Keßler, Olaf
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Item-typ:Veröffentlichung, A simulation study to systematically evaluate the effects by design modifications in a complex gear geometry on distortion behavior(2025-04-16); In response to economic and ecological demands, weight reduction has become a paramount objective in the automotive industry, driving innovation in materials and component design for lightweight construction. However, achieving lightweight components without compromising production feasibility presents challenges. The process of heat treatment, aimed at enhancing material properties, introduces size and shape alterations, alongside residual stresses, which can impact subsequent manufacturing and component longevity. Understanding the mechanisms behind these changes is crucial for cost-effective design and post-processing. While in-situ measurement techniques are limited in heat treatment facilities, simulation software offers a viable alternative for studying dimensional alterations. Despite recent advancements in simulation tools, the complexity of heat treatment processes demands comprehensive material parameters and boundary conditions, often making computations time-consuming. While existing simulations primarily focus on process optimization and property enhancement, research into the impact of geometric variations on final distortion behavior remains limited. This study aims to bridge this gap by investigating the influence of geometric variations on distortion behavior through heat treatment simulation, contributing to a deeper understanding of lightweight component design optimization. In preparation for the numerical investigations, extensive work was carried out to determine the temperature- and location-dependent heat transfer coefficient (HTC) and the conversion behavior. Extensive calibration and validation work was also carried out. In the numerical area, cyclical boundary conditions were programmed for 3D simulation of the gear. After partial validation, this model was used in close combination with experimental work to evaluate the compensation potential of modified cross-sectional transitions. Ultimately, the model was used to gain a deeper understanding of the complex interplay of geometry, thermal and transformation-induced strains.Dissertation43 31 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Kriterien für Wälzlagerstähle für das Induktionshärten(2020-02-04); ; ; Induction hardening of bearing components offers advantages over other hardening techniques like low energy consumption and connected emissions, superior mechanical properties and the use of low alloyed steel grades. The used steel alloy for induction hardening has a pronounced impact on the hardening result. The dissertation aims at identifying a suitable and robust bearing steel for induction hardening. Based on a literature study, potential bearing steels were selected and compared in terms of heat treatment robustness using a dilatometer. Larger hardness of the prior microstructures as well as low alloyed steel grades were shown to reveal a robust hardening result. The rolling contact fatigue performance was evaluated as one important property of bearing steels. Larger carbon contents or as-heat treated hardness showed superior behavior for classical measures of rolling contact fatigue performance, while lower carbon contents led to smaller and less crack appearance. The roles of different alloying elements, prior austenite grains sizes and residual stresses were discussed. A medium carbon steel was identified as a good compromise revealing a robust heat treatment result and good fatigue performance.Dissertation403 239 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Einfluss der Prozessparameter auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften sprühkompaktierter, hochlegierter Al-Mg-Si-Legierungen(2011-07-21); ; ; Alloying of aluminum with high content of magnesium and silicon (>20 mass-% Mg2Si) offers the possibility of a significant decrease in density (density Mg2Si 2.0 g/cm3) and an increase in stiffness (Young´s modulus Mg2Si 120,000 MPa) at the same time. Due to the high solidification rate a very fine distribution of the Mg2Si-particles can be achieved by spray forming. Twelve aluminum alloys with Mg2Si-contents between 22 and 30 mass-% and additional alloying elements like copper, titanium, vanadium and zirconium were successfully spray formed, extruded and heat treated with different process conditions. A Mg : Si ratio close to the equilibrium mass ratio of Mg2Si (approx. 