Gas quenching process optimization to minimize distortion of a thin-wall ring gear by simulation∗ Translated title: Optimierung der Gasabschreckung dünnwandiger Ringe für minimalen Verzug durch Simulation

Abstract

Of the differences between gas quenching and immersion quenching processes, the major difference is the presence of boiling during the early stages of quenching in oil or water. The formation of a vapor phase has a dramatic effect on both the overall and local rates of heat removal from the parts being quenched, and on part distortion. With the absence of a quenchant phase change, gas quenching is touted to result in uniform heat extraction, thus lessening part distortion. Gas quenching is not without inherent problems. Nonuniform gas flow around a part contributes to distortion, and nonuniform cooling at different locations contributes to the variance of distortion. This paper discusses difficulties associated with gas quenching a thin walled ring gear that is prone to distortion. Heat treat process simulation was used to model the low pressure carburization and high pressure gas quenching of a carburized 5130 steel ring gear. Process variables investigated include fan speed and cooling durations of different quenching stages. The intent is to reduce distortion by controlling the overall gas velocity through adjustment of the fan speed, whereby the local cooling rates can be controlled to better accommodate the dimensional change associated with steel phase transformations during quenching.

Kurzfassung

Der bedeutendste Unterschied zwischen der Abschreckung mit Gas oder durch Eintauchen in Flüssigkeit ist das Sieden beim Abschrecken in Öl oder Wasser. Die Ausbildung einer Dampfphase beeinflusst sowohl den gesamten als auch den lokalen Wärmeübergang an der Bauteiloberfläche – und damit auch den Bauteilverzug – dramatisch. Gasabschreckung hingegen beinhaltet keine Phasenumwandlung des Abschreckmediums und wird deswegen als homogener hinsichtlich Wärmeübergang und Verzug angesehen. Allerdings ist auch die Gasabschreckung nicht unproblematisch. Ungleichmäßigkeiten im Gasfluss um das Bauteil herum tragen zum Verzug genauso bei wie ungleichmäßige Abkühlung zu dessen Varianz. Diese Studie behandelt die Schwierigkeiten bei der Gasabschreckung von dünnwandigen Ringen, die stark zu Verzug neigen. Zu diesem Zweck wurde der Wärmebehandlungsprozess mit Niederdruckaufkohlen und anschließender Hochdruck-Gasabschreckung eines Rings aus dem Stahl 5130 simuliert. Untersucht wurden Einflüsse der Prozessvariablen Gasflussgeschwindigkeit und Abkühlungsdauer bei verschiedenen Temperaturstufen. Das Ziel ist eine Verzugsreduktion durch geregelte Gasflussgeschwindigkeit über eine Steuerung der Gebläsedrehzahl, wobei die lokale Abkühlungsgeschwindigkeit angepasst wird, um die Dimensionsänderungen aufgrund der Phasenumwandlung des Stahls beim Abschrecken zu kompensieren.