Experimentelle und numerische Untersuchungen resultierender Randschichtzustände und Eigenschaften carbonitrierter pulvermetallurgisch hergestellter Bauteile
Creators: name: Damon, James M.
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Pulvermetallurgie
Carbonitrieren
Einsatzhärten
Wärmebehandlung
Prozesssimulation
Diffusion
Randschichtzustände

description: 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. Darüber 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.