Properties and heat treatments of air-hardening ductile forging steels

• Eigenschaften und Wärmebehandlung von lufthärtenden duktilen Schmiedestählen

Gramlich, Alexander Roald Michael; Bleck, Wolfgang (Thesis advisor); Zoch, Hans-Werner (Thesis advisor); Krupp, Ulrich (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022, Kumulative Dissertation

Kurzfassung

Lufthärtende duktile Schmiedestähle (LHD) sind eine kürzlich entwickelte Werkstoffklasse, welche die mechanischen Eigenschaften von Vergütungsstählen mit einer kosteneffizienten Prozessierung nach dem Schmieden verbinden. Durch die verkürzte Prozesskette weisen diese Stähle ein enormes Kosten- sowie Energie-Einsparpotential auf, jedoch verhinderte die unzureichende Kerbschlagarbeit bisher die industrielle Anwendung. Das Ziel dieser Studie ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von LHD-Stählen mit besonderem Augenmerk auf der Kerbschlagzähigkeit und einer Betrachtung der zyklischen Festigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Legierungskonzepte sowie eine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Lufthärten zur Erhöhung der Kerbschlagarbeit erarbeitet und im Labormaßstab überprüft. Unterschiedliche Konzentrationen an Bor, Molybdän, Titan, Vanadium und Aluminium wurden zu einer Fe-4Mn-0,5Si-0,17C-0,035Nb-Basislegierunghinzugefügt. Das Legierungsdesign sowie die Bestimmung der Wärmebehandlungsparameter wurden durch thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen unterstützt. Ein besonderer Fokus lag auf der Verhinderung der Manganversprödung durch die Zugabe von Bor und Molybdän, sowie der Bildung von feinen Austenitkörnern während einer interkritischen Wärmebehandlung. Die resultierenden Mikrostrukturen sowie mechanischen Eigenschaften der sechs Legierungen wurden durch ein breites Spektrum an Charakterisierungsmethoden untersucht, unter anderem hochauflösenden Methoden wie Atomsonden-Tomographie und Synchrotron-Röntgenbeugung. Es konnte aufgezeigt werden, dass die Zugabe von Bor und Molybdän die Kerbschlagarbeit erhöht, wobei die Effektivität der einzelnen Elemente je nach Wärmebehandlungszustand unterschiedlich ist. Auch durch das Einbringen einer globularen, metastabilen Austenitphase konnte die Kerbschlagarbeit deutlich gesteigert werden. Im luftgehärteten Zustand erweist sich eine Zugabe von Aluminium und ein hieraus resultierendes in-situ Anlassen während der Luftabkühlung als effektivstes Mittel. Zusätzlich weisen die entwickelten Werkstoffe eine deutlich höhere zyklische Festigkeit als die untersuchten Referenzwerkstoffe auf, was vorwiegend auf die Ausscheidungsmorphologie der unterschiedlichen Werkstoffe zurückzuführen ist. Zur Verbesserung der Prozessauslegung wurden zusätzlich neue empirische Formeln zur Berechnung der Martensit-Start-Temperatur (Ms) und der kritischen Abkühlgeschwindigkeit auf einer breiten Datenbasis ermittelt, da die bisher verfügbaren Formeln nur unzureichend anwendbar sind. Im Gegensatz zu den bestehenden Gleichungen, basieren die neue Formeln auf Daten von hochlegierten Stählen mit Mangankonzentrationen bis zu 10 % und berücksichtigen die Zugabe von Bor. Der vielversprechendste Werkstoff erreicht im luftgehärteten Zustand eine Streckgrenze von 930 MPa, eine Zugfestigkeit von 1340 MPa, eine Gleichmaßdehnung von 4,1 % sowie Kerbschlagarbeiten von 49 J. Im Vergleich zum Referenzwerkstoff 42CrMo4 (im angelassenen Zustand) konnte die zyklische Festigkeit um 47 % erhöht werden. Somit bieten die LHD-Stähle über eine kombinierte Werkstoff-, Prozess- und Geometrie-Optimierung die Möglichkeit, Energie und CO2-Emissionen sowohl durch eine verkürzte Wärmebehandlung als auch durch Leichtbauoptimierung der Komponenten zu erzielen.

Einrichtungen

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