Wärmeübertragung bei Oberflächenkontakten in Vorwärm- und Wärmebehandlungsprozessen

Abstract

Aufgrund der Oberflächenrauheit treten Spalte zwischen zwei in Kontakt stehenden Festkörpern auf. Diese Hohlräume zwischen den Oberflächen verursachen zusätzliche Wärmewiderstände. Dies spielt auch in vielen Bereichen der Metallverarbeitung eine Rolle. Die Auslegung von Prozessen und der entsprechenden Anlagen sowie die Prozessführung erfolgt häufig unterstützt von numerischen Methoden. Mit einer Möglichkeit zur exakteren Voraussage von Kontaktwärmewiderständen verbessert sich die Genauigkeit der Modellierung der Prozesse. Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollten Wärmeübergänge zwischen Oberflächenkontakten charakterisiert werden. Aus diesem Grund wurde ein bestehender Versuchsstand weiterentwickelt. Mit ihm können Kontaktwärmewiderstände mit der Temperatur, der Normalspannung und der Umgebungsatmosphäre als einstellbare Parameter gemessen werden. Die Weiterentwicklung des Versuchsstands umfasste die Erweiterung seiner Einsatzgrenzen auf höhere Temperaturen, einen breiteren Normalspannungsbereich und die Möglichkeit brennbare Gase als Atmosphäre zu verwenden. Anschließend sollten Messungen des Kontaktwärmewiderstands durchgeführt werden und die Materialen hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften Oberflächentopografie charakterisiert werden. Zudem sollten, basierend auf den Messergebnissen, Prozessmodelle aus unterschiedlichen Bereichen entwickelt werden. Die Erweiterung des Versuchsstands ist abgeschlossen. Er besteht im Wesentlichen aus vier Modulen, mit denen sich die oben aufgelisteten Einflussparameter steuern und Messgrößen erfassen lassen. Als Wärmequelle dient ein Vertikalrohrofen mit integrierter Temperaturregelung. Die Normalspannung wird durch eine mechanische Presse auf einen Probenstapel aufgebracht, deren keramische Stempel durch das Ofenrohr geführt werden. Die Atmosphäre wird durch die Einspeisung von Prozessgas in das Ofenrohr eingestellt. Eine Messwerterfassungseinheit zeichnet Temperaturen, Normalkräfte und den Sauerstoffgehalt im System auf. Es wurden Versuche im Bereich der Einsatzgrenzen durchgeführt. Eine Untersuchung unter Brenngasatmosphäre war aufgrund von nicht zu beseitigenden Leckagen nicht möglich. Die durchgeführten Messungen belegen die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit des Versuchsstands und weisen eine gute Wiederholbarkeit auf. Untersuchungen mit brennbaren Gasen sind für die Zukunft geplant. Die Ergebnisse zeigen die erwarteten Tendenzen und decken sich mit bisher durchgeführten und in der Literatur beschriebenen Experimenten. Die erhobenen Messergebnisse wurden in drei Prozessmodelle integriert, mit denen sich jeweils die Temperaturverteilungen in einem gewickelten Metallband während des Glühens, einer Stahlbramme in einem Hubbalkenofen und der Feuerfestausmauerung einer mit Schmelze gefüllten Pfanne simulieren lassen. Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden teilweise erreicht.