F. Hoffmann

Microstructure and fatigue strength of the roller-bearing steel 100Cr6 (SAE 52100) after two-step bainitisation and combined bainitic–martensitic heat treatment

Abstract Possible processes for shortening the heat treatment of roller-bearing steels in the lower bainitic range were investigated by computer assisted dilatometric experiments and by practical heat treatment process simulations. Several processes were evaluated and used on the steel 100Cr6 (SAE 52100). The microstructures achieved have been investigated by metallography, X-ray analysis and electron microscopy. Influences on hardness, as well as on the fatigue strength were examined. No loss in hardness was achieved and the fatigue strength, determined by rotating bar fatigue tests, was enhanced significantly by the shortened treatments, particularly by the use of the two-step bainitic treatment. The results indicated that small amounts of retained austenite, homogeneously dispersed on a sub-microscopic scale, as obtained during various treatment cycles, have influenced the fatigue strength. By means of the processes evaluated the heat treatment time can be shortened to about 10–25% of the duration of complete bainitisation in the lower range.

Mechanisch induziertes Härten

Kurzfassung Seit dem Jahr 2001 wird an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen (IWT) ein neues endwärmebehandlungsfreies Verfahren zur Herstellung von randschichtgehärteten Stahlbauteilen erforscht. Bei diesem Verfahren wird die Randschichthärtung durch eine mechanisch induzierte martensitische Phasenumwandlung in die Fertigungslinie integriert. Neben einer deutlichen Verkürzung der Produktionsdauer wird die lokale Härtung von Funktionsflächen eines Bauteils ermöglicht. Zudem kommt es durch die Einsparung einer abschlieβenden Wärmebehandlung zu einer signifikanten Reduzierung des Energieverbrauchs und der damit verbundenen CO2-Emission. Um eine spannungs- bzw. dehnungsinduzierte martensitische Phasenumwandlung aufgrund von rein mechanischen Effekten zu ermöglichen, wird zunächst ein bei Raumtemperatur metastabiles austenitisches Gefüge hergestellt. Dieser Werkstoffzustand soll so stabil sein, dass eine spanende Bearbeitung keine ausgedehnte martensitische Phasenumwand-lung auslöst und das Werkstück somit noch “weich” bearbeitet werden kann. In einem anschlieβenden mechanischen Verfahren, wie z. B. einem Festwalzprozess, soll die auf die Werkstückoberfläche ausgeübte Pressung so weit gesteigert werden, dass die zur martensitischen Umwandlung des Austenits benötigte Spannung in der Bauteilrandzone erreicht wird.

EcoForge: Energieeffiziente Prozesskette zur Herstellung von Hochleistungs-Schmiedebauteilen*

Kurzfassung In der “Leittechnologie für Morgen – Ressourceneffiziente Prozesskette für Hochleistungsbauteile” (EcoForge) wird eine verkürzte Schmiedeprozesskette für Hochleistungsbauteile entwickelt, die Energie-Einsparungen von > 30 % ermöglicht. Diese Prozesskette wird für hochfeste duktile bainitische Stähle (HDB) optimiert. Dies geschieht, indem unter direkter Ausnutzung der Schmiedewärme unmittelbar an den Schmiedeprozess eine auf den Stahl zugeschnittene Wärmebehandlung vorgenommen wird. Dabei wird die Gefügeumwandlung im Bauteil durch eine neuartige Hochtemperatur-Wirbelstromtechnik während der Abkühlung ermittelt. Die Messsignale werden online erfasst und stehen zur Steuerung der Temperaturführung im Abkühlpfad zur Verfügung. Noch während der Wärmebehandlung, insbesondere der isothermen Wärmebehandlung im Gebiet des Bainits und in ihrem Anschluss, werden weitere Bearbeitungsschritte wie die Heißzerspanung und die Lauwarmumformung vorgenommen. Die Bearbeitungsschritte finden bei Bauteiltemperaturen von ca. 300–500 °C statt. Diese hohen Temperaturen ermöglichen die Bearbeitung des Zielgefüges bei reduzierten mechanischen Belastungen der Werkzeuge. Die erzeugten Mikrostrukturen werden mittels einer neuentwickelten REM-Bildanalyseroutine quantitativ charakterisiert. Simultan zu den experimentellen Untersuchungen wird die gesamte Prozesskette numerisch abgebildet und die Gefügeevolution der Schmiedebauteile im Prozess simuliert.

