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Diese Arbeit ist in erster Linie eine Abhandlung über das Nitrieren und Nitrocarburieren von hochbeanspruchten Kurbelwellen. Es wurden verschiedene Versuchschargen an einem BMW-internen Gas-Nitrocarburierofen gefahren und ausgewertet, um möglichst zeichnungsgerechte Resultate einzustellen. Dabei erwies es sich als äußerst schwierig, den porösen Randbereich so gering zu halten, dass er im nachgeschalteten Fein-Schleifprozess restlos entfernt werden kann. Besonders kritisch waren dabei Porenzeilen bzw. -ketten anzusehen, welche teilweise in Tiefen vordringen, welche ca. 90 % der Gesamtverbindungsschichtdicke entsprechen. Die geforderte Mindestschichtdicke von 15 [my]m (nach dem Fein-Schleifen) in Kombination mit der eingestellten Behandlungstemperatur von 585 ˚C, der sehr kurzen Behandlungszeit von 220 min und der Vorgabe nach restloser Poren-Entfernung war durch die Einstellung der Begasung allein nicht zu gewährleisten. Des Weiteren wurde die Prozesssicherheit dieser Anlage hinsichtlich der Temperaturverteilungen und -abweichungen mit den daraus resultierenden Nitrierergebnissen dargestellt. Es zeigten sich trotz relativ geringer Temperaturabweichungen innerhalb der Heizkammer deutliche Schichtdicken-, Porenanteil- und Nitrierhärtetiefen-Unterschiede. Mit abnehmenden Begasungsmengen bzw. -raten verstärkten sich diese Unterschiede innerhalb einer Charge deutlich, sodass davon auszugehen ist, dass neben der Temperaturverteilung auch die Gasverteilung im Ofen relevanten Schwankungen unterliegen muss. Aufgrund der großen Verbindungsschichtdicken mit nicht unerheblichen Porenanteil lag die Überlegung nahe, die Kurbelwellen hinsichtlich Ihres Verschleißes im Betrieb zu untersuchen. Im Vordergrund stand die Frage, ob der Porensaum mitsamt tiefer liegenden Porenketten im Betrieb tatsächlich zu Ausbrüchen und somit zu Schäden und Folgeschäden führt. Dazu wurden Kurbelwellen des werkseigenen Motorenprüfstands nach ca. 22-stündigen Motorenaudits an den Lagerflächen der Haupt- und Hublager sowie der beiden Verzahnungen untersucht. Die Zahnflanken von Starterfreilauf- sowie Primärritzel zeigen nach dem Motorenaudit oberflächliche Abplatzungen und teilweise starke Glättungen der fertigungsbedingten Hohlriefen. An den Bereichen der stärksten Glättung kommt es zu den erwähnten Ausbrüchen, was auf starke partielle Belastungen schließen lässt. Diese Abplatzungen verlaufen dabei in ihrer Gesamtheit stets parallel zu den Hohnriefen. An den Lagerflächen kommt es dagegen zu einer Vielzahl von Verschleiß- und Schädigungsspuren. Es zeigten sich Spuren von Kavitationsschäden auf den Laufflächen, Sprödbrüche an den Fasen der Ölbohrungen sowie eine Vielzahl von Querrissen (senkrecht zur Laufrichtung). Die Sprödbrüche an den Ölbohrungen sind linsenförmig und ca. 100 - 200 [my]m lang. Zum Teil entstehen diese bereits beim Finishen bzw. Feinschleifen. Die Kavitationsschäden weisen nach dem Audit Längen bis zu 300 [my]m auf und finden sich vor allem an den dynamischer belasteten Hublagern. Das interessanteste Verschleißbild ist jedoch das Risswachstum senkrecht zur Laufrichtung der Lager. Diese Risse verlaufen stets parallel zueinander und sind über den kompletten Lagerumfang sowie dessen Breite vorzufinden. Sie weisen lediglich eine Länge von ca. 50 [my]m auf. Kritisch ist jedoch die große Anzahl der Risse und deren Verteilung über alle Lager und deren gesamte Fläche. Aufgrund der