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Kryogenes Drehen metastabiler austenitischer Stähle – Analyse der Wirkzusammenhänge zwischen Einstellgrößen, Prozessgrößen und Oberflächenmorphologie

  • Die Ermüdungsfestigkeit und Verschleißbeständigkeit eines Bauteils hängt maßgeblich von dessen Oberflächenmorphologie ab. Neben einer niedrigen Rauheit ist daher für eine Vielzahl technischer Anwendungen eine verfestigte Randschicht vorteilhaft. Metastabile austentische Stähle können hierzu nach der spanenden Bearbeitung durch mechanische Verfestigungsprozesse wie bspw. Kugelstrahlen nachbehandelt werden. Die Randschichtverfestigung resultiert dabei aus einer Überlagerung von Kaltverfestigungsmechanismen und verformungsinduzierter Martensitbildung. Kryogenes Drehen als Endbearbeitung kann, je nach Prozessauslegung und Anforderung an die Bauteiloberfläche, durch die integrierte Randschichtverfestigung einen nachgelagerten separaten Verfestigungsprozess obsolet machen. Umfangreich untersucht ist hierbei der Einfluss der Schnittparameter sowie der Kühlstrategie auf die Prozessgrößen und die Oberflächenmorphologie. Generell begünstigen niedrige thermische und hohe mechanische Lasten die verformungsinduzierte Martensitbildung und somit die Randschichtverfestigung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst der Einfluss des Werkstoffs und der Werkzeugeigenschaften untersucht. Dabei zeigte sich, dass sich trotz chargenbedingten Unterschieden in der chemischen Zusammensetzung eine robuste Randschichtverfestigung realisieren lässt und sich die thermomechanische Last und die Oberflächenmorphologie in Abhängigkeit der Werkzeugeigenschaften gezielt einstellen und verbessern lassen. Weiterhin wurde der Martensitgehalt in Abhängigkeit der beim kryogenen Drehen vorherrschenden thermomechanischen Last modelliert. Abschließend wurde die Oberflächenmorphologie in einem neuartigen Ansatz durch zwei konsekutive Bearbeitungsschritte verbessert.
  • The fatigue strength and wear resistance of a component are largely determined by its surface morphology. In addition to low roughness values, a hardened surface layer is desirable for a large number of technical applications. Metastable austenitic stainless steels can be hardened by means of mechanical hardening processes such as shot peening. The hardening of the surface layer results from a superposition of strain hardening mechanisms and deformation-induced phase formation from austenite to martensite. Depending on the process design and the requirements on the surface of the component, cryogenic turning as a finishing process can make a subsequent hardening process obsolete because the surface hardening is integrated into the machining process. The influence of the cutting parameters and the cooling strategy on the thermomechanical load and the surface morphology has been extensively investigated in the past and is already well understood. In general, low thermal and high mechanical loads favour the deformation-induced formation of martensite and thus the hardening of the surface layer. Within the presented work, the influence of the workpiece material and the tool properties were investigated. It was shown that, despite batch-related differences in the chemical composition, a robust surface layer hardening can be achieved and that the thermomechanical load and the surface morphology can be specifically adjusted and improved depending on the tool properties. Furthermore, the martensite content was modelled as a function of the thermomechanical load measured during cryogenic turning. Finally, the surface morphology was improved in a novel approach that employs a two-step turning process.

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Metadaten
Author:Hendrik HotzORCiD
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-63299
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6329
ISBN:978-3-95974-146-0
Serie (Series number):Produktionstechnische Berichte aus dem FBK (01/2021)
Advisor:Jan C. Aurich
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2021/04/19
Date of first Publication:2021/04/19
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2021/01/28
Date of the Publication (Server):2021/04/20
Tag:Drehen; Martensit; Oberflächenmorphologie
martensite; surface morphology; turning
Number of page:VI, 126
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)