Geregeltes Carbonitrieren∗: Entwicklung eines Sensorsystems für das Carbonitieren im Gas – Teil 2

Kurzfassung In der Vergangenheit wurde das Carbonitrieren vornehmlich zur Verbesserung der Härtbarkeit der Randschicht und zum Minimieren des Verzugs bei niedriglegierten Stählen eingesetzt. In den letzten Jahren hat es sich jedoch Anwendungen erobert, in denen mit definiert eingestelltem Gehalt an stabilem Restaustenit die Lebensdauer tribologisch beanspruchter Bauteile deutlich verlängert werden kann. Um die Vorteile des Carbonitrierens für das Bauteil voll ausschöpfen zu können, ist es notwendig, die bisherige Prozessführung zu verbessern. Mit dem entwickelten Carbonitriersensorsystem ist es möglich, den Prozess des Carbonitrierens sicher und reproduzierbar zu gestalten, sodass definierte Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofile anlagenunabhängig und reproduzierbar eingestellt werden können. Der Kohlenstoffpegel wird hierbei unter Berücksichtigung des aktuellen Kohlenmonoxidgehalts über eine Sauerstoffsonde geregelt und die Regelung des Stickstoffgehaltes erfolgt über den Restammoniakgehalt, gemessen im Abgas.

Entwicklung eines Sensorsystems für das Carbonitrieren im Gas – Teil 1*

Kurzfassung In der Vergangenheit wurde das Carbonitrieren vornehmlich zur Verbesserung der Härtbarkeit der Randschicht und zum Minimieren des Verzugs bei niedriglegierten Stählen eingesetzt. In den letzten Jahren wurde es jedoch auf Anwendungen ausgedehnt, in denen mit definiert eingestelltem Gehalt an stabilem Restaustenit die Lebensdauer tribologisch beanspruchter Bauteile deutlich verlängert werden kann. Um die Vorteile des Carbonitrierens für das Bauteil voll ausschöpfen zu können, ist es notwendig, die bisherige Prozessführung zu verbessern. Das Ziel ist die Entwicklung eines Carbonitriersensorsystems, mit dem ermöglicht werden soll, den Prozess des Carbonitrierens sicher und reproduzierbar zu gestalten. Über das Einbinden geeigneter Sensoren und Regelkreise sowie der entsprechenden Modellbildung soll dieses Ziel erreicht werden. Auf diese Weise soll realisiert werden, dass definierte Kohlenstoff- und Stickstofftiefenprofile anlagenunabhängig und reproduzierbar eingestellt werden können. Zu diesem Zweck wird der Kohlenstoffpegel über eine Sauerstoffsonde geregelt. Die Regelung des Stickstoffgehaltes kann wahlweise über den Widerstand eines Eisendrahtes oder den Ammoniakgehalt im Abgas erfolgen.

Einfluss von gezielt asymmetrischen Fertigungsbedingungen auf den Verzug von Wellen infolge von Abschreckprozessen

Kurzfassung Das Maß- und Formänderungsverhalten von Bauteilen beim Abschrecken kann in der Bauteilvorgeschichte und dem dabei aufgebauten Verzugspotenzial begründet sein. Dieser Anteil des Verzugspotenzials wird durch Asymmetrien und Inhomogenitäten in der Geometrie (Massenverteilung), der Seigerungen und der Gefüge- und der Eigenspannungsverteilung gebildet. Zusätzlich kann aber auch der Wärmebehandlungsprozess, speziell der Abschreckprozess, Verzüge verursachen. In der vorliegenden Arbeit wird über Versuche berichtet, in denen einzelne Beiträge zum Verzugspotenzial gezielt erhöht, während alle anderen Beiträge zum Verzugspotenzial minimiert wurden. Durch diese Vorgehensweise ließ sich eine klare Trennung der Verzugsursachen herbeiführen. Durch die gezielte Erhöhung einzelner Beiträge soll die Wirkungsweise und das Potenzial dieser Beiträge ausgelotet werden.

Entwicklung einer Stahllegierung zur Erzeugung metastabiler, austenitischer Gefüge