1.73 : 1) is adjusted for all these alloys. Those new light-weight aluminum alloys have been investigated regarding microstructure, density and mechanical properties. An increase of the Mg2Si-content reduces the density below 2.5 g/cm3 while improving the mechanical properties. Tensile tests at elevated temperatures exhibit a good thermal resistance. Furthermore, a significant dependency of microstructure on mechanical properties was noticed. The microstructural investigations indicate the direct influence of the process parameters on the observed phases respectively properties. Applications of the new light-weight aluminum alloys can be expected where a reduced density together with a high hot yield strength would lead to a more compact design in high temperature environments, e.g. in combustion engines.Dissertation293 135 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Flow Conditioning in Heat Treatment by Gas and Spray Quenching(2017-05-12); ; ; Gas quenching has been known for centuries as a convenient, affordable method to heat treat ferrous alloys. Heated parts are taken out of the furnace and quenched at ambient pressure, casually using a blower to increase the heat exchange. Technical developments in the metal industry, over the last decades, have seen a constant improvement of the ratio of heat exchange, e.g. by using pressured chambers, specific blowers, and a variety of gases and gas mixtures. The current gas quenching technologies are adapted to heat treatable metals found in the automotive industry, requesting a minimum heat exchange ratio, also depending on the part geometry. Little has been however investigated concerning the quenched batch, defined as the arrangement of the heated parts onto a single- or multiple-layer charge carrier. The present work, through a combination of experimental and numerical techniques, provides guidelines to adapt the batch to a specific gas flow pattern (spatial fitting), and to adapt the gas flow pattern to the batch structure (temporal fitting). Measurement techniques have been developed to assess the flow patterns inside industrial quenching chambers. Evaluated flow structures have been converted to numerical boundary conditions for extended simulations tools. Simulations have helped implementing technical solutions for flow correction in industrial gas quenching chambers. Furthermore, simulations have served the design of batches of various geometries, to improve both quenching homogeneity and intensity. Both experimental and numerical results confirmed the advantages of gas quenching for the homogeneous heat treatment of automotive steel grades, and demonstrated the potential of various flow correcting devices, such as perforated plates and cylindrical flow ducts. Heat treatment gas and spray quenching has also been integrated into the forging and the turning process chains of single components, successfully optimizing the lean process flow (automation, quality, and time), for various high-performance materials and part geometries.Dissertation364 173 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Entwicklung von Niederdruck-Carbonitrierprozessen zur Festigkeitssteigerung hochbelasteter Bauteile(2018-04-18); ; ; Low pressure carburizing offers the ability to produce bright-metallic surfaces without unwanted internal oxidation known from carburizing at atmospheric pressure but with lower consumption of hydrocarbon Grä01 . The expected increase in fatigue life of low pressure carburized parts compared to gas-carburized parts could not be achieved due to other side-effects than internal oxidation Cla03 . Case-hardening steels of the grades 18CrNiMo7-6, 20MoCrS4 and 20CrMo4 were tested with different approaches to dilute or even prevent these side-effects. Two types of furnaces were used to derive results, which are instantly applicable in industrial scale production. The first one was set up for research at the IWT in Bremen, Germany (Brand: Ipsen, type: RVTC). The second one is in use in industrial scale production and property of Wegener Härtetechnik GmbH located in Homburg, Germany (Brand: ALD, type: ModulTherm). In this paper the development of process strategies is presented, which exploit the potential of low pressure carburizing that could not be obtained in the past. Additionally, results relevant for operators are presented to show the assignability between the two types of furnaces and to give examples of conditioning and interdependencies in low pressure carbonitriding processes.Dissertation375 135 