The Effect of Cooling Rate on the Microstructure and its Influence on Toughness of two Types of Tool Steels Studied by High Resolution Techniques

Titel in Übersetzung: Untersuchungen über den Effekt der Kühlrate auf die Mikrostruktur und deren Einfluss auf die Zähigkeit zweier Werkzeugstahltypen mittels hochauflösender Methoden

Christoph Lerchbacher

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Werkzeugstähle umspannen eine Vielzahl an kohlenstoff- und hoch-legierten Stählen die für die Verwendung als Werkzeuge geeignet sind. Eine Untergruppe der Werkzeugstahlfamilie ist die Gruppe der Warmarbeitsstähle. Typische Anwendungsfelder sind der Einsatz als Druckguss-Equipment hauptsächlich für die Leichtmetallverarbeitung, Druckgussformen, Formeinsätze oder Kunststoffformen. Chrom-Warmarbeitsstähle werden wegen ihrer hohen Zähigkeit und Stoßfestigkeit am häufigsten für Hochtemperaturanwendungen verwendet. Kunststoffformenstähle unterscheiden sich hauptsächlich durch höhere Chromgehalte, d.h. erhöhte Korrosionsbeständigkeit, die für die Verarbeitung von chemisch aggressiven Kunststoffen notwendig ist. Die typische Wärmebehandlung von Werkzeugstählen besteht aus einer Austenitisierungsbehandlung mit anschließender Abschreckung, gefolgt von einer mehrstufigen Anlassbehandlung. Nach dem Härten besteht die Mikrostrukur hauptsächlich aus einer übersättigten martensitischen Matrix mit Anteilen an Restaustenit und einigen eingebetteten Primärkarbiden, die während der Austenitisierung nicht aufgelöst worden sind. Das Anlassen führt zu einer Stressrelaxation der martensitischen Matrix, was die Zähigkeit erhöht, und zur Bildung von Sekundärhärtekarbiden. Diese sind für die besondere Warmfestigkeit und die Anlassbeständigkeit dieser Stähle verantwortlich. Die Produktion von großen Komponenten erfordert dementsprechende Formen mit großen Dimensionen. Dadurch sind die Kühlraten während des Härtens in den inneren Regionen limitiert. Werkzeugstahlhersteller beobachten erniedrigte Zähigkeitskennwerte bei niedrigen Kühlraten während des Härtens, was zum totalen Versagen im Einsatz führen kann. Dieses Phänomen tritt auch bei einer hauptsächlich martensitischen Mikrostruktur auf, d.h. bei einer Mikrostruktur ohne Perlit oder Bainit. Demzufolge ist das Ziel dieser Arbeit, den mikrostrukturellen Ursprung dieses kühlratenabhängigen Materialverhaltens im „reinen“ martensitischen Bereich zu identifizieren. Dafür wurden zwei unterschiedliche Werkzeugstähle, die dasselbe kühlratenabhängige Zähigkeitsverhalten zeigen, untersucht. Zum ersten der Chrom-Warmarbeitsstahl X38CrMoV5-1 und zum zweiten der Kunststoffformenstahl X38CrMo16. Die Kombination aus Dilatometrie, Schlagbiegeversuchen und hochauflösenden Charakterisierungsmethoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Atomsondentomographie (APT) führten zur Klärung des beschriebenen Phänomens für beide Materialien. Farnähnlicher/dendritenartiger pro-eutektoider Zementit, der sich während des Härtens aus dem Austenit an den ehemaligen Austenitkorngrenzen bildet, ist für den Zähigkeitsabfall bei niedrigen Abkühlgeschwindigkeiten im Fall des Kunststoffformenstahls verantwortlich. Im Fall des Warmarbeitsstahls konnte gezeigt werden, dass kohlenstoff-angereicherte Restaustenitfilme zwischen den Martensitlatten, welche laminar angeordnete Karbide während des Anlassens bilden, die Zähigkeit beeinflussen. Die Dickenzunahme dieser Filme bei herabgesetzten Kühlraten führt zu einem erhöhten Potential an laminar angeordneten Karbiden, welche den Rissfortschritt begünstigen. Die erhaltenen Resultate, speziell im Fall des Warmarbeitsstahls, geben Anlass den kommerziellen Wärmebehandlungsprozess kritisch zu überdenken.
Titel in ÜbersetzungUntersuchungen über den Effekt der Kühlrate auf die Mikrostruktur und deren Einfluss auf die Zähigkeit zweier Werkzeugstahltypen mittels hochauflösender Methoden
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Keckes, Jozef, Beurteiler B (intern)
  • Clemens, Helmut, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2013

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Werkzeugstahl
  • Warmarbeitsstahl
  • Restaustenit
  • proeutektoider Zementit
  • Atomsonde

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