Kurzfassung In den letzten Jahren wurde das “mechanisch induzierte Härten” (MIH) als neues “wärmebehandlungsfreies” Produktionsverfahren zur Herstellung von randschichtverfestigten Stahlbauteilen entwickelt. Die Randschichthärtung wird als mechanisch induzierte martensitische Phasenumwandlung in die Fertigungslinie integriert. Neben der lokalen Härtung von Funktionsflächen eines Bauteils wird auch eine deutliche Verkürzung der Produktionsdauer ermöglicht. Zudem kann durch die Einsparung einer abschließenden Wärmebehandlung der Energieverbrauch und die damit verbundene CO2-Emission verringert werden. Voraussetzung für die Durchführung ist ein Werkstoffzustand mit hohem Anteil an metastabilem Austenit, der bei der Halbzeugherstellung eingestellt wird. Untersuchungen an kommerziell erhältlichen Stählen ergaben, dass das Verfahren ein hohes Anwendungspotenzial aufweist. Bei Einsatz einer für diesen Zweck ausgelegten Stahllegierung kann dies weiter gesteigert werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung dieser Stahllegierung, die speziell für die Erzeugung eines metastabil austenitischen Gefüges ausgelegt ist. Die Gefügecharakterisierung der neuen Legierung erfolgte durch OES (Optische Emissionsspektrometrie) und Metallographie, das Umwandlungsverhalten wurde dilatometrisch untersucht. Die unterhalb der Raumtemperatur (RT) liegende Martensitstarttemperatur (Ms-Temperatur) wurde durch Dehnungsmessung bei der Tiefkühlung ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein vollständig austenitisches Gefüge mit feinen kugelförmigen Carbiden in der Stahllegierung bei RT eingestellt werden kann. Die Stabilität des austenitischen Gefüges kann in großem Umfang variiert werden. Die Eigenschaften der neuen Stahllegierung sind für die Weichbearbeitung und die Randschichthärtung durch mechanisch induzierte Martensitumwandlung geeignet.

Mit Nitrier- und Kohlungskennzahl geregeltes Nitrocarburieren*

Kurzfassung Durch sensorgeregelte Nitrier- und Nitrocarburierprozesse wurde das Dreistoffsystem Fe-N-C im Temperaturbereich des Nitrocarburierens experimentell untersucht und mit den thermodynamischen Ergebnissen der Literatur verglichen. Die Nitrocarburierungen wurden in einem industriellen Nitrierofen durchgeführt, der mit einer Wasserstoff- und einer Sauerstoffsonde ausgestattet wurde. Die Regelkreise für die Nitrierkennzahl und Kohlungskennzahl wurden so aufgebaut, dass eine gleichzeitige unabhängige Regelung möglich war. Durch die Regelung von Nitrier- und Kohlungskennzahl konnten Teile der bislang noch nicht untersuchten Bereiche im Dreistoffsystem Fe-N-C erschlossen werden. Es konnte gezeigt werden, dass der Kohlenstoffgehalt in derVerbindungsschicht mit steigender Kohlungskennzahl bis zu einem Sättigungswert zunimmt. Mit dem Kohlenstoffgehalt steigt der-Gehalt der Verbindungsschicht.

Kryogenes Festwalzen metastabiler Austenite

Kurzfassung Die Verwendung metastabiler Austenite, welche sich durch rein mechanische Prozesse wie Kugelstrahlen oder Festwalzen prozessintegriert zur Randschichthärtung martensitisch umwandeln lassen, wird von einem fertigungstechnischen Dilemma begleitet. Die geeigneten Gefügezustände müssen stabil genug sein, um in der Weichbearbeitung nicht oder nur geringfügig umzuwandeln, während ein bestimmtes Maß an Instabilität für die anschließende Härtung erforderlich ist. In den hier vorgestellten Arbeiten wird ein neuer Ansatz zur Erweiterung des Stabilitätsspektrums der eingesetzten Werkstoffe präsentiert. Durch Kombination eines mechanischen Prozesses mit einer kryogenen Behandlung kann die Verwendung stabilerer Gefügezustände ermöglicht werden bzw. ein größerer Anteil des Austenits bei gleichbleibender mechanischer Belastung in Martensit umgewandelt werden. Der vorgestellte Hybridprozess führt sowohl zu höheren Einhärtungstiefen als auch zu größeren Maximalhärten.

Gasaufkohlen unter Normaldruck und ohne Randschichtschädigung – erste Ergebnisse∗

Kurzfassung Das weit verbreitete geregelte Gasaufkohlen hat den Nachteil, dass aus regelungstechnischen Gründen mit sauerstoffhaltigen Aufkohlungsatmosphären gearbeitet werden muss, was zwangsläufig zu einer Bauteilrandschichtschädigung in der Form von Randoxidation führt. Um Schädigungen durch Oxidation und Manganeffusion zu unterdrücken und auch um Anlagenkosten niedrig zu halten, wurde gemeinsam von IWT Bremen und Rohde Schutzgasöfen GmbH gezielt im Normaldruckbereich geforscht. Mit einer an das verwendete sauerstofffreie Aufkohlungsgas angepassten Steuerung und Diffusionsberechnung ist es gelungen, eine gezielte Aufkohlung mit guter Gleichmäßigkeit in einer industriellen Anlage zu erzeugen, die beim verwendeten Werkstoff 18CrNiMo7-6 (1.6587) bei einer CHD von rund 1 mm eine Manganeffusion erfolgreich unterdrückt und die Randoxidation nahezu vollständig vermeidet.