deutlichen Verschleißspuren der Verbindungsschichten und dem fertigungstechnisch hohen Aufwand des in der Serie betriebenen Gas-Nitrocarburierens wurde weiterhin das Plasmanitrieren als Alternative beleuchtet. Als Nachteile des Serienprozesses sind die hohen Begasungsmengen, der geringe Chargennutzraum sowie die vor- und nachgeschalteten Arbeitsschritte mit entsprechenden Anlagen und Betriebskosten anzusehen. Vor allem der große Durchsatz an Ammoniak von drei m 3 pro Stunde und Anlage zieht Umwelt- und Gesundheitsauflagen sowie erhöhte Kosten mit sich. Es wurden zwei Kurbelwellen und mehrere Proben bei der Firma Eltropuls im Plasma nitriert. Dabei lag das Hauptaugenmerk gegensätzlich zur Zeichnungsvorgabe auf sehr dünnen Verbindungsschichten von ca. 5 [my]m. Die Nitrierhärtetiefe sollte sich in etwa mittig der Toleranzen befinden und wurde auf 0,3 mm vereinbart. Um den Prozess wirtschaftlich interessant zu gestalten, wurde angestrebt, keine weitere Nachbehandlung nach dem Nitrieren durchzuführen. Das bedeutet den kompletten Entfall des Finishens. Da es zu diesem Zeitpunkt innerhalb der Fertigung keine Möglichkeit gab, die Lagerdurchmesser vor dem Nitrieren 8 - 10 [my]m (entspricht Finishabtrag) kleiner zu gestalten, wurde die Versuchskurbelwelle vor dem Nitrieren gefinisht. Somit wurde sichergestellt, dass die Lagerdurchmesser nicht oberhalb der Toleranzen liegen und somit die Lagerspiele zu klein ausfallen. Die Kurbelwelle wurde in einem ansonsten unveränderten K46 Serienmotor verbaut und einem 22-stündigen Auditlauf mit vorgeschaltetem sechs-stündigen Einlaufprogramm unterzogen. Der Prüfstandslauf verlief in jeder Hinsicht unauffällig. Leistung, Drehmoment, Akustik und Partikelbelastung im Motoröl waren mit der Serie vergleichbar. Des Weiteren ergab die Untersuchung der Kurbelwelle keine Anzeichen für Sprödbrüche oder Rissbildung. Bereits mit bloßem Auge war der Traganteil eines jeden Lagers sichtbar, da diese konstruktiv ballig ausgelegt sind. Dies ist durch den verstärkten Abrieb der Oxidschicht als Einlaufschicht zu erklären. Bei den Verzahnungen zeigte sich jedoch ein deutlicher Abfall der Nitrierhärtetiefe von 0,3 mm an der Zahnspitze auf 0,09 mm im Zahngrund. Das Plasma konnte also nicht im vollen Maße in den Spalt zweier Zähne eindringen. Allerdings war kein Verzug der Verzahnung messbar, sodass die nur schwache Randaufhärtung im Zahngrund offensichtlich ausreichend war. Schliffe in Längs- und Querrichtung verschiedener Lager zeigten keinerlei Verbindungsschichtausbrüche oder Abplatzungen. Die Oxidschicht wirkte teilweise sehr unregelmäßig abgetragen. Neben dem mechanischen Abrieb ist ein Herausreißen durch Kavitation denkbar. Unter dem Rasterelektronenmikroskop wird deutlich, dass sich stark beanspruchte Bereiche der Oxidschicht stark geglättet haben, bevor sie abgetragen wurden. Messungen der Lagerrauigkeiten bestätigten eine leichte Glättung der gelaufenen Kurbelwelle im Vergleich zur selben Kurbelwelle vor dem Audit.