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Cladded steel for clutch disc carriers
Abstract
Die Entwicklung von Doppelkupplungen mit immer höheren Drehmomenten bei gleichzeitig geringerem Bauraum stellt höchste Ansprüche an deren Bauteile und die verwendeten Werkstoffe. Beispielsweise müssen Lamellenträger eine sehr hohe Verschleißfestigkeit aufweisen, gleichzeitig muss der Werkstoff aber eine sehr gute Umformbarkeit besitzen, damit das Bauteil im Umformverfahren herstellbar ist. Daher werden Lamellenträger aktuell aus hochduktilem Feinkornbaustahl hergestellt und anschließend wärmebehandelt. Durch die Entwicklung eines Herstellverfahrens zur Massenproduktion von Stahlschichtverbundwerkstoffen steht dem Automobilbau seit kurzem eine neue Werkstoffklasse zur Verfügung. Für die Prozessroute von Lamellenträgern können Stahlschichtverbundwerkstoffe, bestehend aus einem duktilem Grundmaterial und einer verschleißfesten Deckschicht, eine kostengünstige Alternative bieten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Umformbarkeit, die Verschleißfestigkeit und die Eigenspannungen verschiedener Stahlschichtverbundwerkstoffe betrachtet. Die Umformbarkeit und das Versagensverhalten wurde mittels Biegeversuchen untersucht. Durch in-Situ Biege- und Zugversuche mit anschließender digitaler Bildkorrelation wurden die lokalen Dehnungsverteilungen ermittelt. Das Versagensverhalten wurde anschließend mithilfe einer erweiterten Umformsimulation modelliert. Die Verschleißfestigkeit und die Verschleißmechanismen wurden auf einem Komponentenprüfstand für Lamellenträger untersucht. Mittels Röntgendiffraktometrie wurde der Eigenspannungstiefenverlauf der Stahlschichtverbundwerkstoffe ermittelt.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Versagen von Stahlschichtverbundwerkstoffe mit duktilem Grundmaterial und verschleißfester Deckschicht unter Biegebelastung durch die Entstehung von Scherbändern, die Lokalisierung der plastischen Verformung mit Einschnürung der Deckschicht und anschließend dem Riss der Deckschicht charakterisiert wird. Durch die Erweiterung einer konventionellen Umformsimulation durch die Implementierung lokal unterschiedlicher Streckgrenzen im Material und einem gekoppelten Schädigungsmodell kann das Versagens-verhalten sehr genau abgebildet werden. Im Vergleich zu S355 zeigten die Stahlschichtverbundwerkstoffe ein deutlich besseres Verschleißverhalten, wobei der Verschleißmechanismus und die Verschleißfestigkeit von dem Deckschichtwerkstoff und dessen Mikrostruktur abhängig ist. Von den untersuchten Werkstoffen zeigte die Kombination aus S355 als Grundmaterial und 100Cr6 (GKZ geglüht) als Deckschichtwerkstoff die besten Verschleiß- und Umformbarkeitseigenschaften. In den untersuchten Stahlverbundwerkstoffen wurden nur geringe Eigenspannungen festgestellt, welche auf den Herstellprozess, nicht aber auf die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, zurückzuführen sind.
Die Ergebnisse zeigen, dass das Versagen von Stahlschichtverbundwerkstoffe mit duktilem Grundmaterial und verschleißfester Deckschicht unter Biegebelastung durch die Entstehung von Scherbändern, die Lokalisierung der plastischen Verformung mit Einschnürung der Deckschicht und anschließend dem Riss der Deckschicht charakterisiert wird. Durch die Erweiterung einer konventionellen Umformsimulation durch die Implementierung lokal unterschiedlicher Streckgrenzen im Material und einem gekoppelten Schädigungsmodell kann das Versagens-verhalten sehr genau abgebildet werden. Im Vergleich zu S355 zeigten die Stahlschichtverbundwerkstoffe ein deutlich besseres Verschleißverhalten, wobei der Verschleißmechanismus und die Verschleißfestigkeit von dem Deckschichtwerkstoff und dessen Mikrostruktur abhängig ist. Von den untersuchten Werkstoffen zeigte die Kombination aus S355 als Grundmaterial und 100Cr6 (GKZ geglüht) als Deckschichtwerkstoff die besten Verschleiß- und Umformbarkeitseigenschaften. In den untersuchten Stahlverbundwerkstoffen wurden nur geringe Eigenspannungen festgestellt, welche auf den Herstellprozess, nicht aber auf die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, zurückzuführen sind.
