Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wärmetechnische Charakterisierung von Oberflächenkontakten

Oberflächenkontakte zwischen zwei Feststoffen treten in der metallurgischen Prozesstechnik an zahlreichen Stellen auf. Publizierte Untersuchungen zur Wärmeübertragung zwischen den in Kontakt befindlichen Festkörpern liegen für Mikroelektronik-Kühlung (niedrige Temperaturen unter 100 °C, elastische Kontaktflächen) und für Kontaktdrücke oberhalb der Fließspannung (Temperaturbereich bis 1250 °C, plastische Verformungen in der Umformtechnik) vor. Der in der Thermoprozesstechnik relevante Bereich hoher Temperaturen und niedriger Kontaktdrücke im elastischen Bereich ist weitgehend unerforscht. Im angestrebten Projekt soll ein Versuchsstand ausgelegt werden, in dem zwischen austauschbaren Probenkörpern ein möglichst eindimensionaler Wärmestrom, bei veränderlichen Temperaturen bis zu 1000 °C und veränderlichen Kontaktdrücken unterhalb der Fließspannung, eingestellt werden kann. Mit diesem Versuchsstand soll der Wärmewiderstand zwischen praxisrelevanten Materialpaarungen untersucht werden. Mit den Ergebnissen kann die Beschreibung von verschiedener in der Praxis auftretender Wärmeströme verbessert werden. Beispiele hierfür sind die anisotrope Wärmeleitung in Metallcoils, die Wärmeübertragung zwischen Komponenten von industriellen Thermoprozessanlagen oder die Wärmeübertragung zu und von mechanisch gelagerten Wärmegütern.

Betreiber von Thermoprozessanalgen (teilweise kmU) erhalten damit zusätzliche Informationen für die Prozessführung ihrer Wärmebehandlungs- und Anwärmvorgänge, Anlagenbauer (teilweise kmU) erhalten zusätzliche Informationen zur Auslegung ihrer Anlagen, Zulieferer für Ofenbauer wie Ingenieurbüros für Prozessmodellentwicklung und/oder Automatisierungstechnik (in der Regel kmU) erhalten zusätzliche Informationen für Prozessmodelle, die zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz bei Neuananlagen und Modernisierungen häufig eingesetzt werden. Alle diese Unternehmen können damit die Qualität ihrer Produkte erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollten Wärmeübergänge zwischen Oberflächenkontakten charakterisiert werden. Aus diesem Grund wurde ein neuer Versuchsstand entwickelt. Mit ihm können Kontaktwärmewiderstände mit der Temperatur, der Normalspannung und der Umgebungsatmosphäre als einstellbare Parameter gemessen werden. Darüber hinaus werden die Härte und die Topografie der Oberflächen der Materialien als Einflüsse berücksichtigt.

Der Versuchsstand besteht aus drei Modulen, mit denen sich die oben aufgelisteten Einflussparameter steuern lassen. Als Wärmequelle dient ein Vertikalrohrofen mir integrierter Temperaturregelung. Die Normalspannung wird durch eine mechanische Presse auf einen Probenstapel aufgebracht, deren Stempel durch das Ofenrohr geführt werden. Die Atmosphäre wird durch die Einspeisung von Prozessgas in das Ofenrohr eingestellt. Die angestrebte Probentemperatur von 1000 °C konnte nicht erreicht werden. Es wurden Versuche bei maximal 930 °C Probentemperatur durchgeführt.

Die Auswertung des Kontaktwärmewiderstands erfolgt auf Basis einer inversen Modellierung der Wärmeströme in den Stempeln und dem Probenstapel durch numerische Methoden. Als Randbedingungen hierfür dienen Messungen der Temperatur.

Die durchgeführten Messungen belegen die Funktionstüchtigkeit des Versuchsstands und weisen eine gute Wiederholbarkeit auf. Die Ergebnisse zeigen die erwarteten Tendenzen.

Die erhobenen Messergebnisse wurden in zwei Prozessmodelle integriert, mit denen sich jeweils die Temperaturverteilungen in einem gewickelten Metallband während des Glühens und einem Werkstück, das auf dem Werkstück einer Gesenkschmiedepresse vor dem Umformprozess ruht simulieren lassen.

Die Integration der Messergebnisse in vorhandene oder neuentwickelte Prozessmodelle aus vielen Bereichen der Thermoprozesstechnik ist möglich. Diese Modelle können dazu beitragen, Prozesse zu optimieren. Dies kann zu einem effizienteren Prozess oder höheren Produktqualitäten führen.