Rolf Zenker

Duplex Treatment of Tools and Components: Previous or Subsequent Electron Beam Hardening of Thermochemically-Treated and PVD Hard-Coated Steels for Tools and Components

The tribological properties of tools and components are improved by wear resistant coatings deposited by thermochemical processing (nitriding, nitrocarburizing) or physical vapor deposition (PVD) technologies. The properties gradient between the very hard and brittle layer and the soft, ductile, but hardenable matrix material can be significantly improved by previous or subsequent electron beam hardening (EBH). The hardness of matrix material is increased by martensitic transformation up to a certain depth, which results in better load support for the hard coating layer. The influence of the tempering stability of the steels investigated and the chemical and structural stability of the coatings on the chosen sequence of treatments is discussed.

EB Surface Alloying and Plasma Nitriding of Different Al Alloys

Within the last years, considerable progress was achieved in the research field of plasma nitriding of Al alloys. However, due to large property differences between the very hard AlN layer and the soft Al matrix material the load capacity of the nitride layer is limited. Electron beam (EB) surface alloying modifies the chemical composition of the area near the surface up to a certain depth. This, for instance, results in high hardness levels, and therefore this layer acts as support for the hard and wear-resistant thin AlN layer generated by plasma nitriding. In the present study, surface modifications produced by a combination of EB alloying with Fe based additives and plasma nitriding of wrought, cast and spray-formed Al alloys were investigated. After the EB treatment the layers were examined regarding their influence on the structure, the nitride layer growth mechanism, the effect of the EB layer for the support of the AlN layer and the resulting duplex layer properties, e.g. hardness and wear behaviour.

Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der thermischen Elektronenstrahl-Randschichtbehandlung von Aluminium-Legierungen

Kurzfassung Der Elektronenstrahl (EB) ist ein ausgezeichnet geeignetes Werkzeug für die Flüssigphasen-Randschichtbehandlung von Al-Werkstoffen. Unter Nutzung einer hochfrequenten 3-D-Strahlablenkung lassen sich riss- und (nahezu) porenfreie Randschichten mit Umwandlungstiefen bis zu 8 mm mit neuartigen Struktur-/Gefüge-/Eigenschaftskomplexen einstellen. Am Beispiel der Al-Gusslegierung AlSi10Mg und den sprühkompaktierten Al-Werkstoffen AlSi35 und AlSi20CuFe wurden die Prozesse EB-Umschmelzen (EBU) und -umschmelzlegieren (EBUL) untersucht. Für das EBUL kamen vordeponierte Ni-, Cu- und Co-Basis-Zusatzstoffe zum Einsatz. Es wird gezeigt, dass sich bei Anwendung der EB-Flüssigphasen-Mehrspot-Technologien (Mehrbahn, Mäander) bzw. einer erstmals realisierten EB-Mehrprozess-Technik (Reinigen/Verdichten – Umschmelzlegieren – Homogenisieren/Glätten) maximale Härtesteigerungen bis auf das 6-fache, Erhöhungen der Ritzenergiedichte auf das 3-…5-fache und Verbesserungen der Reibungs- und Verschleißkennwerte, insbesondere der Verschleißrate k, um einen Faktor von max. 10…(25) erzielen lassen.

Plasmanitrieren von sprühkompaktierten Al-Legierungen*

Kurzfassung Auf dem Gebiet des Plasmanitrierens von Al-Knet-bzw. Gusslegierungen wurden in den letzten Jahren beachtliche Fortschritte erzielt. Das Nitrierverhalten wird in entscheidendem Maße von den Legierungselementen bestimmt. Für Al-Knet-bzw. Gusslegierungen ist bekannt, dass Mg-Anteile das Nitridschichtwachstum befördern, wogegen es durch höhere Si-Konzentrationen gehemmt wird. Sprühkompaktierte Al-Si-Legierungen weisen, bedingt durch den speziellen Herstellungsprozess, typischerweise hohe Si-Gehalte (15…35%) zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit sowie für eine gute Warmfestigkeit hohe Anteile an Fe, Ni, Co u. a. auf. Erstmalig durchgeführte Untersuchungen zum Plasmanitrieren derartiger Werkstoffe ergaben in Abhängigkeit von den Nitrierparametern rissfreie AlN-Schichten mit einer Dicke von bis zu 6 μm. Diese ausgezeichnete Nitrierbarkeit, trotz hoher Si-Gehalte, ist offensichtlich auf die werkstofftypischen ausschließlich primär erstarrten, fein verteilten, kleinen (2…5 μm) Si-Ausscheidungen zurückzuführen. Es wurden verschiedene Legierungszusammensetzungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Schichtausbildung und -eigenschaften (Härte, Verschleiß) untersucht. Durch den sprunghaften Wechsel der Eigenschaften von sehr hart (AlN-Schicht) zu weich (Al-Grundwerkstoff) ist die Tragfähigkeit der Nitridschicht im Belastungsfall eingeschränkt. Aus diesem Grund wurden die Möglichkeiten und Grenzen einer Nachbehandlung (Aushärtung) untersucht.

