Eigenschaften lufthärtender martensitischer Schmiedestähle mit Mangangehalten von 3-10 Gew.-%

Stieben, Andreas; Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor); Schaper, Mirko (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung lufthärtender martensitischer Schmiedestähle, deren Mangangehalt zwischen 3 Gew.-% und 10 Gew.-% liegt. Stähle mit der Eigenschaft an Luft auszuhärten sollen die Prozesskette zur Herstellung martensitischer Bauteile verkürzen und damit Zeit und Kosten einsparen. Dies wird erreicht, indem die Schritte des Härtens und Anlassens wegfallen. Dazu wurden Legierungen mit unterschiedlichen Mangangehalten im Labor erstellt und untersucht. Eingegangen wurde auf die Mikrostruktur, die lokale chemische Zusammensetzung, das Umwandlungsverhalten, die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften. Neben Mangan wurde zusätzlich der Einfluss der Legierungselemente Kohlenstoff, Silizium, Titan, Bor und Molybdän betrachtet. Ergänzend zu den Laborschmelzen wurde eine Legierung im industriellen Maßstab erstellt und auf ihre Eigenschaften hin überprüft. Die Untersuchungen zeigen, dass Mangan ein effektives Element zur Erhöhung der Einhärtbarkeit ist. Bereits bei Gehalten von 6,5 Gew.-% konnten im ZTU-Schaubild bis zu einer t8/5-Zeit von 3 h nur Martensit und geringe Anteile Restaustenit vorgefunden werden. In Stählen mit 4 Gew.-% Mangan zeigen Molybdän sowie die Kombination aus Titan und Bor eine Verlagerung der bainitischen Phase zu längeren Abkühldauern, sodass Stabmaterial mit einem Querschnitt von 60 x 60 mm bis in den Kern durch Luftabkühlung martensitisch aushärtet. Die Ergebnisse zeigen, dass der erhöhte Mangangehalt die Grenzflächenkohäsion schwächt und ein sprödes Verhalten der Stähle verursacht. Als korngrenzenaktive Elemente belegen Molybdän sowie Bor die Korngrenzen und erhöhen dadurch die Grenzflächenkohäsion, was zu einer höheren Kerbschlagbiegearbeit führt. Darüber hinaus wird die bainitische Umwandlung zu längeren Abkühldauern verschoben, sodass die Einhärtbarkeit erhöht wird. Titan wirkt zudem kornfeinend auf das Gefüge. Das Werkstoffkonzept mit 4 Gew.-% Mangan und einer Mikrolegierung mit Titan und Bor erreicht im Ausgangszustand der Laborschmelze über 900 N/mm² Dehngrenze, über 1400 N/mm² Zugfestigkeit, mehr als 12 % Bruchdehnung und 29 J Kerbschlagbiegearbeit. Mit einem zusätzlichen Anlassen lässt sich die Dehngrenze auf bis zu 1150 N/mm² erhöhen, was durch Blockierung freier Versetzungen begründet wird. Diese Legierung zeigt sowohl in der Laborschmelze als auch im Pilotmaßstab bei 400 °C eine ausgeprägte Reduktion der Kerbschlagbiegearbeit, die auf eine Ausscheidung von Karbiden zurückgeführt werden kann. Diese lassen sich durch Legieren mit Silizium zu höheren Temperaturen verlagern, sodass ein größerer Temperaturbereich für das Anlassen und die Einstellung der mechanischen Eigenschaften genutzt werden kann. Bei 550 °C Anlasstemperatur versprödet der Werkstoff ebenfalls, was durch die Segregation von Verunreinigungen wie Phosphor, Arsen oder Antimon hervorgerufen wird. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass ein Werkstoffkonzept mit einem erhöhten Mangangehalt an die mechanischen Eigenschaften von Vergütungsstählen heranreichen kann. Zugleich wird die Prozesskette verkürzt, indem der Prozessschritt des Härtens weggelassen wird und das Anlassen optional zum Regulieren der mechanischen Eigenschaften genutzt werden kann.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Werkstofftechnik der Metalle und Institut für Eisenhüttenkunde [522110]
  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]

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