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde das Bruchverhalten an verschiedenen Proben untersucht. Zu diesen gehörten patentiert gezogene Federstahldrähte und Schraubendruckfedern aus patentiert gezogenem und ölschlussvergütetem Federstahldraht. Die Drähte wurden dabei durch Zug- und Torsionsversuche und die Schraubendruckfedern durch Dauerschwingversuche bis zum Bruch belastet. Mittels Stereomikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie wurden die Brüche auf ihre Bruchmerkmale untersucht und die Bruchursachen festgestellt. Vereinzelt wurden Röntgenanalyse (Röntgendiffraktogramme aufgenommen in Bragg-Brentano-Anordnung, Texturanalyse mittels Polfiguren, Eigenspannungsanalyse) oder Metallographie begleitend herangezogen. Grundsätzlich stand bei den Untersuchungen eine Erklärung der Unterschiede in den Festigkeitseigenschaften und des Bruchverhalten in Abhängigkeit einer variierenden Wärmebehandlung oder Federstahldrahtsorte im Vordergrund. Des Weiteren sollten Schraubendruckfedergruppen, die sich in dem Zeitpunkt einer Wärmebehandlung nach dem Kaltumformen zur Feder unterschieden, auf eventuell vorhandene Mikrorisse untersucht werden. In Bezug auf die patentiert gezogenen Federstahldrahte konnten deutlich erkennbare Unterschiede in Abhängigkeit einer vorangestellten Wärmebehandlung erkannt werden. Dabei wiesen Proben, die eine 10 bis 30 minütige Wärmebehandlung bei 200˚ C erfuhren, die geringste Plastizität auf. Mit steigender Temperatur der Wärmebehandlung war allerdings wieder einer Zunahme dieser zu verzeichnen. Mit den verwendeten Untersuchungsmethoden konnten allerdings keine erklärenden Unterschiede zwischen den unterschiedlich wärmebehandelten Proben festgestellt werden. In Bezug auf die Schraubendruckfedern konnte der Längsfehlers (Ziehstruktur) am meisten beobachtetet werden. Ebenso waren zwischen den Brüchen der Schraubendruckfedern aus patentiert gezogenem und solchen aus ölschlussvergütetem Federstahldraht Unterschiede feststellbar. Nur in Bezug auf die Schraubendruckfedern aus patentiert gezogenen Federstahldrähten konnte allerdings ein deutlicher Bezug zur Wärmebehandlung festgestellt werden. Auf Grund von nicht auffindbaren Mikrorissen, konnte bei den Schraubendruckfedern kein Zusammenhang zwischen einem Auftreten von Mikrorissen und der Zeitspanne zwischen Kaltumformung und Wärmebehandlung beobachtet werden.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wird der Einfluss von Si, Mn, Ti, Mo, Zr und Cr auf Gießbarkeit und mechanische Eigenschaften von AlSi-Druckgusslegierungen im Gusszustand analysiert. Neben thermodynamischen Simulationen mit JMatPro® und PANDAT® werden Zug- und Plättchen-Biegeversuche, Makro- und Martenshärtemessungen sowie Licht- und Rasterelektronenmikroskopie mit EDX durchgeführt. Legierungsabgüsse in eine Gießspiral-Kokille zeigen bei ≤ 6 wt% Si eine verminderte Fließfähigkeit. Dennoch sind im Druckguss reproduzierbare Abgüsse komplexer, dünnwandiger Prinzipbauteile möglich. Eine Reduzierung der Si-Konzentration führt dabei zu ansteigenden Werten von Bruchdehnung und Biegewinkel bei gleichzeitigem Festigkeits- und Härteverlust. Auffällig ist dabei das Auftreten des Portevin-LeChatelier Effekts bei ≤ 6 wt% Si. Eine Mn-Steigerung führt aufgrund von Mischkristallverfestigung und erhöhtem Anteil von Al15(Fe,Mn)3Si2 zu Festigkeitszuwachs in Verbindung mit Duktilitätsverlust. In Legierungen mit 4 wt% Si treten in der Gießspiral-Kokille ab einem Mn/Fe-Verhältnis von 5,7 und im Druckguss ab 7,5 statt kleiner, runder Fe/Mn-haltiger Phasen verstärkt nadelige Morphologien auf. Bei Erstarrung vor den Al-Dendriten werden diese jedoch blockig. Der kritische Mn-Gehalt für diese vordendritische Erstarrung sinkt mit steigendem Si-Gehalt. Außerdem werden die nadeligen Phasen bei Zugabe von Mo durch Bildung einer AlFeMnMoSi-Phase klein und rund. Bei vordendritischer Erstarrung erscheinen diese mit grober, blockiger Morphologie. Cr-Zugabe