Eigenschaften lufthärtender martensitischer Schmiedestähle mit Mangangehalten von 3-10 Gew.-%

Stieben, Andreas; Schaper, Mirko; Bleck, Wolfgang Peter

doi:37383

Eigenschaften lufthärtender martensitischer Schmiedestähle mit Mangangehalten von 3-10 Gew.-%

Stieben, Andreas^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Andreas Stieben

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (II, 113 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang Peter (Thesis advisor)^RWTH* ; Schaper, Mirko (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-03-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223837
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722906/files/722906.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
lufthärtende Schmiedestähle (frei) ; Mittelmangan (frei) ; Schmiedestähle (frei) ; LHD-Stahl (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung lufthärtender martensitischer Schmiedestähle, deren Mangangehalt zwischen 3 Gew.-% und 10 Gew.-% liegt. Stähle mit der Eigenschaft an Luft auszuhärten sollen die Prozesskette zur Herstellung martensitischer Bauteile verkürzen und damit Zeit und Kosten einsparen. Dies wird erreicht, indem die Schritte des Härtens und Anlassens wegfallen. Dazu wurden Legierungen mit unterschiedlichen Mangangehalten im Labor erstellt und untersucht. Eingegangen wurde auf die Mikrostruktur, die lokale chemische Zusammensetzung, das Umwandlungsverhalten, die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften. Neben Mangan wurde zusätzlich der Einfluss der Legierungselemente Kohlenstoff, Silizium, Titan, Bor und Molybdän betrachtet. Ergänzend zu den Laborschmelzen wurde eine Legierung im industriellen Maßstab erstellt und auf ihre Eigenschaften hin überprüft. Die Untersuchungen zeigen, dass Mangan ein effektives Element zur Erhöhung der Einhärtbarkeit ist. Bereits bei Gehalten von 6,5 Gew.-% konnten im ZTU-Schaubild bis zu einer t8/5-Zeit von 3 h nur Martensit und geringe Anteile Restaustenit vorgefunden werden. In Stählen mit 4 Gew.-% Mangan zeigen Molybdän sowie die Kombination aus Titan und Bor eine Verlagerung der bainitischen Phase zu längeren Abkühldauern, sodass Stabmaterial mit einem Querschnitt von 60 x 60 mm bis in den Kern durch Luftabkühlung martensitisch aushärtet. Die Ergebnisse zeigen, dass der erhöhte Mangangehalt die Grenzflächenkohäsion schwächt und ein sprödes Verhalten der Stähle verursacht. Als korngrenzenaktive Elemente belegen Molybdän sowie Bor die Korngrenzen und erhöhen dadurch die Grenzflächenkohäsion, was zu einer höheren Kerbschlagbiegearbeit führt. Darüber hinaus wird die bainitische Umwandlung zu längeren Abkühldauern verschoben, sodass die Einhärtbarkeit erhöht wird. Titan wirkt zudem kornfeinend auf das Gefüge. Das Werkstoffkonzept mit 4 Gew.-% Mangan und einer Mikrolegierung mit Titan und Bor erreicht im Ausgangszustand der Laborschmelze über 900 N/mm² Dehngrenze, über 1400 N/mm² Zugfestigkeit, mehr als 12 % Bruchdehnung und 29 J Kerbschlagbiegearbeit. Mit einem zusätzlichen Anlassen lässt sich die Dehngrenze auf bis zu 1150 N/mm² erhöhen, was durch Blockierung freier Versetzungen begründet wird. Diese Legierung zeigt sowohl in der Laborschmelze als auch im Pilotmaßstab bei 400 °C eine ausgeprägte Reduktion der Kerbschlagbiegearbeit, die auf eine Ausscheidung von Karbiden zurückgeführt werden kann. Diese lassen sich durch Legieren mit Silizium zu höheren Temperaturen verlagern, sodass ein größerer Temperaturbereich für das Anlassen und die Einstellung der mechanischen Eigenschaften genutzt werden kann. Bei 550 °C Anlasstemperatur versprödet der Werkstoff ebenfalls, was durch die Segregation von Verunreinigungen wie Phosphor, Arsen oder Antimon hervorgerufen wird. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass ein Werkstoffkonzept mit einem erhöhten Mangangehalt an die mechanischen Eigenschaften von Vergütungsstählen heranreichen kann. Zugleich wird die Prozesskette verkürzt, indem der Prozessschritt des Härtens weggelassen wird und das Anlassen optional zum Regulieren der mechanischen Eigenschaften genutzt werden kann.

The present work deals with the development of air-hardening martensitic forging steels whose manganese content is between 3 wt.-% and 10 wt.-%. Steels with the ability of air-hardening are intended to shorten the process chain and thus save time and money. This aim is achieved by excluding the steps of hardening and tempering. For this purpose, alloys with different concentrations of manganese were prepared and tested in the laboratory. The investigations considered microstructure, local chemistry, transformation behavior, thermal conductivity and mechanical properties. Additionally, the influence of the alloy elements carbon, silicon, titanium, boron and molybdenum was explored. An industrial scale alloy has been also developed and investigated.The investigations show that manganese is an effective element for increasing martensitic hardenability. Already at a manganese content of 6.5 wt.-% only martensite and small amounts of retained austenite were found in the cct-diagram at a t8/5-time of 3 h. In steels containing 4 wt.-% manganese, the addition of molybdenum and the combination of titanium and boron shows a shifting of the banitic phase to longer cooling rates, so that rod material with a cross-section of 60 x 60 mm can transform completely martensitic by air cooling. An increase of the manganese content seems to reduce the cohesion of the grain boundaries and results therefore in a brittle behavior of these steels. Molybdenum as well as boron are grain boundary active elements and occupy therefore the grain boundaries which increase their cohesion and reduce the embrittlement caused by the manganese. Moreover, the bainitic transformation is shifted to prolonged cooling periods so that the hardenability is increased. Beside this effect titanium leads also to a refined grainsize.The material concept with 4 wt.-% manganese and micro alloying with titanium and boron reaches over 900 N/mm² yield strength, over 1400 N/mm² tensile strength, more than 12 % elongation and 29 J notch impact energy in the initial state of the laboratory melt. Due to inhibition of free dislocations an additional tempering can increase the yield strength up to 1150 N/mm². In the laboratory melt as well as the melt on the industrial scale these alloy exhibits a pronounced embrittlement at 400 °C which can be attributed to precipitation of carbides. This precipitation can be delayed to higher temperatures by alloying with silicon, so that a larger temperature range can be used for tempering and adjusting the mechanical properties. At 550 °C tempering temperature, the material also embrittles as a result of the segregation of impurities such as phosphorus, arsenic or antimony.The investigations carried out within this work show that an alloy concept with an increased content of manganese can reach the mechanical properties of quenched and tempered steels. At the same time the process chain can be shortened by excluding the hardening process. Tempering can be added optionally to adjust mechanical properties.

OpenAccess:
PDF
(additional files)