gradientengefüge in Spaltprofilen zu zerstören. Prozesstemperaturen von 500°C, welche im Fall einer reinen Wärmebehandlung von UFG Gefügen zu einem deutlichen Härteverlust durch Erholungsprozesse führen, bewirken im Fall einer Nitrierbehandlung eine deutliche Härtezunahme. Bedingt durch die Stabilisation des Gefüges durch den eindiffundierenden Stickstoff bzw. Nitridausscheidungen, finden Kornvergröberungsprozesse nur gehemmt statt, das Gefüge bleibt ultrafeinkörnig. Während des Nitrierens finden zunächst Erholungsprozesse statt, welche zu einem Härteverlust führen. Dieser Härteverlust wird durch den härtesteigernden Effekt des Nitrierens ausgeglichen. Neben einer gesteigerten Härte nimmt auch die Lebensdauer unter zyklischer Belastung durch eine Plasmanitrierbehandlung der UFG Gefüge in Spaltprofilen zu. Die harte Verbindungsschicht wirkt sich positiv auf die Ermüdungsfestigkeit der UFG Gefüge aus, indem sie einer Rissbildung entgegenwirkt. Auch die hohe Härte der Diffusionszone trägt zu einer Verbesserung der Lebensdauer unter Ermüdungsbelastung bei. Die stützende Wirkung der Diffusionszone sowie die hohe Härte der Verbindungsschicht wirken sich zudem positiv auf den Widerstand des Materials gegenüber Wälzverschleiß aus. Aufgrund der stark gelängten, pancake-förmigen Kornform der UFG Gefüge in Spaltprofilen liegen im Vergleich zu nanokristallinen bzw. gleichachsigen UFG Gefügen deutlich längere Diffusionswege für eine Korngrenzdiffusion von Stickstoff in das Material hinein vor. Dies verursacht einen langsameren Stickstofftransport senkrecht zur gespaltenen Oberfläche der Spaltprofile, welcher den Vorteil der beschleunigt stattfindenden Diffusion im Bereich des UFG Gefüges kompensiert. Die ultrafeinkörnigen Oberflächen in Spaltprofilen zeigen aufgrund ihrer hohen Versetzungsdichte sowie aufgrund der hohen Korngrenzdichte dennoch eine bessere Nitrierbarkeit als korrespondierende grobkörnige bzw. kaltverfestigte Gefüge. Der Einfluss der hohen Versetzungsdichte bzw. der hohen Korngrenzdichte auf die Nitrierbarkeit der UFG Gradientengefüge in Spaltprofilen wurde durch eine Separation der beiden Einflussfaktoren untersucht. Für den Einsatz von Spaltbiegeprofilen in Form von Stringerprofilen im Bereich der Luftfahrt sind die Ermüdungseigenschaften der ultrafeinkörnigen Gefüge von großer Wichtigkeit. Eine weitere zu optimierende Eigenschaft stellt somit das Ermüdungsverhalten von UFG Gefügen in Spaltbiegeprofilen dar. Dies soll durch Kugelstrahlen erreicht werden, einer klassischen Methode zur Steigerung der Schwingfestigkeit metallischer Bauteile. Die Gründe für die Wahl liegen in der einfachen Anwendung von Kugelstrahlen bei geometrisch komplizierteren Bauteilen und in der Geschwindigkeit des Verfahrens, die eine Integration in den Spaltbiegeprozess denkbar macht. Der Einfluss von Kugelstrahlen auf UFG Gefüge, als nachträgliche Methode zur Steigerung ihrer Ermüdungsfestigkeit, ist bislang noch nicht bekannt. Ultrafeinkörnige Gefüge bieten aufgrund ihrer erhöhten Festigkeit prinzipiell ein großes Potential zum Einbringen von Druckeigenspannungen. Kugelstrahlen könnte somit die Ermüdungsfestigkeit von Werkstoffen mit UFG Gefügen steigern und ihr Leichtbaupotential weiter verbessern. Am Beispiel von Kugelstrahlen ultrafeinkörniger Gradientengefüge kann gezeigt werden, dass eine Ausbildung merklicher Druckeigenspannungen stattfindet. Bedingt durch das geringe Verfestigungsvermögen der UFG Gefüge in Spaltbiegeprofilen führt Kugelstrahlen nicht zu einer Härtezunahme des Werkstoffes. Die UFG Gefüge erweisen sich als zyklisch stabil. Dennoch kann durch Kugelstrahlen keine Verbesserung der Ermüdungseigenschaften der ultrafeinkörnigen Gefüge erreicht werden. Bestenfalls bleiben die Ermüdungseigenschaften unverändert, im Fall zu hoher bzw. zu niedriger Strahldrücke verschlechtern sich die Lebensdauern der UFG Gefüge unter zyklischer Belastung. Eine weitere Optimierung des Strahldruckes lässt nur eine geringfügige Steigerung der Lebensdauer erwarten, d.h. durch Kugelstrahlen kann die Ermüdungsfestigkeit der UFG Gefüge in Spaltbiegeprofilen, trotz Einbringung hoher Druckeigenspannungen, nicht signifikant gesteigert werden.

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