Duplex surface layer treatment of Al alloy: electron beam alloying and plasma nitriding

AbstractAl alloys offer a high potential as lightweight construction materials due to their low density, specific strength and processing properties. However, the field of application is limited by their low hardness and poor wear properties. Duplex surface treatment combining electron beam (EB) alloying and plasma nitriding offers one possibility to produce hard and wear resistant surface layers on Al alloys. The EB alloyed surface layer acts as supporting layer for the hard AlN coating so that the load bearing capacity can be enhanced. In the present study duplex treatment of Al-5083 (AlMg4·5Mn0·7) Al alloy has been investigated. Before the EB treatment alloying material deposition was carried out by atmospherically plasma spraying. Various sandwich layers based on Al and Fe respectively, have been applied. Different beam deflection techniques have been tested and their effect on surface deformation, microstructure and hardness was evaluated. Plasma nitriding was carried out in order to evaluate the nit...

Electron meets nitrogen: combination of electron beam hardening and nitriding

AbstractCombined heat treatments, also known as duplex or hybrid technologies, offer new structure/property relationships in layered matrix compounds. The treatment sequence is critical. There are within reach both properties and property gradients that are impossible to achieve using the respective single treatment processes alone nor by simple addition of the effects of the single processes. Good technical progress is given by the combination of thermochemical treatment with high energy beam surface hardening, in particular electron beam hardening. After a historical survey (milestones) of the combination of thermochemical with thermal (surface) heat treatment technologies, the paper deals with the principles of the combining electron beam hardening after nitriding and vice versa , electron beam hardening before nitriding and the effects on microstructure and properties. Typical examples of industrial application are discussed. In this field of heat treatment, further development is focused on combinati...

Combination of high energy beam processing with thermochemical treatment and hard protective coating: state of the art

Abstract The state of the art in combining electron beam or laser surface processing with thermochemical surface treatment (nitriding, nitrocarburising, boronising) or physical vapour deposition/chemical vapour deposition hard coating (based on TiN, TiCN) is reviewed with reference to developments since 1980. The focus of the investigations reported was on steel substrates (C45; 31CrMoV9; 50CrV4; 100Cr6; X100CrMoV5-1, X155CrVMo12-1, X220CrVMo13-4). The relationships between treatment conditions, process parameters and structure, composition and properties of the layers, base material and composite are discussed. Combined surface heat treatment technologies are constantly opening up new fields for industrial application. Examples of cold forming and injection moulding tools and automotive components are described.

The influence of dilution on dissimilar weld joints with high-alloy TRIP/TWIP steels

In dissimilar welded joints without filler materials, the dilution is one of the most important factor for the weldability. Due to other factors, the high quality of the welding seam and a good reproducibility of welding parameters the electron beam can be advantageously used to join challenging materials. Several dissimilar welded joints were successfully produced as a result of an optimised variation of the beam offset and the beam current to achieve suitable levels of dilution. For microstructural evaluation, the welded joints were examined by light optical and scanning electron microscopy methods, such as Electron Backscatter Diffraction (EBSD) and Wavelength-dispersive X-ray spectroscopy (WDS). To characterise the mechanical properties and the deformation behaviour of the welded material, microhardness measurements and tensile tests were carried out. For the welds of a high-alloy TRIP steel and the steel DP590, an optimised dilution lead to flawless joints with a tensile strength superior to the TRIP steel. Furthermore, welds of a zirconia-reinforced TWIP steel with an as-cast TRIP steel free of pores and cracks could be produced.

Eine neue kombinierte Randschichttechnologie für hochbeanspruchte Gusseisenwerkstoffe

Kurzfassung Legierungs- und gießtechnische Neu- und Weiterentwicklungen von Gusseisen haben zur Erweiterung der Einsatzgebiete dieser Werkstoffe für Bauteile und Werkzeuge auch unter dem Aspekt des Leichtbaus geführt. Zur zusätzlichen lokalen Verbesserung der tribologischen und korrosiven Beanspruchbarkeit wurde eine Technologie zur kombinierten Randschichtbehandlung entwickelt. Dabei wird das Gusseisen lokal mittels Elektronenstrahl umgeschmolzen, sodass eine harte (650 HV 0,3), graphitfreie ledeburitische Schicht entsteht. Diese thermisch gut beständige Schicht (bis ca. 1100 °C) dient als Stützschicht für eine nachfolgend durch Plasmanitrieren erzeugte relativ dünne (< 10 μm), harte Verbindungsschicht. Es werden sowohl die werkstoffspezifischen Einflussfaktoren, wie Graphitmorphologie, chemische Zusammensetzung etc., als auch die Auswirkungen der Prozessparameter auf das Ergebnis der Einzel- und Kombinationsbehandlungen erörtert. Vergleichende Untersuchungen zum Verschleißverhalten (Kugel-Scheibe) haben gezeigt, dass insbesondere bei höheren Lasten (> 100 N) der Mehrwert der Kombinationsbehandlung gegenüber den Einzelbehandlungen voll zum Tragen kommt. Die deutliche Verbesserung des Korrosionsverhaltens nach der Kombinationsbehandlung resultiert aus der defektfreien Ausbildung der Nitrierschicht auf der graphitfreien Umschmelzschicht.

Electron Beam Surface Engineering of Spray-Formed Aluminium-Silicon Alloys

Aluminium alloys are commonly used lightweight construction materials. Spray-formed alloys, in particular, represent a group of materials with very high Si contents and a homogeneous distribution of primary Si and other alloying elements in solid solution and intermetallic compounds. The paper deals with current results of EB surface alloying and dispersing of such alloys using a high frequency beam deflection technique. The results concerning the interactions between the EB and the material and its effects on the layer microstructure, characteristic layer properties as well as detailed researches into friction and wear behaviour and future prospects for the technological transferability to industrial applications will be discussed.