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

Neipp, Clemens Wolfgang; Fürbeth, Wolfram; Bleck, Wolfgang; Clausen, Brigitte

doi:40618

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^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Clemens Wolfgang Neipp, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bleck, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH* ; Fürbeth, Wolfram (Thesis advisor)^RWTH* ; Clausen, Brigitte (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05580
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/820392/files/820392.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
18CrNiMo7-6 (frei) ; Ausscheidungen (frei) ; Carbonitrieren (frei) ; Einsatzstahl (frei) ; Zahnflankentragfähigkeit (frei) ; carbonitriding (frei) ; case hardening steel (frei) ; precipitates (frei) ; tooth flank load capacity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

To further enhance the performance of case hardening steels, the surface layer is thermochemically treated. By carbonitriding, a thermochemical process by which carbon as well as nitrogen are brought into the surface layer, the tooth flank load capacity of case hardening steel gears can be dramatically improved in comparison to those elicited by carburization. In order to characterize these influence factors, hardness measurements, optical light microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and x-ray diffraction (XRD) are commonly utilized. Further in-depth analysis of the crystallography and precipitation within the surface layer via higher-resolution methods, such as electron backscatter diffraction (SEM-EBSD), transmission electron microscopy (TEM) and atom probe tomography (APT), have only been sporadically implemented. Within the scope of this work, two micro-alloyed variants of a classic case hardening steel 18CrNiMo7-6 were produced: 18CrNiMoVNb7-6, with 0,1 wt.−% vanadium and 0,03 wt.−% niobium, and 18CrNiMoVNbB7-6, with 0,1 wt.−% vanadium, 0,03 wt.−% niobium and 0,003 wt.−% boron. Samples of all three alloy variations (W2CN4, VNb and VNbB), were machined, carbonitrided, hardened and tested under identical conditions. Microstructural analysis was undergone utilizing REM for an overview of the microstructural constituents, SEM-EBSD for quantitative analyses of the textures and grains, TEM for chemical investigations of the precipitations and APT for local chemical resolutions of the precipitations and the phase boundaries. Furthermore, thermodynamic and kinetic simulations via MatCalc and Thermo-Calc were implemented in order to identify the precipitations and associate their development with the related process steps and thermochemical heat treatments. In order to determine the influence of carbonitriding on gear performance, the tooth flank load capacity sHlim of carbonitrided spur gears produced from all three alloy variants were investigated via load capacity testing. The results obtained via thermodynamic and kinetic simulations, high-resolution and quantitative electron microscopy, local chemical resolution as well mechanical testing confirm the influence of micro-alloying elements and thermochemical heat treatments on the surface layer properties. Furthermore, by coalescing the results provided by TEM and APT investigations, the various precipitations could be identified. Contrary to literature, no carbonitrides or boron nitrides could be measured and instead the chemically distinct AlN, TiN, CrN, VN and/or NbC phases were confirmed. The evaluation of the residual austenite via REM-EBSD proved difficult due to a gradient which is further influenced by the hard finishing and metallographic preparation of the gears. Nonetheless, a substantial influence of the micro-alloying elements on the texture of the material, especially the martensite, could be confirmed throughout the surface layer. Mechanical testing confirmed an improved surface hardness from 700 HV1 to 740 HV1 and 780 HV1 for 18CrNiMo7-6, 18CrNiMoVNb7-6 and 18CrNiMoVNbB7-6, respectively, while the tooth flank load capacity values sHlim obtained via load capacity testing increased from 1700MPa to 1842MPa and 1839MPa, respectively. In addition to the known influence factor on the tooth flank load capacity sHlim, residual austenite contents, a further factor could be identified: by conditioning the austenite prior and during the cabronitriding process by using micro-alloying elements, the texture of the resulting room temperature microstructure was positively influenced. Through the addition of micro-alloying elements vanadium, niobium and boron to 18CrNiMo7-6, the tooth flank load capacity was further elevated.

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