The development of dual clutch transmissions, with rising maximum torque and reduced installation space, has led to great demands on their components and in the materials used. For example, disc carriers must have a very high wear resistance, but at the same time the material must provide excellent formability to enable manufacturability by forming processes. For this reason, disc carriers are currently made from highly ductile micro-alloyed steel followed by heattreatment.
The recent development of a manufacturing process for the largescale industrial production of cladded steel has made a new class of material available to the automotive industry. In the process route of disc carriers, cladded steels consisting of a ductile base layer and a wear-resistant clad can offer a cost-effective alternative. During the course of the study, the formability, wear resistance and residual stresses of cladded steel with various clad materials were investigated. Formability and failure behavior were examined utilizing bending tests. In-situ bending and in-situ tensile tests combined with digital image correlation were used to determine the local strain distributions.The failure behavior was then modeled using an enhanced forming simulation.
Wear resistance was investigated on a component test bench disc carrier. Xray diffraction was used to determine the residual stress profile of the cladded steel. The results show that failure during bending of cladded steel, consisting of ductile base material and a wear-resistant clad, is characterized by the formation of shear bands, localization of plastic deformation with necking of the clad and subsequently, cracking of the clad layer. Failure behavior can be accurately modeled by a forming simulation that is enhanced by a coupled ductile damage model and a spatial flow stress distribution. Compared with S355, the investigated cladded steel showed significantly better wear behavior, with the wear mechanism and wear resistance depending on the clad material and its microstructure. Of the materials investigated, the combination of S355 as a base material and 100Cr6 (GKZ annealed) as clad material showed the best wear and formability properties. The residual stress profile revealed only minor
residual stresses, which can be attributed to the manufacturing process and are not caused by the layer architecture.
The recent development of a manufacturing process for the largescale industrial production of cladded steel has made a new class of material available to the automotive industry. In the process route of disc carriers, cladded steels consisting of a ductile base layer and a wear-resistant clad can offer a cost-effective alternative. During the course of the study, the formability, wear resistance and residual stresses of cladded steel with various clad materials were investigated. Formability and failure behavior were examined utilizing bending tests. In-situ bending and in-situ tensile tests combined with digital image correlation were used to determine the local strain distributions.The failure behavior was then modeled using an enhanced forming simulation.
Wear resistance was investigated on a component test bench disc carrier. Xray diffraction was used to determine the residual stress profile of the cladded steel. The results show that failure during bending of cladded steel, consisting of ductile base material and a wear-resistant clad, is characterized by the formation of shear bands, localization of plastic deformation with necking of the clad and subsequently, cracking of the clad layer. Failure behavior can be accurately modeled by a forming simulation that is enhanced by a coupled ductile damage model and a spatial flow stress distribution. Compared with S355, the investigated cladded steel showed significantly better wear behavior, with the wear mechanism and wear resistance depending on the clad material and its microstructure. Of the materials investigated, the combination of S355 as a base material and 100Cr6 (GKZ annealed) as clad material showed the best wear and formability properties. The residual stress profile revealed only minor
residual stresses, which can be attributed to the manufacturing process and are not caused by the layer architecture.
