Der Einfluss von Bor auf die mechanischen Eigenschaften des Einsatzstahls ZF7B (20MnCr5 mod.) sowie Neubewertung des ZF-Schlagbiegeversuchs zur Zähigkeitsbewertung einsatzgehärteter Bauteile

  • The effect of Boron on the mechanical properties of case-hardening steel ZF7B (20MnCr5 mod.) and revalidation of ZF Impact Bending Test as toughness indicator for case hardened components

Ortlepp, Isabell; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Schaaf, Peter (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Bor Gehalts zwischen 0,0004-0,0025 Gew.-% auf die Zähigkeit, Härtbarkeit und Schwingfestigkeit an Labor- und Industrieschmelzen aus dem Einsatzstahl ZF7B (20MnCr5 mod.) untersucht. Aufgrund der Abwesenheit des starken Nitridbildners Titan existiert in dem untersuchten Legierungskonzept eine starke Tendenz zur Bildung von Bornitriden, denen vor allem eine Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften zugeschrieben wird. Um zusätzlich den Einfluss unterschiedlicher Ausscheidungszustände von Bor zu untersuchen, wurden die Versuchsschmelzen vor der Endwärmebehandlung zwei unterschiedlichen Prozessketten unterzogen. Erstens wurden die Versuchsschmelzen nach dem Walzen sehr langsam auf Raumtemperatur abgekühlt, aufgrund der Annahme, dass dadurch das gesamte Bor in ausgeschiedener Form als Bornitrid vorliegt. Zweitens wurden die Versuchsschmelzen unmittelbar nach dem Walzen in Wasser abgeschreckt, um einen Großteil des Bors in Lösung zu halten.Die Zähigkeitsprüfung im einsatzgehärteten Zustand zeigte sowohl im ZF-Schlagbiegeversuch, als auch im Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy einen positiven Einfluss der Bor Zugabe auf die Zähigkeit. Dieser Einfluss war am deutlichsten bei Proben mit einer schnellen Abkühlung nach dem Walzen sichtbar, weshalb geschlussfolgert wurde, dass die Zähigkeitssteigerung nicht durch Bor im gebundenen Zustand, sondern durch Bor im gelösten Zustand hervorgerufen wird. Mikrostrukturelle Untersuchungen zeigten in allen Zuständen lediglich Bornitride im µm Bereich, denen kein positiver Einfluss auf die Zähigkeitseigenschaften zugeschrieben wird. In zähen Proben konnte mittels Atomsondentomographie gelöstes Bor an den Korngrenzen nachgewiesen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Zähigkeit mit zunehmender Härtbarkeit steigt, was ebenfalls die Annahme einer Zähigkeitssteigerung durch gelöstes Bor unterstützt. Im Vergleich dazu konnte im blindgehärteten Zustand bei beiden Zähigkeitsprüfungen kein Einfluss von Bor nachgewiesen werden. Somit ist anzunehmen, dass der positive Effekt der Bor Zugabe auf die Zähigkeit nur bei einer hohen Spannungsmehrachsigkeit auftritt, was im einsatzgehärteten Zustand der Fall ist, sobald ein Anriss mit großer Kerbschärfe in der Einsatzhärtungsschicht vorliegt und sich der weitere Bruchvorgang von dort ausgehend aufbaut. Auch die Schwingfestigkeitsuntersuchungen ergaben keinen signifikanten Einfluss des Bor-Gehalts. Ergänzend dazu erfolgte eine Neubewertung des charakteristischen Kraft-Zeit-Verlaufs im ZF-Schlagbiegeversuch. Bislang wurde angenommen, dass bei Erreichen der dynamischen Bruchkraft Fdyn (≙ Maximalkraft) der erste Anriss in der Probe im Bereich der Einsatzhärtungsschicht stattfindet. Je höher die Maximalkraft, desto größer der Widerstand gegen Versagen. Über diverse Variationen der Einsatzhärtungsschicht konnte nachgewiesen werden, dass der Anriss in der Randschicht bei zähen Proben bereits vor Erreichen der dynamischen Bruchkraft entsteht, was sich in Form eines ersten Maximums äußert, bevor sich der Anriss nach Plastifizierung und einem damit verbundenen weiteren Kraftanstieg im Kern fortsetzt, was zur Ausbildung eines zweiten Maximums (≙ Fdyn) führt. Bei spröden Proben hingegen kann das Kernmaterial keinen weiteren Widerstand gegen den bereits vorliegenden Anriss in der Randschicht leisten, wodurch es zu einem sofortigen Versagen der Probe kommt. In diesem Fall entspricht der Kraftbetrag, der für den Anriss der Einsatzhärtungsschicht erforderlich ist, auch gleichzeitig der dynamischen Bruchkraft Fdyn. Durch die Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass der erste Anriss in der Einsatzhärtungsschicht, unabhängig von der Zähigkeit der Probe, immer auf einem vergleichbaren Kraftniveau liegt. Da die dynamische Bruchkraft Fdyn folglich nicht in allen Fällen den Widerstand gegen den ersten Anriss repräsentiert, ist ihre Aussagekraft in Frage zu stellen. Aus diesem Grund wurde der ZF-Schlagbiegeversuch aus den Lieferbedingungen für ZF Einsatzstähle entfernt.

Einrichtungen

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

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