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Metal-Dusting-Beständigkeit metallischer Ofenbauwerkstoffe und Beeinflussung durch Sol-Gel-Schutzschichten(2021-09-27); ; ; Metal-Dusting ist eine Form der Hochtemperaturkorrosion, die in der Petrochemie, in Industrieöfen mit aufkohlenden Atmosphären und mitunter in Anlagen der Energietech-nik, wie in Gas- und Ölbrennern, anzutreffen ist. Unter den hitzebeständigen Werkstof-fen sind Stähle hinsichtlich der Kosten, der Verarbeitbarkeit und der Verfügbarkeit allgemein anderen Werkstoffen, wie Sonderlegierungen oder auch keramischen Werkstoffen deutlich überlegen. Aus diesen Gründen werden überwiegend warmfeste Stähle für die oben genannten Industrien verwendet. Auf Grund von Metal-Dusting ist die Standzeit vieler metallischer Bauteile in Industrieöfen unter aufkohlenden Atmosphären auf etwa 1,5 Jahre beschränkt. Unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit werden jedoch Le-bensdauern von über 3 Jahren angestrebt. Für gängige Eisen- und Nickelbasislegierungen wurden die Metal-Dusting-Mechanismen bereits vielerorts unter Laborbedingungen untersucht. Der Themenschwerpunkt der überwiegenden Zahl an Publikationen ist die werkstoffwissenschaftliche Analyse der Metal-Dusting-Mechanismen. Diese Untersuchungen liefern meist keine quantifizierbaren Aussagen zur Metal-Dusting-Beständigkeit kommerziell erhältlicher Werkstoffe und erlauben nur eine grobe Einteilung der Werkstoffe. Darüber hinaus entsprechen die in der Literatur beschriebenen Versuchsbedingungen nur eingeschränkt den in der industriellen Praxis auftretenden Bedingungen in Aufkoh-lungsöfen. Im Industriebetrieb sind die Bedingungen häufig jedoch variabel und schwer zu definieren, weshalb sich ein von den Laborversuchen abweichendes Metal-Dusting-Verhalten zeigen kann. So zeigt die industrielle Erfahrung beispielweise, dass Metal-Dusting in Industrieöfen bevorzugt im Bereich von Temperaturgradienten auftritt. Es existieren nur sehr wenige vergleichende quantitative Untersuchungen zur Metal-Dusting-Beständigkeit der im Industrieofenbau verwendeten metallischen Werkstoffe unter den typischen Einsatzbedingungen in Aufkohlungsöfen. Zudem fand bei den bisherigen Untersuchungen der Einfluss des Oberflächenzustands, der in der Praxis variieren kann, nicht ausreichend Berücksichtigung. Die publizierten Untersuchungen erfolgten allerdings jeweils nur an wenigen Werkstoffen, was eine ver-gleichende Bewertung des Werkstoffeinflusses im Verhältnis zum Oberflächeneinfluss einschränkt. Außerdem wurden so gut wie keine typischen Lieferzustände (kalt- und warmgewalzt, gebeizt, gestrahlt, gebürstet, …) oder fertigungsbedingten Oberflächen-zustände untersucht. Neben den gut untersuchten gängigen Eisen- und Nickelbasiswerkstoffen finden im industriellen Ofenbau auch weitere Werkstoffe wie Kanthal APM und Werkstoffentwicklungen wie Alloy 693 und ET 45 micro Anwendung, deren Metal-Dusting-Eigenschaften bisher nicht untersucht wurden. Die Konstrukteure von Industrieofenanlagen mussten sich in der Vergangenheit allgemein auf die wenigen quantifizierbaren Angaben in den Datenblättern der Werkstoffhersteller verlassen, ohne eine Möglichkeit zu haben, diese Aussagen vergleichend bewerten zu können. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen einer Forschungsaufgabe, die von der For-schungsgemeinschaft Industireofenbau e.V. (FOGI) über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. (FKM) gestellt und gemeinsam an der OWI Science for Fuels gGmbH einem An-Institut der RWTH Aachen und dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT bearbeitet wurde, durchgeführt. Die werkstoffkundlichen Arbeiten, die Werkstoffanalysen erfolgten am IWT Bremen und die Auswertungen der Laborversuche an beiden Instituten. Die Versuchsanlage für die Durchführung der Laborversuche wurde am OWI aufgebaut und daran erzeugte Ergebnisse zu Metal Dusting bereits vorher gemeinsam publiziert. Ziele der vorliegenden Arbeit waren die vergleichende Untersuchung und Aufklärung der Metal-Dusting-Mechanismen an einer Vielzahl technischer Werkstoffe und Oberflächenzustände sowie die Erforschung der Wirksamkeit einer oxidkeramischen Diffusionssperrschicht zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe. Um diese Ziele zu erreichen wurden zuerst geeignete Werkstoffe für die geplanten Untersuchungen ausgewählt. Darunter befinden sich bei hohen Temperaturen warmfeste Eisen- und Nickelbasislegierungen sowie Gusslegierungen. Die Werkstoffauswahl wurde durch eine detaillierte Literaturrecherche und Fachgespräche mit den Entwicklungsabteilungen unterschiedlicher