Optimierung der Wärmebehandlungsparameter eines

C60 für ein Folgeschneidwerkzeug

• Autoren: Marcel Esper, Christian Kunz

• Klasse: HME09a

• Fachlehrer: Frau Schwabe, Herr Dr. Alkan

• Fächer: Werkstofftechnik, Werkstoffprüfung & Analyse,

Metallographie

Inhaltsverzeichnis

1. Problemstellung/Aufgabenstellung

2. Das Folgeschneidwerkzeug

3. Die geplanten Wärmebehandlungen

4. Erwartungen an die Ergebnisse

5. Versuchsdurchführung

6. Auswertung und Diskussion der Ergebnisse

7. Bewertung hinsichtlich der Problemstellung

8. Zusammenfassung

9. Danksagung

1. Problemstellung/Aufgabenstellung

• Problem: Die Stempel-, Druck- und Kopfplatte eines Folgeschneidwerkzeuges

erfüllen die geforderten mechanischen Eigenschaften nicht. Es wird

vermutet, dass eine falsche Wärmebehandlung durchgeführt wurde.

• Aufgabe: Suche nach optimalen Wärmebehandlungsparametern mit Hilfe von

geeigneten Wärmebehandlungsversuchen und metallographischen

Untersuchungen.

• Anforderung: Randhärte von 435-605 HV 0,5 bei einem Randabstand von 1,5 mm

bei den oben genannten Bauteilen.

• Frage: Kann C60 diese Anforderung erfüllen?

2. Das Folgeschneidwerkzeug

Technische Zeichnung des gegebenen Folgeschneidwerkzeugs

Kopfplatte

Druckplatte

Stempelplatte

3. Die geplanten Wärmebehandlungen

Nr. Austenitisierungs-

temperatur ( C)

Haltezeit

(min)

Abkühl-

medium

Untersuchungsziel

Ausgangszustand 850 C 55 Luft Gefüge und Härte

1 850 C 55 Ofen Einfluss der Abkühl-

geschwindigkeit

bezogen auf

Gefügebildung und

Härte

2 850 C 55 Watte

3 850 C 55 Luft

4 850 C 55 Öl

5 850 C 55 Wasser

6 850 C 55 N

Tabelle 1: Versuchsmatrix – Variation der Abkühlgeschwindigkeit

Bemerkung: Diese Wärmebehandlungen wurden beim Max-Planck-

Institut für Eisenforschung durchgeführt.

Nr. Austenitisierungs

-temperatur ( C)

Haltezeit

(min)

Abkühl-

medium

Untersuchungsziel

Ausgangszustand 850 C 35 Luft Gefüge und Härte

1 750 C 35 Luft Einfluss der

Austenitisierungs-

temperatur bezogen

auf Gefügebildung

und Härte

2 1050 C 35 Luft

Tabelle 2: Versuchsmatrix – Variation der Austenitisierungstemperatur

Nr. Austenitisierungs

- temperatur ( C)

Haltezeit

(min)

Abkühl-

medium

Anlass-

bedingungen

Untersuchungsziel

1 850 C 35 Wasser Keine Einfluss der Anlass-

temperatur bezogen

auf Gefügebildung

und Härte

2 850 C 35 Wasser 200 C/1 Std.

3 850 C 35 Wasser 400 C/1 Std.

4 850 C 35 Wasser 600 C/1 Std.

Tabelle 3: Versuchsmatrix – Variation der Anlasstemperatur

4. Erwartungen an die Ergebnisse

Variation der Austenitisierungstemperatur:

• TAus= 850 C (Ausgangszustand):

- feinkörniges, homogenes ferritisch-perlitisches Gefüge

- Korngrenzenferrit und feinlamellarer Perlit

- geschätzter Härtewert bei 230-280 HV 0,5

• TAus= 750 C (knapp über GOS-Linie):

- Gefüge ähnlich Ausgangszustand

- Möglichkeit eines höheren Ferritanteils

- etwas geringere Härtewerte als Ausgangszustand

• TAus= 1050 C (überhitzt):

- grobkörniges ferritisch-perlitisches Gefüge mit groblamellaren Perlit

- evtl. Bildung von Widmannstättischem Gefüge

- geringere Härtewerte als Ausgangszustand und TAus= 750 C

Variation der Abkühlgeschwindigkeit gemäß ZTU für C60".

