Untersuchung von Einflussgrößen auf Mikrostruktur und Werkstoffschädigung beim Ringwalzen

Das Ringwalzen ist ein Verfahren zur Herstellung hochbelasteter Bauteile in Anwendungsgebieten wie der Energietechnik, der Luftfahrt oder dem Off-Shore Bereich. Ringgewalzte Bauteile können in sehr kleinen Dimensionen von wenigen Millimetern hergestellt werden aber auch Größen von bis zu 16 Metern einnehmen.
Aufgrund der sicherheitskritischen und oft schwer zugänglichen Anwendungsgebiete der ringgewalzten Bauteile ist ein Ausfall in der Anwendung mitunter sehr gefährlich und / oder sehr kostspielig. Um diesem vorzubeugen werden höchste Anforderungen an die gewalzten Ringe gestellt und diese nach dem Prozess umfangreichen Prüfungen unterzogen. So wird üblicherweise die Oberfläche von gewalzten Ringen über Verfahren wie die Farbeindringprüfung auf Risse untersucht sowie das Innere des Querschnitts mit Hilfe der Ultraschallprüfung auf Fehler geprüft. Weiterhin kann stichprobenartig die Mikrostruktur, die über wichtige Kenngrößen des Bauteils entscheidet, untersucht werden. Da diese allerdings nicht zerstörungsfrei geprüft werden kann ist eine Prüfung der Mikrostruktur immer mit besonderem Aufwand verbunden.
In der industriellen Praxis wird immer wieder vom unregelmäßigen Ausfall einzelner gewalzter Ringe einer Charge in der dem Prozess anschließenden Prüfung berichtet. Ausfallgründe sind in diesen Fällen insbesondere Risse, im Ultraschall entdeckte Fehler sowie eine zu grobe oder ungleichmäßig verteilte Mikrostruktur.
Die Finite-Elemente (FE)-Simulation des Ringwalzprozesses ist mit online gekoppelten Subroutinen zur Vorgabe der Werkzeugbewegungen heute gut dazu in der Lage den komplexen geregelten Prozess, in Bezug auf die Werkstückgeometrie und das Anlagenverhalten, abzubilden. Auch die Simulation der Mikrostruktur ist heutiger Stand der Technik. So lassen sich bei der Wahl geeigneter Parametersätze auch quantitativ gute Übereinstimmungen zwischen simulierten und real ermittelten Korngrößen erreichen. Die Schädigungsmodellierung in der Warmmassivumformung hingegen ist ein Bereich, der in den vergangenen Jahren deutlich an Aufmerksamkeit in der Forschungslandschaft gewonnen hat. Allerdings ist es immer noch nicht reproduzierbar möglich, auch für komplexe Prozesse, quantitativ kongruente Aussagen zu erzielen. Dies liegt zum einen an den vorliegenden Modellen, die oft Vereinfachungen der komplexen Prozessbedingungen, wie z.B. der Vernachlässigung der Rekristallisation, vor-nehmen. Zum anderen wird dies durch sehr lange Simulationsdauern bei der Anwendung komplexer gekoppelter Modelle, insbesondere bei langen inkrementellen Prozessen wie dem Ringwalzprozess, bedingt. Weiterhin liegen Schwierigkeiten bei der realen Charakterisierung der Schädigung vor. So ist zwar eine zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von Bauteilen möglich, allerdings ist diese in der Vorbereitung sehr aufwändig und kann erst nach dem Prozess durchgeführt werden, was eine Bestimmung des genauen Zeitpunktes der Schädigung während des Prozesses nicht erlaubt. Gleichzeitig können insbesondere sehr kleine Schädigungen über die Ultraschallprüfung nicht entdeckt werden. Zerstörende Prüfverfahren sind hier in der Auflösung wesentlich genauer, verursachen allerdings einen immensen Aufwand bzw. Ausschuss und lassen nur bei ausreichend großen Stichproben repräsentative Aussagen zu.