Industrieofenherstellern und Werkstofflieferanten festgelegt. Durch Eingangsuntersuchungen und Lieferzeugnisse wurden die Werkstoffe charakterisiert. Im Vordergrund der Charakterisierung lag der Oberflächenzustand der zur Verfügung stehenden Werkstoffe. Um die Metal-Dusting-Mechanismen kommerziell erhältlicher metallischer Hochtempe-raturwerkstoffe für den Industrieofenbau unter Berücksichtigung der technischen Oberflächenzustände zu untersuchen und zuverlässige und quantitative Daten zu deren Metal-Dusting Beständigkeit zu ermitteln, wurden zunächst umfangreiche Laborversuche an einem Versuchsstand des OWI der RWTH Aachen durchgeführt. In diesem Versuchstand wurden alle Laborversuche unter vergleichbaren Bedingungen durchgeführt. Anhand der durch die Literaturrecherche erreichten Kenntnisse und durch erste Ergebnisse der Laborversuche zu der Metal-Dusting Beständigkeit wurde der Versuchsplan für die Sol-Gel-Beschichtungen aufgestellt, damit man zielführende Ergebnisse zu den Oxidkeramischen Diffusionssperrschichten erreichen konnte. Ergänzend zu den Laborversuchen unter definierten Bedingungen wurden anschlie-ßend Feldversuche in einer Lohnhärterei durchgeführt, um die Metal-Dusting-Beständigkeit ausgewählter Werkstoffe und Oberflächenzustände sowie die Wirksam-keit einer Sol-Gel-Beschichtung als Schutz unter industriellen Praxisbedingungen mit wechselnden Behandlungsatmosphären zu untersuchen. Die Metal-Dusting-Schäden an den behandelten Laborproben wurden umfangreich cha-rakterisiert, um Rückschlüsse auf die Mechanismen zu deren Entstehung zu treffen. Neben Laborproben wurden die Schädigungen an durch Metal-Dusting ausgefallenen Ofenbauteilen untersucht und mit den Ergebnissen der Laborversuche und Feldversuche korreliert. Abschließend ermöglichte die aufgeführte Vorgehensweise eine Bewertung und Ein-ordnung zur Metal-Dusting Beständigkeit von Hochtemperaturwerkstoffen unter Berücksichtigung der Legierungszusammensetzung und Oberflächenzustand.Dissertation326 923 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Untersuchung des Optimierungspotentials der mechanischen Eigenschaften von Titan-Aluminium-Verbindungen durch eine nachfolgende Wärmebehandlung(2016-01-21); ; ; Hybridverbunde aus Aluminium- und Titanlegierungen sind zum Beispiel für die Luftfahrt von besonderem Interesse, weil sie die ausgezeichnete spezifische Festigkeit und exzellente Korrosionsbeständigkeit des Titans mit der hohen spezifischen Biegesteifigkeit des kostengünstigeren Aluminiums kombinieren können. Als Beispiel sei die angedachte Hybridsitzschiene in den am höchsten korrosionsgefährdeten Bereichen der Flugzeuge aus dem Airbus Long Range und Single Aisle Programm erwähnt. Ziel dieser Arbeit war es, Werkstoffverbunde verschiedener Titan- und Aluminiumkomponenten herzustellen und zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den mechanisch-technologischen Eigenschaften lag, da diese durch eine thermische Nachbehandlung optimiert werden sollten. Die Werkstoffverbunde wurden erstmals durch Strangpressen gefügt und mit reibgeschweißten verglichen. Durch eine Prozesssimulation des Strangpressens, bei der die besondere Bedeutung der Kontaktbedingungen aufgezeigt werden konnte, konnte der Prozess soweit optimiert werden, dass ein Abreißen des Titankerns vermieden und in der Literatur geäußerte Bedenken ausgeräumt werden konnten. Zur Optimierung wurde eine angepasste Pressstrategie verfolgt, indem von einer symmetrischen mit innenliegendem Titan-Verstärkungselement zu einer asymmetrischen mit außenliegendem Titan-Verstärkungselement gewechselt wurde. Durch Strangpressen wurden erstmals zusammenhängende Verbunde der Komponenten Ti99,2&Al99,5, Ti99,2&AlSi1MgMn sowie TiAl6V4&AlSi1MgMn gefügt und mit der reibgeschweißten Komponentenkombination TiAl6V4&AlSi1MgMn verglichen. Die nachgeschaltete Wärmebehandlung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Verbunde wurde hinsichtlich der Parameter Lösungsglühdauer, Abkühlbedingungen, Auslagerungstemperatur und -dauer untersucht. Die gefügten Verbunde wurden bei 540 Grad Celsius für 0,25 h bis 16 h lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und entweder bei 180 Grad Celsius für 2 h warmausgelagert oder bei Raumtemperatur für mindestens 8 Tage kaltausgelagert. Die mechanisch-technologischen Eigenschaften der gefügten und wärmebehandelten Werkstoffverbunde wurden über die Verbundfestigkeit charakterisiert. Sie wurden in quasistatischen Zugprüfungen gemessen, indem mit der Fügezone im Prüfbereich liegenden Proben gezielt entnommen wurden. Zur Interpretation der gemessenen