Microstructure and mechanical properties of sulphur‐alloyed spray‐formed steels
Authors: Schumacher J. , Bomas H. , Zoch H.‐W. 
Published: July 2010

Small amounts of sulphur improve cutting properties of conventionally produced steels. In combination with manganese, sulphur forms manganese sulphide inclusions in the steel matrix which reduce the tool wear during machining and improve machinability. However, manganese sulphides may have a detrimental effect on the mechanical properties. Hot forming operations result in an elongation of sulphides in rolling direction and may decrease the fatigue properties under stresses in the transverse direction. In comparison to conventionally produced steels, spray‐formed steels, due to the rapid solidification, have smaller precipitations which are homogeneously distributed. The existence of sulphides in these steels assures a good machinability whereas their small size limits the strength decay. The strength of spray‐formed and sulphur‐alloyed variants of the steels SAE5120, SAE4140H and SAE52100 has been investigated. The steels SAE5120 and SAE4140H were investigated after hardening and tempering while the strength of the steel SAE52100 was determined in a bainitic state. Further characterisations of the materials were performed on the basis of density measurements and metallographic investigations. The manganese sulphides of all steel variants are homogeneously distributed and their size depends on the spray‐forming parameters. After hot rolling the elongated sulphides caused anisotropic fatigue properties. Specimens loaded in rolling direction primarily fractured at the surface. By contrast, loading in transverse direction mainly caused fracture by manganese sulphides at lower stress levels. Based on the weakest‐link theory, a calculation method is introduced which enables the prediction of the endurance limit and the fracture sites if crack initiation at sulphides is the dominant mechanism of failure. The theoretical and experimental results are compared and discussed.

Bereits durch geringe Zugaben von Schwefel kann eine verbesserte Bearbeitbarkeit von konventionell hergestellten Stählen erzielt werden. In Kombination mit Mangan bilden sich Mangansulfideinschlüsse in der Stahlmatrix, die den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung verringern und die Zerspanbarkeit positiv beeinflussen. Die Mangansulfide können jedoch die mechanischen Eigenschaften verschlechtern. Bei einer Warmumformung werden die Sulfide in Walzrichtung gestreckt und die Ermüdungseigenschaften werden, vor allem bei Belastungen quer zur Walzrichtung, herabgesetzt. Aufgrund der schnellen Erstarrung der sprühkompaktierten Stähle entstehen hierbei im Vergleich zu konventionell erstellten Stählen kleinere Ausscheidungen, die homogen verteilt sind. Das Vorhandensein von Sulfiden in diesen Stählen gewährleistet eine gute Zerspanbarkeit, wobei ihre geringen Abmessungen den Festigkeitsverlust in Grenzen halten. Die Festigkeit von sprühkompaktierten, schwefellegierten Varianten der Stähle 20MnCr5, 42CrMo4 und 100Cr6 wurde untersucht. Die Stähle 20MnCr5 und 42CrMo4 wurden im vergüteten Zustand untersucht, während die Festigkeit des Stahls 100Cr6 im bainitischen Zustand geprüft wurde. Eine weitere Charakterisierung des Materials wurde anhand von Dichtemessungen und metallografischen Untersuchungen durchgeführt. Bei allen Stahlvarianten sind die Mangansulfide homogen verteilt. Ihre Größenverteilungen werden durch die Sprühkompaktierparameter beeinflusst. Die nach dem Warmwalzen gestreckten Sulfide führten zu anisotropen Ermüdungseigenschaften. Der Rissinitiierung der Proben, die in Walzrichtung belastet wurden, lag vornehmlich an der Oberfläche. Im Gegensatz hierzu lag bei den senkrecht zur Walzrichtung belasteten Proben der Rissausgang bei geringeren Spannungsamplituden an Mangansulfiden. Unter der Annahme, dass Sulfide die dominante Versagensursache sind, wird eine auf dem Fehlstellenmodell basierende Berechnungsmethode vorgestellt, mit der die Dauerfestigkeit sowie die Rissausgangsorte auf Basis der Sulfidgrößenverteilung und der örtlichen Spannungsamplituden vorhergesagt werden können. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse werden verglichen und diskutiert.