• Ausgangszustand:

- Korngrenzenferrit und feinlamellarer Perlit

- geschätzter Härtewert bei 230-280 HV 0,5

• Ofenabkühlung:

- wie Ausgangszustand nur etwas

grobkörniger

- geringere Härtewerte als Ausgangszustand

• Luftabkühlung:

- wie Ausgangszustand

• Watteabkühlung (Al2O3):

- wie Ausgangszustand

Variation der Abkühlgeschwindigkeit gemäß ZTU für C60". • Ölabkühlung:

- Rand: Martensit, Bainit und Ferrit-Perlit

(Perlit feinlamellar)

- Rand Richtung Kern: zunehmend niedrigerer

Martensitanteil, zunehmend

höherer Anteil an Bainit und Ferrit-Perlit

- höhere Härtewerte als Ausgangszustand,

Abnahme vom Rand zum Kern

• Wasserabkühlung:

- Rand: durchgehärtet martensitisches

Gefüge

- Rand Richtung Kern: zunehmende Anteile an

Bainit und Ferrit-Perlit (feinlamellar)

- höhere Härtewerte als Ölabkühlung, leichte

Abnahme vom Rand zum Kern

• Stickstoffabkühlung:

- theoretisch schnellste

Abkühlgeschwindigkeit

- komplett martensitisches Gefüge

- höchste Härtewerte

Variation der Anlasstemperatur gemäß Anlass- und Vergütungsschaubilder

• Anlasstemperatur 200 C:

- martensitische Gefügestruktur immer noch gut

erkennbar

- Martensit mit geringen Mengen an Fe3C-

Ausscheidungen

- niedrigere Härtewerte als bei Wasserabkühlung

• Anlasstemperatur 400 C:

- Auflösung der Martensitstruktur, Zunahme der

Fe3C-Ausscheidungen

- niedrigere Härtewerte als bei Anlasstemperatur

200 C

• Anlasstemperatur 600 C

- ausgeprägtes Vergütungsgefüge

- niedrigere Härtewerte als bei Anlasstemperatur

400 C

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5. Versuchsdurchführung

1. Probenabmessungen

Zylinder: L=40 mm, D=30 mm

2. Trennen

3. Durchführung der Abkühlversuche am Max-Planck-Institut für Eisenforschung Durchführung der Austenitisierungs- und Anlassversuche am TBK-Solingen

4. Einbetten

Jede Probe als Quer- und Längstschliff

5. Schleifen

Körnung: 120er, 320er, 500er, 800er, 1200er und 2400er (SiC)

6. Polieren

Harte Werkstoffzustände: 6, 3 und 1 µm (Dac)

Weichere Werkstoffzustände: 6, 3 und 1 µm (Mol)

Chemisch-mechanisch mit OPS

7. Mikroätzen mit 3% Nital

8. Analyse der Gefügestruktur am Lichtmikroskop und Dokumentation

9. Härteprüfung nach Vickers (Kleinlast HV 0,5)

6. Auswertung und Diskussion der Ergebnisse:

Ausgangszustand (Normalgeglüht):

Randentkohlung DD=0,37mm

Fast alle Proben waren davon betroffen

Korngrenzenferrit +feinstreifiger Perlit

Härtewerte HV 0,5:

Rand: 247 HV 0,5

Übergang: 265 HV 0,5

Kern 277 HV 0,5

Korngrenzenferrit + feinstreifiger Perlit Korngrenzenferrit +feinstreifiger Perlit Widmannstättisches Gefüge + sehr

feinstreifiger Perlit + wenig Bainit

Inhomogenität

des Austenits

fehlerhaften

Umwandlung des

ferritisch-

perlitischen

Ausgangsgefüges in

Austenit

Einfluss der Austenitisierungstemperatur

Kornwachstum

des Austenits und

damit zur

Grobkornbildung

Zu niedrige

Austenitisierungs-

temperatur führt zur: Zu hohe

Austenitisierungs-

temperatur führt zum:

Die Austenitisierungstemperatur beeinflusst die Gefügeumwandlung, die Homogenität sowie die Korngröße.

Der Einfluss der Austenitisierungstemperatur auf die Gefüge- und Werkstoffeigenschaften ist somit groß.

Fazit:

150

170

190

210

230

250

270

290

750°C 850°C 1050°C

Rand Übergang Kern

Härte HV 0,5

Korngrenzenferrit + feinstreifiger Perlit Korngrenzenferrit +z.T. feinstreifiger

Perlit

einer

Umwandlung nah

zum

Gleichgewichts-

zustand (EKD)

Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit

Reduzierung des

Ferritanteils

feinkörnigen

Kornbildung

feinstreifigeren

Perlitbildung

Niedrige

Abkühlgeschwindig

keit führt zur:

Höhere

Abkühlgeschwindig-

keit führt zur:

Je höher die Abkühlgeschwindigkeit desto stärker ist die Verschiebung der Umwandlungspunkte im EKD (Gipfelt im

Zusammenfall der Umwandlungstemperaturen A1 und A3).

Folgen: Erhöhung der Perlitbildung und Feinheit der Lamellen aufgrund zunehmend eingeschränkte C-Diffuision.