Verbundfestigkeiten war die Beschreibung des Auslagerungsverhaltens - im Besonderen der aushärtbaren Aluminiumkomponente AlSi1MgMn - im Zustand nach Durchlaufen der Fügeoperation notwendig. Die Untersuchungsergebnisse der Verbunde mit der Komponente AlSi1MgMn sind in Tabelle 8-1 zusammenfassend dargestellt. Die Verbundfestigkeiten der unlegierten Aluminiumkomponenten lagen auf signifikant niedrigerem Niveau und konnten erwartungsgemäß nicht durch eine thermische Nachbehandlung optimiert werdenDissertation447 1032 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Maximierung der randnahen Druckeigenspannung von Stählen mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeits Abschreckanlage(2012-11-28); ; ; The technical progress has the demand of parts, which withstand longer higher loads. This is fulfilled either by an improvement of the material or through an optimization of the manufacturing process. These optimizations are chosen to improve specific properties which enhance the life spans of parts. A classical process of improving the life span is the case hardening. Among other things, the case hardening generates compressive residual stresses near the surface. This compressive residual stresses improves the fatigue strength. By hardening parts with high quenching velocities a great martensitic phase occurs near the surface, before the phase transformation begins in the core. The martensitic transformation expands first the surface than the core, which leads to compressive stresses. The great martensitic phase proportion on the surface withstand the resulting tensile stresses due to the phase transformation in the core and after the quenching remains compressive residual stresses at the surface. The knowledge of the necessary quenching parameters to generate compressive residual stresses at the surface exists only for single parts and materials. The goal of this work is to generalize this knowledge with simulation studies. This objective was realized with a newly developed high velocity water quenching machine. With experiments were verified the nearly correctness of the simulation studies. And with this simulations the influence of different material properties were evaluated. In the last part of this work, the improvement of the life strength due to the high compression was confirmed.Dissertation286 175 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Verzugsreduzierung beim Wärmebehandeln von Bauteilen aus sprühkompaktierten und gießtechnisch hergestellten Aluminiumlegierungen durch Gasabschrecken(2014-07-08); ; ; For quenching of age hardenable aluminum alloys today predominantly aqueous quenching media are used, which can lead due to the Leidenfrost phenomenon to a non-uniform cooling of the parts and thus to distortion. Particularly at thin-walled or complex shaped parts local plastic deformations can occur by the uneven thermal stresses. In relation to the conventional quenching procedures in aqueous media, gas quenching exhibits a number of technological, ecological and economical advantages. The quenching intensity can be adjusted by the variable parameters gas pressure and gas velocity as well as the kind of gas and thus can be adapted to the requirements of the alloy. By the higher uniformity and the better reproducibility, gas quenching offers a high potential to reduce distortion. For this purpose a new age hardening process was developed, which includes a gas quenching step. The distortion behavior of cast and forged aluminum parts was examined after gas quenching and after water quenching.Dissertation401 155 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Schmiedegerecht nitrierte Gesenke(2017-08-23); ; ; In order to resist the high loads, the surfaces and boundary areas of forging dies are nitrided. Up to now, there was no proven knowledge about, which processing parameters respectively which nitrided case leads to the best life time of the tools. In the present work, the influence of nitriding and nitrocarburizing with all their variety of nitrided cases on the lifetime and wear of forging dies was investigated. Eight promising treatments were transferred to forging dies, in order to create a number of different nitrided cases. The tools were used in serial production and their lifetime was determined under real conditions. At the lifetime end, critical parts of the tools were metallographical investigated, in order to find out the wear mechanisms. Finally, a recommendation was developed which nitrided case revealed the best results for a given loading condition.Dissertation533 335