On the effects of core microstructure on distortion behavior and mechanical properties of case-carburized steel parts

Farivar, Hamidreza; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Prahl, Ulrich (Thesis advisor); Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Die Kontrolle des wärmebehandlungsinduzierten Verzugs von Kraftübertragungsbauteilen ist für die Ingenieure auf diesem Gebiet eine fortwährende Herausforderung und gewinnt aufgrund der aktuellen Trends in Bezug auf Komponentenverkleinerung und Leichtbau zunehmend an Bedeutung. Verzug führt zu ungleicher Lastverteilung, Geräuschentwicklung, vorzeitiger Schädigung und Ausfall zentralen Getriebebauteile. Der Verzug von einsatzgehärteten Stahlbauteilen erzwingt zusätzliche kostspielige Prozesse, wie beispielsweise das Hartschleifen, um den Verzug zu korrigieren und die strengen Maß- und Formanforderungen zu erfüllen. Dies verursacht nicht nur zusätzliche Kosten, sondern entfernt auch einen Teil der gehärteten Oberfläche, wodurch die gesamte Produktionseffizienz und die Gesamtkosten erheblich beeinträchtigt werden. Daher ist es von großer Bedeutung, ein gesteigertes Verständnis für die zugrundeliegenden Faktoren zu gewinnen, die die Verzugsmechanismen bestimmen. Steuerung und Minimierung des Verzugs gewinnen zunehmend an Bedeutung, wenn die strengen Vorschriften des Automobilsektors berücksichtigt werden, mit denen die Motorengröße verringert, die Leistungsdichte erhöht und die Lebensdauer von Antriebsstrangsystemen verlängert werden müssen. Verzug kann durch zahlreiche Faktoren verursacht werden, von denen einige kontrolliert werden können, andere jedoch unvermeidlich sind. Darüber hinaus liegen einige der verzugsverursachenden Faktoren in den ersten Fertigungsschritten und werden entlang der Prozesskette, den sogenannten Trägern des Verzugspotentials, übertragen. Andere Faktoren sind lediglich Verzugspotentiale, die eine Maß- und/oder Formänderung in einem einzelnen Schritt hervorrufen, und werden nicht auf die folgenden Schritte übertragen. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, die Auswirkungen von Härtungsparametern (Härtetemperatur und -dauer) nach dem Aufkohlungsschritt auf mikrostrukturelle Veränderungen von Stahlproben, den daraus resultierenden Verzug, die mechanischen Eigenschaften sowie das entsprechende Biegeermüdungsverhalten zu ermitteln. Die Forschungsziele wurden in drei aufeinanderfolgenden Schritten erreicht, deren Ergebnisse in internationalen, im Peer-Review-Verfahren begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht sind. Im ersten Schritt wurde ein Einsatzstahl als Laborschmelze mit maßgeschneiderter Legierungszusammensetzung erzeugt, um Testproben zu fertigen. Die entsprechenden Legierungselemente wurden so eingestellt, dass die ferritbildenden Elemente wie Si und Mo und die austenitbildenden Elemente wie Mn und Ni innerhalb der maximal bzw. minimal zulässigen Grenzen liegen, die in konventionellen Einsatzstählen üblich sind. Navy-C-Ring-Proben wurden verwendet, um die Auswirkungen der Härtungsparameter auf den resultierenden Verzug zu untersuchen. Die Proben durchliefen zwei verschiedene Verfahren: In der ersten Route wurden die aufgekohlten Proben von einer Härtetemperatur von 860 °C abgeschreckt, bei der das Gefüge des Probenkerns vollständig austenitisch ist; Die Proben des zweiten Zyklus wurden von einer niedrigeren Härtetemperatur (775 °C), bei der bis zu 30% Ferrit im Kernbereich thermodynamisch