A comparative study has been carried out for an analysis of the heat transfer conditions in a gas cooling process of metallic specimens. Two different specimen geometries, namely a bevel gear and a helical gear streamed by a high-velocity cooling air flow at atmospheric pressure are investigated. Local and integral heat transfer coefficient distributions of these relevant specimen geometries have been monitored using direct and indirect measurement techniques as well as numerical simulations. It is found that the measurements of the helical gear are well correlated by classical correlations found in the literature. However the heat transfer from the bevel gear tends to be underpredicted when using standard correlations. In both cases, numerical simulations give satisfying predictions of the local heat transfer coefficient.

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KurzfassungIn der “Leittechnologie für Morgen – Ressourceneffiziente Prozesskette für Hochleistungsbauteile” (EcoForge) wird eine verkürzte Schmiedeprozesskette für Hochleistungsbauteile entwickelt, die Energie-Einsparungen von > 30 % ermöglicht. Diese Prozesskette wird für hochfeste duktile bainitische Stähle (HDB) optimiert. Dies geschieht, indem unter direkter Ausnutzung der Schmiedewärme unmittelbar an den Schmiedeprozess eine auf den Stahl zugeschnittene Wärmebehandlung vorgenommen wird. Dabei wird die Gefügeumwandlung im Bauteil durch eine neuartige Hochtemperatur-Wirbelstromtechnik während der Abkühlung ermittelt. Die Messsignale werden online erfasst und stehen zur Steuerung der Temperaturführung im Abkühlpfad zur Verfügung. Noch während der Wärmebehandlung, insbesondere der isothermen Wärmebehandlung im Gebiet des Bainits und in ihrem Anschluss, werden weitere Bearbeitungsschritte wie die Heißzerspanung und die Lauwarmumformung vorgenommen. Die Bearbeitungsschritte finden bei Bauteiltemperaturen von ca. 300–500 °C statt. Diese hohen Temperaturen ermöglichen die Bearbeitung des Zielgefüges bei reduzierten mechanischen Belastungen der Werkzeuge. Die erzeugten Mikrostrukturen werden mittels einer neuentwickelten REM-Bildanalyseroutine quantitativ charakterisiert. Simultan zu den experimentellen Untersuchungen wird die gesamte Prozesskette numerisch abgebildet und die Gefügeevolution der Schmiedebauteile im Prozess simuliert.

KurzfassungIn der AiF-Initiative „Leittechnologien für Morgen – Ressourceneffiziente Prozesskette für Hochleistungsbauteile – EcoForge“ wurde unter der Zielsetzung der Steigerung der Energieeffizienz und Ressourcenschonung eine verkürzte Schmiedeprozesskette für Hochleistungsbauteile, ausgerichtet auf den Leichtbau und eine inhärente Bauteilsicherheit, entwickelt. Ein Aspekt im Hinblick auf die Verkürzung der Prozesskette war dabei die sensorkontrollierte und gesteuerte bainitische Umwandlung hochfester, duktiler, bainitischer Stähle (HDB) direkt aus der Schmiedewärme. Im Rahmen des Teilprojektes „Sensorkontrollierte Werkstoffumwandlung“ wurde ein Bainitsensor-Prüfsystem mit einer speziell ausgerichteten, robusten Sensortechnik entwickelt, das die zerstörungsfreie und berührungslose In-situ-Erfassung der Werkstoffumwandlung sowie der Phasen- und Gefügeausbildung von Hochleistungsbauteilen aus Stahlwerkstoffen während der Abkühlung aus dem Austenitgebiet ermöglicht. In Kombination mit einer Abkühlung im Wasser-Luft-Sprayfeld konnte eine gesteuerte und individuell angepasste Abkühlung von Schmiedebauteilen direkt aus der Schmiedewärme und die gezielte Einstellung von Gefügen und Bauteileigenschaften realisiert werden. Durch den Einsatz des Bainitsensor-Prüfsystems lassen sich der Umwandlungsbeginn, der aktuelle Umwandlungsgrad und das Umwandlungsende – auch unter industriellen Randbedingungen – zuverlässig erfassen, die Gefügeausbildung von Ferrit-Perlit, Bainit und Martensit bereits im Abkühlpfad anhand charakteristischer Signalverläufe unterscheiden und klassifizieren sowie eine Quantifizierung der Gefügeanteile in Mischgefügen vornehmen. Aufgrund seiner Robustheit sowie der Möglichkeit, Messsignalverläufe online im Prozessablauf auszuwerten und Effekte wie Randentkohlung oder Verzunderung empfindlich nachzuweisen, ist das Prüfsystem neben der Erfassung der Werkstoffumwandlung zudem zur Online-Qualitätssicherung in industriellen Schmiede- und Wärmebehandlungslinien geeignet.

Numerical simulations based on a conjugate heat transfer solver have been carried out to analyze various gas quenching configurations involving a helical gear streamed by an air flow at atmospheric pressure in a gas quenching chamber. In order to optimize the heat transfer coefficient distribution at key positions on the specimen, configurations involving layers of gears and flow ducts comprising single to multiple gears have been simulated and compared to standard batch configurations in gas quenching. Measurements have been performed covering the local heat transfer for single gears and batch of gears. The homogeneity of the heat transfer coefficient is improved when setting up a minimal distance between the gears (batch density) and when introducing flow ducts increasing the blocking grade around the gears. An offset between layers of the batch as well as flow channels around the gears plays a significant role in increasing the intensity and the homogeneity of the heat transfer in gas quenching process.