Einfluss der Mikrolegierung auf die Randschicht eines carbonitrierten Stahls 18CrNiMo7-6

  • Influence of microalloying on the surface layer of a carbonitrided steel 18CrNiMo7-6

Neipp, Clemens Wolfgang; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Fürbeth, Wolfram (Thesis advisor); Clausen, Brigitte (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Einsatzstähle werden am Ende ihres Verarbeitungsprozesses zur Einstellung des Eigenschaftsprofils thermochemisch behandelt. Ziel dieser Wärmebehandlungsverfahren ist, durch eine gezielte Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Randschicht eine deutliche Leistungssteigerung zu erreichen. Durch das thermochemische Verfahren Carbonitrieren, bei dem Kohlenstoff und Stickstoff in die Randschicht eingebracht werden, lassen sich die Zahnflankentragfähigkeit von Verzahnungen aus Einsatzstählen im Vergleich zu aufgekohlten Varianten deutlich steigern. Für die Charakterisierung der Randschichteigenschaften werden in der Regel Härtemessung, lichtoptische Mikroskopie (LOM), Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgendiffraktometrie (XRD) genutzt. Tiefergehende Analysen der Texturen und der Ausscheidungen in der Randschicht mittels hochauflösender und quantitativer Methoden wie Elektronenrückstreubeugung (REM-EBSD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und 3D-Atomsondentomographie (APT) wurden bisher allenfalls sporadisch durchgeführt. Für die vorliegende Arbeit wurden, ausgehend vom regulären Einsatzstahl 18CrNiMo7-6, zwei mikrolegierte Varianten hergestellt: 18CrNiMoVNb7-6, mit 0,1 Gew.−% Vanadium und 0,03 Gew.−% Niob, sowie 18CrNiMoVNbB7-6, mit 0,1 Gew.−% Vanadium, 0,03 Gew.−% Niob und 0,003 Gew.−% Bor. Proben aus den drei Legierungsvarianten (W2CN4, VNb und VNbB) wurden mit gleichen Wärmebehandlungs- und Fertigungsparametern hergestellt, carbonitriert, vergütet und geprüft. Für die Analysen der Randschichten wurde REM für eine grobe Betrachtung der Gefügebestandteile genutzt, REM-EBSD für eine quantitative Analyse der Körner und Texturen, TEM für die chemische Untersuchung der Ausscheidungen und APT für die lokale chemische Auflösung der Ausscheidungen und der Phasengrenzen. Thermodynamische und kinetische Simulationen mit den Softwareprodukten MatCalc und Thermo-Calc wurden genutzt, um die identifizierten Ausscheidungen den Prozessschritten während der thermochemischen Behandlung zuzuordnen. Um den Einfluss des Carbonitrierens auf die Leistungsfähigkeit von Zahnrädern zu beschreiben, wurde mittels Tragfähigkeitsuntersuchungen die Zahnflankentragfähigkeit an carbonitrierten Laufverzahnungen aus den drei Legierungsvarianten untersucht. Die Ergebnisse aus thermodynamischen und kinetischen Simulationen, hochauflösender und quantitativer Elektronenmikroskopie, lokaler chemischer Auflösung, sowie der mechanischen Prüfung zeigen den Einfluss der Mikrolegierungselemente und der thermochemischen Behandlung auf die Eigenschaften der Randschicht. Durch die Kombination von TEM und APT konnten die verschiedenen Ausscheidungsspezies analysiert werden, wobei entgegen der Literatur keine Carbonitride, sondern eindeutig AlN, CrN, VN und NbC identifiziert wurden. BN konnte auch mittels hochauflösender Methoden nicht gemessen werden. Eine exakte Bestimmung des Restaustenitgehalts fällt auch mittels REM-EBSD schwer, da ein Gradient im Tiefenverlauf der Randschicht vorliegt, der auch durch die Hartfeinbearbeitung und die Präparation der Zahnräder beeinflusst wird. Es konnte jedoch ein Einfluss der Mikrolegierungselemente auf die Textur im Tiefenverlauf der Randschicht nach der thermochemischen Behandlung festgestellt werden. In der mechanischen Prüfung wurde nach dem Carbonitrieren eine Steigerung der Oberflächenhärte von 700 HV1 beim 18CrNiMo7-6 auf 740 HV1 beim 18CrNiMoVNb7-6 und auf 780 HV1 beim 18CrNiMoVNbB7-6 gemessen. Der Dauerfestigkeitswert der Flankenpressung aus den Tragfähigkeitsuntersuchungen stieg von 1700MPa beim 18CrNiMo7-6 auf 1842MPa beim 18CrNiMoVNb7-6 und auf 1839MPa beim 18CrNiMoVNbB7-6 an. Die Experimente haben ergeben, dass neben den bisherigen Einflussfaktoren auf den Dauerfestigkeitswert der Flankenpressung (hauptsächlich Restaustenitgehalt) ein weiterer Faktor existiert. Durch eine Konditionierung des Austenits vor und während des Carbonitrierens durch die Mikrolegierungselemente wurde die Textur des resultierenden Gefüges bei Raumtemperatur vorteilhaft beeinflusst. So konnte durch die Mikrolegierung des 18CrNiMo7-6 mit Vanadium, Niob und Bor die Zahnflankentragfähigkeit weiter gesteigert werden.

Einrichtungen

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

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