Additional Information
Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2021Druckausgabe
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Citation
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Daher werden Lamellenträger aktuell aus hochduktilem Feinkornbaustahl hergestellt und anschließend wärmebehandelt. Durch die Entwicklung eines Herstellverfahrens zur Massenproduktion von Stahlschichtverbundwerkstoffen steht dem Automobilbau seit kurzem eine neue Werkstoffklasse zur Verfügung. Für die Prozessroute von Lamellenträgern können Stahlschichtverbundwerkstoffe, bestehend aus einem duktilem Grundmaterial und einer verschleißfesten Deckschicht, eine kostengünstige Alternative bieten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Umformbarkeit, die Verschleißfestigkeit und die Eigenspannungen verschiedener Stahlschichtverbundwerkstoffe betrachtet. Die Umformbarkeit und das Versagensverhalten wurde mittels Biegeversuchen untersucht. Durch in-Situ Biege- und Zugversuche mit anschließender digitaler Bildkorrelation wurden die lokalen Dehnungsverteilungen ermittelt. Das Versagensverhalten wurde anschließend mithilfe einer erweiterten Umformsimulation modelliert. Die Verschleißfestigkeit und die Verschleißmechanismen wurden auf einem Komponentenprüfstand für Lamellenträger untersucht. Mittels Röntgendiffraktometrie wurde der Eigenspannungstiefenverlauf der Stahlschichtverbundwerkstoffe ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Versagen von Stahlschichtverbundwerkstoffe mit duktilem Grundmaterial und verschleißfester Deckschicht unter Biegebelastung durch die Entstehung von Scherbändern, die Lokalisierung der plastischen Verformung mit Einschnürung der Deckschicht und anschließend dem Riss der Deckschicht charakterisiert wird. Durch die Erweiterung einer konventionellen Umformsimulation durch die Implementierung lokal unterschiedlicher Streckgrenzen im Material und einem gekoppelten Schädigungsmodell kann das Versagens-verhalten sehr genau abgebildet werden. Im Vergleich zu S355 zeigten die Stahlschichtverbundwerkstoffe ein deutlich besseres Verschleißverhalten, wobei der Verschleißmechanismus und die Verschleißfestigkeit von dem Deckschichtwerkstoff und dessen Mikrostruktur abhängig ist. Von den untersuchten Werkstoffen zeigte die Kombination aus S355 als Grundmaterial und 100Cr6 (GKZ geglüht) als Deckschichtwerkstoff die besten Verschleiß- und Umformbarkeitseigenschaften. In den untersuchten Stahlverbundwerkstoffen wurden nur geringe Eigenspannungen festgestellt, welche auf den Herstellprozess, nicht aber auf die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, zurückzuführen sind. The development of dual clutch transmissions, with rising maximum torque and reduced installation space, has led to great demands on their components and in the materials used. For example, disc carriers must have a very high wear resistance, but at the same time the material must provide excellent formability to enable manufacturability by forming processes. For this reason, disc carriers are currently made from highly ductile micro-alloyed steel followed by heattreatment. The recent development of a manufacturing process for the largescale industrial production of cladded steel has made a new class of material available to the automotive industry. In the process route of disc carriers, cladded steels consisting of a ductile base layer and a wear-resistant clad can offer a cost-effective alternative. During the course of the study, the formability, wear resistance and residual stresses of cladded steel with various clad materials were investigated. Formability and failure behavior were examined utilizing bending tests. In-situ bending and in-situ tensile tests combined with digital image correlation were used to determine the local strain distributions.The failure behavior was then modeled using an enhanced forming simulation. Wear resistance was investigated on a component test bench disc carrier. Xray diffraction was used to determine the residual stress profile of the cladded steel. The results show that failure during bending of cladded steel, consisting of ductile base material and a wear-resistant clad, is characterized by the formation of shear bands, localization of plastic deformation with necking of the clad and subsequently, cracking of the clad layer. Failure behavior can be accurately modeled by a forming simulation that is enhanced by a coupled ductile damage model and a spatial flow stress distribution. Compared with S355, the investigated cladded steel showed significantly better wear behavior, with the wear mechanism and wear resistance depending on the clad material and its microstructure. Of the materials investigated, the combination of S355 as a base material and 100Cr6 (GKZ annealed) as clad material showed the best wear and formability properties. The residual stress profile revealed only minor residual stresses, which can be attributed to the manufacturing process and are not caused by the layer architecture. open access Lührs, Hinrich 2021-03-31 XXII, 147 Seiten Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau Niendorf, Thomas (Prof. Dr.) Prahl, Ulrich (Prof. Dr.) Kassel 978-3-7376-0953-1 Stahl Umformen Eigenspannung Verschleiß Simulation publishedVersion Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik, Metallische Werkstoffe 34 true https://www.genialokal.de/Produkt/Hinrich-Luehrs/Cladded-steel-for-clutch-disc-carriers_lid_45290467.html 39,00 Forschungsberichte aus dem Institut für Werkstofftechnik - Metallische Werkstoffe Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin Dissertation FB 15 / Maschinenbau Softcover DIN A5 true </resource>
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