stabil ist, abgeschreckt. Die Legierungselemente des untersuchten Stahls wurden so eingestellt, dass durch Absenkung der Härtetemperatur Karbidbildung in der kohlenstoffangereicherten Oberfläche unterdrückt wird. Es zeigt sich, dass die im Vergleich zum ersten Zyklus abgesenkte Härtetemperatur zu 27% weniger Verzug führt, wobei die Härteeigenschaften im Kern und der Randschicht beider Zyklen ähnlich bleiben. Umfangreiche Gefügeuntersuchungen, einschließlich lichtoptischer Mikroskopie, Elektronenrückstreubeugung, Mikro- und Nanohärtemessungen sowie Mini-Zugversuche und Röntgenbeugungsmessungen wurden ebenfalls durchgeführt, um die Zusammenhänge von Mikrogefüge-Verzug-mechanischen Eigenschaften besser zu verstehen. Zusätzlich wurden zahlreiche thermodynamische Berechnungen mittels Thermo-Calc/Dictra® durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Teils der Arbeit wurden in Veröffentlichung Nr. 1 zusammengefasst. Im Anschluss wurde die Bruchzähigkeit des Kernbereiches der Navy-C-Ring-Proben durch Verwendung der Mini-V-Kerbproben untersucht. Zudem wurden umfangreiche Gefüge- und Härteuntersuchungen durchgeführt. Es wurde nachgewiesen, dass aufgrund der Bildung des bainitischen Gefüges und des höheren Anteils an Restaustenit in den aus der höheren Härtetemperatur abgeschreckten Proben bessere Bruchzähigkeitswerte erzielt werden können. Außerdem ergab die Durchführung der Phasenfeldmodellierung mittels Micress®, dass der höhere Anteil des Restaustenits in den Proben des ersten Zyklus (860 °C) durch eine höhere Kohlenstoffanreicherung im anliegenden Austenit während der Bildung des bainitischen Ferrits erklärt werden kann. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden in Veröffentlichung Nr. 2 vorgestellt. In einem weiteren Schritt wurden die Korrelationen zwischen Wärmebehandlung, Gefügeentwicklung und Biegeermüdungsverhalten untersucht. V-Kerbproben wurden zunächst den untersuchten Einsatzhärtezyklen unterzogen und anschließend unter Verwendung eines 4-Punkt-Biegeauflagers dynamisch belastet. Die Ausbreitung der Ermüdungsrisse am Kerbgrund wurde durch das optische Messsystem quantifiziert. Das bainitisch-martensitische Kerngefüge der einsatzgehärteten Proben zeigte geringfügig bessere Biegeermüdungseigenschaften im Vergleich zu den ferrithaltigen Proben. Die besseren Ermüdungseigenschaften werden hauptsächlich auf die Ermüdungsrissablenkungswirkung des bainitischen Gefüges zurückgeführt, das zahlreiche Großwinkelkorngrenzen besitzt. Darüber hinaus trägt der Restaustenit im Kerngefüge zur Verringerung des Spannungsniveaus vor der Rissspitze durch den TRIP-Effekt bei, wodurch die Geschwindigkeit des Ermüdungsrisswachstums verringert wird. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die Ferrit-Martensit-Grenzflächen des Kerngefüges aufgrund starker Härteunterschiede als bevorzugte Stellen für die Rissbildung fungieren, wodurch die Ermüdungseigenschaften verschlechtert werden. Die Veröffentlichung Nr. 3 stellt die Ergebnisse dieser Untersuchungen dar. Zusammengefasst wurde gezeigt, dass durch eine geeignete Auswahl der Legierungselemente und Wärmebehandlungsparameter der durch Einsatzhärten verursachte Verzug wesentlich verringert werden kann. Des Weiteren können die Härteeigenschaften und die Biegeermüdungseigenschaften ähnlich bzw. ohne signifikanten Verlust gehalten werden. Die Bruchzähigkeit des Kerngefüges nimmt jedoch ab.

Einrichtungen

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