A286

Aluminiumfreier, niobstabiliserter Einsatzstahl für den Großbetriebebau

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

 

Aluminiumfreier, niobstabilisierter Einsatzstahl für den Großgetriebebau

 

 (A 286 S 24/10206/13)

 

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Januar 2014 – 31. März 2017

 

 

Für dynamisch belastete Großgetriebe ist die Dauerfestigkeit eine zentrale Eigenschaft, welche stark vom Reinheitsgrad des Stahles beeinflusst wird. Harte und spröde Oxide, die abhängig von der Lage im Bauteil eine kritische Größe überschreiten, wirken sich negativ auf die Dauerfestigkeit aus. Ziel dieses Projekts war einerseits die Verbesserung des oxidischen Reinheitsgrads durch Erniedrigung des Aluminiumgehalts (Al £50 ppm) und andererseits die Sicherstellung der Feinkornstabilität bei höheren Aufkohlungstemperaturen ohne Aluminiumnitride. Zur Behinderung des Austenitkornwachstums während der Aufkohlung von Einsatzstählen sind temperaturstabile Mikrolegierungs-Ausscheidungen nötig, was in diesem Projekt durch ein Legierungskonzept basierend auf Niobcarbiden (NbC) realisiert werden sollte. Um Niob-Seigerung (Mikro- sowie Makroseigerungen) zu reduzieren und um die Bildung grober Niob-Ausscheidungen zu vermeiden sind die Optimierung des Legierungskonzeptes und eine Anpassung der Prozesskette einschließlich aller Umform- und Wärmebehandlungsschritte notwendig.

 

1.1                    Ergebnisse / Umsetzungsmöglichkeiten

 Reinheitsgrad und Dauerfestigkeit

Den industriell hergestellten Zahnrädern wurden Dauerschwingproben entnommen, welche auf einer Ultraschallschwingprüfmaschine geprüft werden konnten. Die Prüfmaschine schwingt mit maximal 20 kHz. Das Ergebnis zeigt für den Referenz 18CrNiMo7-6-Werkstoff eine höhere Schwingfestigkeit als für den Al-freien Werkstoff. Im Vergleich mit dem Referenzwerkstoff versagen die Schwingproben aus Al-freiem Werkstoff öfter an Mischoxideinschlüssen (ALCaO) mit Größen im Bereich von 40 – 117 µm Durchmesser. Da der industrielle Herstellungsprozess für den Al-freien Werkstoff noch nicht optimiert ist, enthielt die Al-freie Schmelze nach DIIN 50 602 mehr oxidische Einschlüsse als der Referenzwerkstoff.

 

  1. Die Feinkornstabilität des Austenits bei der Hochtemperaturaufkohlung (1000 °C / 14,4 h) konnte auch ohne Al bzw. AlN durch Zugabe von ca. 600 ppm Nb sichergestellt werden. Eine Voraussetzung zur Prozessierung der Nb-haltigen Werkstoffe ist eine Homogenisierungsglühung in Kombination mit einer Wasserabschreckung nach der ersten Umformung zum Stab. Diese Behandlung stellt sicher, dass ein Großteil des Niobs vor der Aufkohlung in der Matrix gelöst bleibt und sich beim Aufheizen zur Aufkohlung als feine NbC ausscheidet. Basierend auf der Laborprozesskette wurde eine zusätzliche Ausscheidungsbehandlung empfohlen. Die Ergebnisse aus der Industrieprozesskette zeigen jedoch, dass das Al-freie Zahnrad auch ohne eine zusätzliche Ausscheidungsstufe beim Aufheizen feinkörnig bleibt. Außerdem zeigen die Versuche am IWT, dass sich eine Ausscheidungsstufe beim Industriewerkstoff Al-frei eher negativ auf die Feinkornbeständigkeit auswirkt. Das kann dadurch erklärt werden, dass die Aufheizrate des Industriezahnrads viel langsamer ist, als in einer Würfelprobe mit 20mm Kantenlänge für Laborversuche. Wenn sich in dem Industriewerkstoff vor der Aufkohlung NbC Partikel gebildet haben, ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass sich diese vergröbern.

  1. Gefüge, Randoxidation und Kriechversuch

Aus beiden Industriezahnrädern wurde jeweils eine Scheibe für eine Makroätzung präpariert. Makroskopisch lässt sich kein Unterschied im Seigerungszustand der Zahnräder erkennen. Aus der Mittelebene wurde je ein Zahn für die metallographische Untersuchung präpariert. Hier ist ein deutlich homogeneres Gefüge in der aluminiumarmen Probe zu erkennen. Dies ist auf die Lösungsglühbehandlung zurückzuführen. Die Randoxidationstiefe liegt mit 16 – 19 µm im normalen Bereich für die angewandte Aufkohlungsbehandlung.

Die Kriechversuche an dem Material aus den Industrieschmelzen im feinkornstabilisierten Zustand haben keinen signifikanten Unterschied zwischen Labor- und Industrieschmelzen gezeigt.

 

  1. Härtbarkeit

Die Härteverläufe an Jominyproben zeigen eine typische Härtbarkeit für den Referenzwerkstoff 18CrNiMo7-6. Nach einer normgerechten Erwärmung fällt die Härte für die Al-arme Schmelze zu niedrig aus. Untersuchungen zum Umwandlungsverhalten zeigten, dass bei hohen gelösten Nb-Gehalten die Austenitisierungstemperaturen zu höheren Temperaturen verschoben werden. Nach Austenitisierung bei 920 °C konnte der übliche Härtebereich erreicht werden.

 

Nach einer Stabilisierung der Prozessroute und einer Anpassung von Liefervorschriften auf die Besonderheiten dieses Werkstoffes wird ein Einsatz des aluminiumarmen Einsatzstahles in der Industrie möglich sein. Die Ergebnisse im Vergleich mit der Laborschmelze deuten darauf hin, dass insbesondere die erforderliche Flexibilität bei der Temperaturführung sich sicherer für kleinere Halbzeugquerschnitte umsetzen lässt.

Das Vorhaben konnte erfolgreich abgeschlossen werden.

 

 

Forschungsstellen:

Institut für Eisenhüttenkunde der RWTH, Aachen

Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen

 

Forschungsleiter:                        

Dr. Prahl, RWTH Aachen

Dr. Clausen, IWT, Bremen

 

(vorgelegt von: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA)

 

Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.

 

Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF

11.01.2018