Experimentelle und numerische Untersuchungen resultierender Randschichtzustände und Eigenschaften carbonitrierter pulvermetallurgisch hergestellter Bauteile

Pulvermetallurgische (PM) Bauteile erfreuen sich in Großserien aufgrund ihrer endkonturnahen Herstellung im Automobilbau großer Beliebtheit. Im Zuge notwendiger Verbesserungen der Materialeffizienz steigen die Anforderungen an die Beanspruchbarkeit von bewegten Bauteilen. Das Einsatzhärten hat sich in der Serie dabei als attraktives Verfahren zur Steigerung der Bauteilbeanspruchbarkeit etabliert. An den Einsatzhärteprozess werden aufgrund der in PM-Bauteilen vorliegenden Porosität jedoch erhöhte Anforderungen der Prozesskontrolle gestellt. Während sich bereits viele Autoren mit der experimentellen Beschreibung von einsatzgehärteten Bauteilen beschäftigten, sind nur wenige Arbeiten auf dem Gebiet des Carbonitrierens bekannt. ... mehrDarüber hinaus gibt es bisher keine simulative Beschreibung des Abschreckprozesses carbonitrierter Randschichten und des sich daraus einstellenden Randschichtzustandes. Die vorliegende Arbeit wurde mit dem Ziel durchgeführt, die oben genannten Fragestellungen zur Beschreibung der metallurgisch-thermomechanischen Vorgänge beim Carbonitrieren pulvermetallurgischer Bauteile zu beantworten. Damit soll einerseits der Massentransport von Kohlen- und Stickstoff in Abhängigkeit der Dichte, und andererseits die Auswirkung von interstitiell gelöstem Kohlen- und Stickstoff auf die Umwandlungsvorgänge und resultierenden Werkstoffkennwerte ermittelt und modellhaft beschreibbar gemacht werden. Dazu wurden in Versuchsreihen unverdichtete Bauteile und mittels Festwalzen oberflächennah verdichtete Bauteile der Grunddichten 6,9 g/cm³, 7,2 g/cm³ und 7,35 g/cm³ in insgesamt zehn unterschiedlichen Carbonitrier-Zuständen untersucht. Aus der Menge an Elementtiefenverläufen konnte ein übergeordnetes Modell zur Beschreibung der Diffusion in Abhängigkeit der Porosität für Kohlen- und Stickstoff entwickelt und validiert werden. Von numerischer Seite wurde ein Modell auf Basis der Finite- Differenzen-Methode zur Berechnung zweiphasiger Diffusion implementiert und verifiziert, das eine Berücksichtigung der Wechselwirkung von Kohlen- und Stickstoff erlaubt. Zur Beschreibung des metallurgisch-thermomechanischen Materialverhaltens wurden insgesamt sieben chemische Kombinationen aus Kohlen- und Stickstoff dilatometrisch untersucht. Durch Einführung eines effektiven Elementgehaltes konnte eine vereinfachte Beschreibung etabliert und damit der Großteil der untersuchten Materialkenngrößen vereinfacht abgebildet werden. Hierbei zeigte sich eine eher untergeordnete Beeinflussung der Materialkenngrößen durch den Stickstoff im Vergleich zum Kohlenstoff. Zur Untersuchung der aus dem Carbonitrierprozess resultierenden Randschichtzustände wurden die o.g. Dichten in sechs verschiedenen Carbonitrier-Prozessen untersucht. Im Rahmen der Untersuchung wurden fünf Zustände angelassen und einer im gehärteten Zustand und anschließend angelassenen Zustand untersucht. Die durch die Simulation vorhergesagten Werte für Härte und Restaustenitgehalt zeigten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten. Die Validierung der Eigenspannungen konnte nur an der gehärteten Variante erfolgen. Es konnte gezeigt werden, dass die Anlass-Wärmebehandlung eine deutliche Veränderung des Eigenspannungszustandes bewirkt, die durch die Abschreck-Simulation nicht berücksichtigt werden kann. Durch die durchgeführten Untersuchungen kann die Vorhersage resultierender Randschichtzustände nach dem Carbonitrieren pulvermetallurgischer Stähle in Abhängigkeit der Dichte in einem Vertrauensbereich von 20% erreicht werden. Carbonitrierte Bauteile konnten in abschließenden spannungskontrollierten Ermüdungsversuchen vergleichbare Festigkeiten wie rein aufgekohlte Einsatzhärtezustände erreichen.

Powder metallurgical (PM) components are very popular in large series due to their near-net-shape production in automotive engineering. In the course of necessary improvements in material efficiency, the demands on the stress capability of moving components are increasing. Case hardening has established itself in series production as an attractive process for increasing the stress resistance of components. However, due to the porosity present in PM components, increased demands are placed on the process control of the case hardening process. While many authors have already dealt with the experimental description of case-hardened components, only few works are known in the field of carbonitriding. ... mehrFurthermore, there is no simulative description of the quenching process of carbonitrided surface layers and the resulting surface layer condition. The present work was carried out with the aim of answering the above-mentioned questions on the description of the metallurgical-thermomechanical processes during the carbonitriding of powder-metallurgical components. On the one hand, the mass transport of carbon and nitrogen as a function of density and, on the other hand, the effect of interstitially dissolved carbon and nitrogen on the transformation processes and the resulting material properties are to be determined and made describable in models. For this purpose, non-compacted components and components compacted close to the surface by means of fixed rolls with basic densities of 6.9 g/cm³, 7.2 g/cm³ and 7.35 g/cm³ were investigated in a total of ten different carbonitriding states. From the set of element depth curves, a superordinate model for describing diffusion as a function of porosity could be developed and validated for carbon and nitrogen. Numerically, a model based on the finite difference method for calculating two-phase diffusion was implemented and verified, which allows the interaction of carbon and nitrogen to be taken into account. To describe the metallurgical-thermomechanical material behaviour, a total of seven chemical combinations of carbon and nitrogen were investigated dilatometrically. By introducing an effective element content, a simplified description could be established and thus the majority of the investigated material parameters could be represented in a simplified way. This showed a rather subordinate influence of the material parameters by nitrogen compared to carbon. To investigate the surface layer states resulting from the carbonitriding process, the above-mentioned densities were investigated in six different carbonitriding processes. As part of the investigation, five states were tempered and one was investigated in the hardened state and then tempered state. The values for hardness and retained austenite content predicted by the simulation showed a good agreement with the measured values. The residual stresses could only be validated on the hardened version. It could be shown that the tempering heat treatment causes a significant change in the residual stress state, which cannot be taken into account by the quenching simulation. Through the performed investigations, the prediction of resulting boundary layer states after carbonitriding of powder metallurgical steels in dependence of the density can be achieved in a confidence range of 20%. Carbonitrided components were able to achieve comparable strengths to purely carburised case-hardened states in final stress-controlled fatigue tests.