Eigenschaftsoptimierung und -identifikation geschmiedeter Strukturen durch direktes Nachformen aus der Schmiedewärme in unterschiedlichen Temperaturbereichen durch Beeinflussung der Mikrostruktur bei Vergütungsstählen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem abgeschlossenen Projekt wurde die thermomechanischen Verarbeitung von Stahlwerkstoffen durch Einzelteilfertigungsprozesse der Massivumformung untersucht. Dabei wurde eine Verknüpfung der herrschenden thermischen und mechanischen Verarbeitungsbedingungen und der resultierenden Gefügeausprägung sowie den zugehörigen mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit, Kerbschlagarbeit und Bruchdehnung hergestellt. Zur Bestimmung dieser mechanischen Eigenschaften kamen genormte Prüfverfahren mit Standard-Prüfkörpern zum Einsatz. Das Verhalten des Vergütungsstahls 42CrMo4 bei der Erzeugung von TMB-Eigenschaften in einem zweistufigen Umformprozess wurde vorgestellt. Dieser Prozess bestand aus einer Hauptformgebung bei Warmumformtemperatur und einer Nachformung bei reduzierter Temperatur. Diese stellte die eigentliche Kernkomponente der thermomechanischen Behandlung dar. Es wurde eine Versuchsmatrix aus vier thermischen (sn, ln, sh und lh) sowie vier mechanischen (0,3+0,3, 0,6+0,3, 0,3+0,6, und 0,3+0,9) Verarbeitungsrouten aufgespannt. Zudem wurde der Einfluss verschiedener Möglichkeiten der Erwärmung der Bauteile auf die Warmumformtemperatur untersucht. Es wurde ein zweistufiger Stauchprozess mit entsprechenden Werkzeugkomponenten ausgelegt, mit dem Bauteile mit einem großen näherungsweise homogen umgeformten Bereich hergestellt werden konnten. Um die definierten thermischen Prozessrouten abbilden zu können, wurde eine automatisierte Abkühlstation konstruiert und gefertigt, die mittels eines Luft-Wasser Sprühnebels und eines integrierten Pyrometers die Bauteiltemperatur vor der zweiten Umformstufe einstellte. Für die Erwärmung der Bauteile auf Warmumformtemperatur wurden zwei unterschiedliche Erwärmungsstrategien untersucht. Eine direkte durch Induktion und eine indirekte im Kammerofen. Die Sensitivität gegenüber der Erwärmungsstrategie wird nicht als hoch bewertet. Die besten mechanischen Eigenschaften könnten für die indirekte Erwärmung im Kammerofen beobachtet werden. Beim direkten Erwärmungsverfahren hat sich eine Umformtemperatur von 1000 °C als besonders vielversprechend dargestellt. Die Untersuchungen der verschiedenen thermomechanischen Prozessrouten bei der Umformung des Vergütungsstahls haben gezeigt, dass die gezielte Beeinflussung thermischer und mechanischer Prozessparameter einen signifikanten Einfluss auf das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften der Bauteile hat. Durch Variation der Temperatur während der Umformung und der Abkühlgeschwindigkeit, mit der diese ausgehend von der Warmumformtemperatur erreicht wird, können bainitische Gefüge unterschiedlicher Ausprägung erzeugt werden. Die Festigkeitseigenschaften dieser thermomechanisch geschmiedeten Werkstoffe von bis zu 1270 MPa (Zugfestigkeit) sind überwiegend sehr gut. Bei gezieltem Einsatz einer schnellen Abkühlung zu einem niedrigen Temperaturniveau konnte eine Zugfestigkeit von 1175 MPa und darüber hinaus auch gute Duktilitätseigenschaften von 58,5 J (Kerbschlagarbeit) und eine Bruchdehnung von bis zu 12,6 % erreicht werden. Hierfür ist ein feines Gefüge aus unterem Bainit erforderlich. Es wird gezeigt, dass in dem eingesetzten zweistufigen Prozess ein Umformgrad (in der Nachformung) von minimal φ2 = 0,9 notwendig ist, um ein solches Gefüge und die entsprechenden Eigenschaften einzustellen. Zudem muss eine schnelle Abkühlung des Bauteils ohne eine deutliche exotherme Umwandlung auf eine Nachformtemperatur von 460 °C erfolgen. Hiermit ist es möglich, die Vorgaben der zugehörigen Norm (DIN EN ISO 683-2) für den vergüteten Werkstoff ohne zusätzliche zeit- und ressourcenintensive Wärmebehandlung zu erfüllen. Da die Eigenschaften der Bauteile, wie gezeigt, abhängig vom lokal wirkenden Umformgrad sind, liegen diese nicht global homogen über das Bauteil verteilt vor.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2021): Mechanical and thermal influences on microstructural and mechanical properties during process-integrated thermomechanically controlled forging of tempering steel AISI 4140, Materials
Diefenbach, J.; Brunotte, K.; Petersen, T; Behrens, B.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma13245772) - (2021): Microstructure and Mechanical Properties of Thermomechanically Forged Tempering Steel 42CrMo4. In: Behrens, Brosius, Hintze, Ihlenfeldt, Wulfsberg (Hg.): Production at the leading edge of technology, Bd. 57. Berlin, Heidelberg: Springer (Lecture Notes in Production Engineering), S. 142–150
Diefenbach, J.; Brunotte, K.; Behrens, B.-A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-662-62138-7_15)