Fazit 1:

Korngrenzenferrit + feinstreifiger Perlit

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Ofen Watte Luft Ausgang N Öl Wasser

Rand

Übergang

Kern

Härte HV 0,5

Korngrenzenferrit + feinstreifiger

Perlit

Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit

Reduzierung des

Ferritanteils

feinkörnigen

Kornbildung

feinstreifigeren

Perlitbildung

Höhere

Abkühlgeschwindig-

keit führt zur:

Je höher die Abkühlgeschwindigkeit desto stärker ist die Verschiebung der Umwandlungspunkte im EKD.

Nach Überschreitung der sog. unteren krit. Abkühlgeschwindigkeit wird die Perlitbildung unterdrückt und Bainit und

Martensit kann entstehen.

Nach Überschreitung der sog. oberen krit. Abkühlgeschwindigkeit besteht das Gefüge vollständig aus Martensit.

Je höher die Abkühlgeschwindigkeit desto höher die Festigkeit und desto niedriger die Verformbarkeit.

Fazit 2:

Korngrenzenferrit + sehr feinstreifiger

Perlit + Bainit im Korninneren

feinstreifiger Perlit an Korngrenzen +

wenig Bainit + Martensit

Sehr Höhere

Abkühlgeschwindig-

keit führt zur:

feinkörnigen

Kornbildung

feinststreifigen

Perlitbildung

Bainitbildung

Martensitbildung

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Ofen Watte Luft Ausgang N Öl Wasser

Rand

Übergang

Kern

Härte HV 0,5

Einfluss der Anlasstemperatur

kaum sichtbaren

Veränderungen in

der Gefügestruktur

Entspannung des

Gefüges und damit

zur Härteminderung

Niedrige

Anlasstemperatur

führt zur:

Je höher die Anlasstemperatur, umso besser ist die C-Diffusion, womit die Karbidausscheidung begünstigt wird.

Dadurch nimmt die Härte/Festigkeit zunehmend ab und die Zähigkeit steigt durch die zunehmende Entspannung des

Martensit.

Fazit:

Vergütungsgefüge: Martensitstruktur

noch sichtbar, geringer Anzahl an feinen

Fe3C-Ausscheidungen

Karbide eingebettet in eine Ferritmatrix,

Martensitstruktur nahezu aufgelöst

Höhere

Anlasstemperaturt

führt zur:

erhöhten Fe3C-

Ausscheidungen

aufgrund besseren

Diffusions-

bedingungen

Auflösung der

Martensitstruktur

Martensit + Korngrenzenferrit + sehr

feinstreifiger Perlit + z.T. Bainit

Härte HV 0,5

7. Bewertung hinsichtlich der Problemstellung

Bezieht man nun die Ergebnisse auf die Anforderungen der Bauteile (435-605 HV bei einem Randabstand von

1,5 mm) so kann folgende Bewertung vorgenommen werden:

1. Die wasserabgekühlte Probe mit einer Randhärte von 831 HV 0,5 und angelassen bei ca. 130 C

2. Die wasserabgekühlte und bei 200 C angelassene Probe: mit einer Randhärte von 630 HV 0,5

entspanntes Härtegefüge

3. Die wasserabgekühlte und bei 400 C angelassene Probe: mit einer Randhärte von 449 HV 0,5

Übergang zwischen entspanntem Härtegefüge und Vergütungsgefüge

Vorschläge für verbesserte Untersuchungen: - Proben so behandeln, dass keine Randentkohlung entsteht

- Somit könnte möglich sein, die Anforderungen durch Ölabkühlung zu erfüllen

Härte HV 0,5

8. Zusammenfassung

Es hat sich gezeigt, dass der C60 bei einer Härtung

im Wasser und anschließendem Anlassen bis zu einer

Temperatur von 400 C die Anforderungen erfüllen

kann.

Problematisch war die

Randentkohlung der Proben.

Daher wird hier empfohlen, die

Untersuchung bei Proben ohne

Randentkohlung erneuert

durchzuführen, um so

Optimierung der

Wärmebehandlungsparameter

vorzunehmen.

Ziel der Untersuchung war es festzustellen, ob der

unlegierte Stahl C60 durch geeignete

Wärmebehandlung den Anforderungen zum Einsatz

der Kopf-, Druck- und Stempelplatte eines

Folgeschneidwerkzeuges geeignet ist.

Dazu wurden mehrere Proben bei verschiedenen

Parametern wärmebehandelt, hinsichtlich der

Gefügestruktur und Härtewerte untersucht.

Härte HV 0,5

9. Danksagung

Wir danken Frau Heidi Bögershausen von der metallographischen Abteilung und Herrn Herbert Faul von der Abteilung für Werkstoffprüfung des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung für ihre Zusammenarbeit und der Unterstützung bei diesen Untersuchungen.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

Falls Sie weitere Fragen zum Thema haben, können Sie sich vertrauensvoll an unsere

zukünftigen Metallographen wenden.

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