Einfluss der Ausgangsgefüge auf die Werkstoffeigenschaften von Stählen nach dem Minithixoforming
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurde der Einfluss verschiedener Ausgangsgefüge auf das resultierende Gefüge und die Eigenschaften von kleinen Probestücken aus zwei Stählen erforscht, die mittels Minithixoforming erzeugt wurden. Die Verarbeitung verläuft dabei im halbfesten Zustand unter wohlkontrollierten Bedingungen, die eine rasche Erwärmung, Erstarrung und Abkühlung umfassen. Für die Modifizierung der Ausgangsgefüge beider Werkstoffe wurden u. a. die SPD-Methoden HPT und ECAP angewendet. Nachdem die einzelnen Prozessparameter optimiert wurden, gelang es, beide Versuchswerkstoffe erfolgreich zu verarbeiten. Besonders im Falle des schwer formbaren Werkzeugstahls X210Cr12 konnte die mittlere Korngröße von 14 µm auf weniger als 1 µm gesenkt werden, bei gleichzeitig feiner Verteilung der Primärchromkarbide. Eine erfolgreich realisierte ECAP- Verarbeitung des Werkzeugstahls gehört ebenfalls zu den interessanten Ergebnissen dieses Projektes. Für beide Werkstoffe gelang es, optimale Parameter der Verarbeitung im halbfesten Zustand zu finden. Während für den Werkzeugstahl X210Cr12 eine Umformtemperatur um 1265 °C geeignet ist und der Werkstoff keine deutliche Empfindlichkeit gegenüber einer Temperaturabweichung beim Umformen aufweist, ist die für den mikrolegierten Stahl 30MnVS6 erforderliche Verarbeitungstechnologie infolge der hohen Umformtemperatur von 1455 °C anspruchsvoller. Darüber hinaus ist dieser Werkstoff wegen der schmalen Temperaturspanne zwischen der Solidus- und Liquiduslinie viel empfindlicher gegenüber der Einhaltung der korrekten Umformtemperatur. Die Eingangskorngröße hat, vor allem im Fall des Werkzeugstahls, einen großen Einfluss auf das Formfüllungsvermögen. Eine Verfeinerung des Ausgangsgefüges führt zur Verbesserung der Fähigkeit des Materials, die scharfen Umrisse des Hohlraums der Form zu füllen. Im Vergleich dazu hat eine künstliche Vergröberung des Ausgangsgefüges eine mangelhafte, nur partielle Füllung der Form zu Folge. Von der Eingangskorngröße hängt auch die optimale Erwärmungsgeschwindigkeit zusammen. Verschiedene Erwärmungsgeschwindigkeiten und Haltepunkte auf einer konstanten Temperatur wurden getestet, um diesen Einfluss ermitteln zu können. Erprobt wurden sowohl beschleunigte, als auch verlangsamte Erwärmungsregime. Das Gefüge des Werkzeugstahls X210Cr12 nach dem Minithixoforming besteht aus Austenitkörnern, die von einem karbidisch-austenitischen Netz umschlossen sind. Die Größe des Austenitkorns hängt von der Modifizierung des Ausgangsgefüges ab. Wird das ursprüngliche, unmodifizierte Ausgangsgefüge mit Minithixoforming verarbeitet, so erhält man eine Austenit-Korngröße von 18,5 µm. Im Falle der Halbzeuge, die mit Hilfe der ECAP-Methode verarbeitet wurden, erreicht man eine Korngröße von 5,5 µm. Dieses Ergebnis stellt eine dreifache Verfeinerung im Vergleich zum nichtmodifizierten, mittels Minithixoforming verarbeiteten Gefüge und sogar eine etwa zehn- bis vierzigfache Verfeinerung im Vergleich zu den typischen Ergebnissen, die mit Hilfe von klassischem Thixoforming erreichbar sind, dar. Auch die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Proben lassen sich maßgeblich verändern; so steigt die Stauchgrenze des Werkzeugstahls von 520 MPa (Ausgangsgefüge) auf bis zu 890 MPa nach ECAP und anschließendem Thixoforming. Beim mikrolegierten Stahl 30MnVS6 resultierte dessen Verarbeitung immer in einem martensitischen Gefüge mit einem kleinen Bainitanteil, was für die Verarbeitung mittels Minithixoforming ein äußerst ungewöhnliches Gefüge darstellt. Dank eines hohen Martensitgehalts werden hohe Härten (> 710 HV10) und sehr hohe Festigkeiten (> 2 GPa) erreicht. Bei der Erprobung der Temperaturbeständigkeit der austenitischen Gefüge vom Werkzeugstahl X210Cr12 wurde festgestellt, dass diese eine unerwartete Stabilität aufweisen. Erst beim Erwärmen auf über 550 °C und anschließendem Abkühlen auf Raumtemperatur erfolgt ein Austenitzerfall in ein sehr feines perlitisches Gefüge.
Publications
- Microstructure and mechanical behavior of a mini-thixoformed tool steel. Metallurgical and Materials Transactions A 43, 2012, 3034-3038
I. Sen, H. Jirková, B. Masek, M. Böhme, M.F.-X. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1007/s11661-012-1305-3) - Minithixoforming of a Steel Produced by Powder Metallurgy. Proc. of the International conference on semi-solid processing of alloys and composites, S2P, 2012, Cape Town, Südafrika. Solid State Phenomena 192-193, 2013, 500-505
H. Jirkova, D. Aisman, I. Sen, M.F.-X. Wagner, M. Behulova, M. Kusy, B. Masek
- Modification of metastable microstructure of CPM15V steel by heat exposure after treatment in semi-solid state. Journal of Alloys and Compounds 586 S1, 2014, 159-164
F. Vancura, B. Masek, D. Aisman, H. Jirkova, M.F.-X. Wagner, M. Böhme
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.04.064) - Effect of Input Structure of Blank on Development of Final Structure when Processing at Temperatures Between Solidus and Liquidus. Procedia Engineering 100, 2015, 722-729
B. Masek, F. Vancura, D. Aisman, H. Jirková, M.F.-X. Wagner
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.01.425) - New Manufacturing Processes for Products from Ultra High Strength Steels. Proc. of the 5th International Conference on Accuracy in Forming Technology, Chemnitz, 2015, 493-503
B. Masek, H. Jirková, I. Vorel, D. Aišman, M.F.-X. Wagner