führt hingegen verstärkt zur Bildung skelettförmiger Al15(Fe,Mn,Cr)3Si2-Phasen und wird außerdem in den Mo-haltigen Phasen nachgewiesen. Durch beide Elemente steigt die Festigkeit und sinkt die Duktilität nur geringfügig. Durch Erhöhung der Ti- und Zr-Konzentration sinkt die Dendritengröße und steigt die Härte in der Gießspiral-Kokille, was im Druckguss zu erhöhter Festigkeit und Duktilität führt. Zr verursacht aufgrund seines gegenüber Al größeren Atomradius eine effektive Mischkristallverfestigung und steigert damit die Festigkeit bei gleichbleibend hoher Duktilität. Allerdings begünstigt die Zr-Zugabe im Gusszustand als einziges der untersuchten Elemente die Aushärtbarkeit der Legierungen. Dies wird experimentell mit Härtemessungen und Kennwertermittlung nach Langzeitauslagerung bei 120 ˚C für 500 h und mit JMatPro®-Rechnungen bestätigt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von Massen- und Volumenänderungen durch Materialabbrand infolge des Einwirkens von Schaltlichtbögen an einem Silber-Zinnoxid-Kontaktwerkstoff. Dabei soll besonders der Bereich zu Beginn der Lebensdauer erfasst werden. Der Abbrand wird für eine Reihe von Schaltspielzahlen in Wechselstromschaltversuchen mit einem Motorschütz erzeugt. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung einer Methodik für die Bestimmung der Volumendifferenzen aus dreidimensionalen Profildaten, die mittels optischer Profilometrie aufgenommen werden. Die Ermittlung des Massenverlustes ist mit hinreichender Genauigkeit möglich, was mit einer Gegenüberstellung des Massenverlustes aller Proben mit der jeweils in den Schaltlichtbögen umgesetzten Energie bestätigt wird. Der relative Fehler bei der am häufigsten geschalteten Probe beträgt rund 2 \%. Die Korrelation von Massen- und Volumenänderungen ergibt bei den genutzten Versuchsbedingungen keinen der zu erwartenden Zusammenhänge, da der aus dem Messverfahren und den Auswerteschritten entstehende Fehler bei der Volumenbestimmung etwa in der Größenordnung des Abbrandvolumens liegt. In den Versuchsreihen liefert die Massenbestimmung genaue, verwertbare Ergebnisse. Wenn die Versuchsbedingungen so verändert werden, dass größere Abbrände entstehen, ist zu erwarten, dass auch für die Volumenbestimmung eindeutige Ergebnisse erzielt werden können.

Metallographische Schliffe erlauben den direkten Einblick in das Gefüge eines Werkstoffes und sind somit oftmals unerlässlich, um die Beziehung zwischen Struktur, Gefüge und Werkstückeigenschaften zu erkennen. Gerade in der Qualitätsprüfung ist diese Art der nicht automatisierbaren zerstörenden Werkstoffprüfung von Bedeutung und wird dort angewendet. Dem voraus geht eine auf das zu untersuchende Material speziell abgestimmte Präparationsmethode. Ziel dieser Arbeit ist die Optimierung der vorliegenden Präparationsmethode einer Verschleißschutzschicht bei der N3 Engine Overhaul Services GmbH & Co.KG. Es werden Variationen der derzeitigen Methode hinsichtlich gezielt ausgewählter Aspekte getestet. Die daraus erhaltene Aktualisierung der Präparationsparameter führt zu Vorteilen gegenüber der bisherigen Methode. Einsparungen in puncto Zeit- und Materialaufwand, ein vermindertes Verletzungsrisiko sowie eine gesteigerte Reproduzierbarkeit der Präparation zählen zu den Vorzügen der neuen Methode. Darüber hinaus wird die Beschichtung mittels REM/EDX- und RFA-Untersuchungen charakterisiert, um einen erweiterten Einblick in das Schichtmaterial zu erhalten.