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Wärtsilä / Componenta

Wärmebehandlung - Prozessschritte sparen, heißt Kosten sparen

Eigenspannungen, die im Gießprozess während Erstarrung und Abkühlung entstehen, können bei der späteren Bearbeitung oder im Belastungsfall zu Problemen führen. In einem konkreten Fall wurden bei einem Sphäroguss- Hauptlagerdeckel für die Anwendung im Schiffsbau nach Lagerung des Bauteils Maßänderungen beobachtet. Aus diesem Grund werden diese Gussteile nach dem Gießen einer Wärmebehandlung in Form von Spannungsarmglühen unterzogen.

Der finnische Gießereikonzern Componenta und die Firma Wärtsilä, Hersteller von Komponenten für den Marine- und Energiesektor, untersuchten gemeinsam, ob es möglich ist, das Spannungsarmglühen bei Hauptlagerdeckeln aus Gusseisen zu vermeiden. Diese Teile werden normalerweise für einen Tag einer Wärmebehandlung bei ca. 550-600 °C unterzogen. Wenn es möglich wäre, auf das Glühen zu verzichten, könnten die Durchlaufzeiten in der Gießerei deutlich verkürzt werden und so signifikante Kosteneinsparpotenziale realisiert werden.

Da beide Partner gewohnt sind, MAGMASOFT® Informationen zu nutzen, wurden mehrere Simulationen und Messungen der Formabkühlgeschwindigkeit durchgeführt. Ziel war, geeignete Simulationsparameter für korrekte Abkühlbedingungen von der Erstarrung bis zum Auspacken zu ermitteln, die die Grundlage für zuverlässige Eigenspannungsergebnisse darstellen. Die simulierten Eigenspannungen wurden mit den Messungen an den hergestellten Gussteilen verglichen, um den Eigenspannungszustand bei den Hauptlagerdeckeln vollständig nachvollziehen zu können. Schließlich wurden dimensionale Messungen an nicht wärmebehandelten Hauptlagerdeckeln jeweils vor und nach der Lagerung durchgeführt, um die Robustheit der Gussteile gegenüber während der Lagerung auftretenden Maßänderungen zu ermitteln. Zur Messung der Abkühlkurven wurden Sensoren in der Formkavität platziert. Dann wurde die Form geschlossen und unter normalen Produktionsbedingungen gegossen. Das Auspacken erfolgte nach 24-stündiger Abkühlung, zu diesem Zeitpunkt lagen die Temperaturen bei ca. 290 °C.

Im simulierten Modell wurden an denselben Stellen virtuelle Thermoelemente platziert, um die Temperaturen mit den Messkurven zu vergleichen. Die anfangs simulierten Abkühlkurven unterschieden sich stark von den im tatsächlichen Prozess gemessenen Kurven. Aufgrund der Erfahrung mit anderen Simulationsprojekten wurde entschieden, die Sandeigenschaften für die Simulation anzupassen, um simulierte und gemessene Kurven besser aufeinander abzustimmen. Nach Anpassung der Wärmeleitfähigkeit des Sandes in mehreren Iterationen waren die Kurven soweit verbessert, dass sie für die anschließende Untersuchung herangezogen werden konnten.

Zur genauen Vorhersage der Eigenspannungen wurde der Gießprozess mit diesen invers angepassten Sandeigenschaften simuliert. Im Anschluss wurden reale Gussteile hergestellt, deren Eigenspannungen durch Röntgenbeugungsanalyse an zwei Stellen in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Achsenrichtungen auf der Bauteiloberfläche gemessen wurden. Generell werden die Spannungen an der Gussteiloberfläche vom Kugelstrahlprozess beeinflusst, der auf dem Werkstoff bis zu einer Tiefe von ca. 1 mm unter der Oberfläche für hohe Druckspannungen sorgt. Aus diesem Grund hat der Vergleich von gemessenen und simulierten Kurven nur Gültigkeit für das unter dieser Schicht liegende Gussmaterial.

Die von-Mises-Spannungen wurden aus den in beide Richtungen gemessenen Spannungen berechnet. Das Bild oben zeigt die Werte für Messpunkt 1 mit den entsprechenden Simulationsergebnissen.

An Position 1 im Gussteil beträgt die simulierte Eigenspannung ca. 45 MPa, was durch die Messwerte bestätigt wird, die von 16 bis 53 MPa reichen (in einer Tiefe von 1,5 bis 5 mm unter der Gussteiloberfläche).

Im Bild unten ist die simulierte Verteilung der maximalen Hauptspannung im Hauptlagerdeckel dargestellt. Die höchsten Spannungen liegen in der Mitte des Gussteils, wobei es sich hier nicht um einen kritisch belasteten Bereich handelt. Die maximale Hauptspannung beträgt ca. 60 MPa. Die Simulation mit MAGMASOFT® konnte zeigen, dass die während des Gießens und Abkühlens auftretenden Eigenspannungen nicht hoch genug waren, um das Bauteil signifikant zu verformen. Die in der Simulation ermittelten Eigenspannungen reichen nicht aus, um deutliche Maßänderungen zu bewirken. Das Spannungsarmglühen kann deshalb entfallen. Zur Prüfung dieser Hypothese wurden 3 Hauptlagerdeckel ohne Glühen bearbeitet. Ihre genauen Abmessungen wurden mit einem 3D-Koordinatenmessgerät gemessen, bevor die Gussteile für die Dauer eines Monats gelagert wurden. Die Messung nach der Lagerung zeigte, dass die Maße nicht signifikant von den unmittelbar nach dem Abguss gemessenen Werten abwichen. Alle Maße, speziell die kritischen, lagen innerhalb der Toleranzen. Daher wurde in der Folge für diese Gussteilart auf das Spannungsarmglühen verzichtet, wodurch auf beiden Seiten deutliche Zeit- und Kostenersparnisse erzielt werden konnten.

Veröffentlichung in MAGMATIMES der MAGMA Gießereitechnologie GmbH, Jahrgang 25, Ausgabe 2/2018, mit freundlicher Genehmigung der Firmen Wärtsilä und Componenta, Finnland

Verteilung der maximalen Hauptspannung im Hauptlagerdeckel

Bild: Wärtsilä / Componenta