8 Zusammenfassende Schlussfolgerungen und Ausblick

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1 221 8 Zusammenfassende Schlussfolgerungen und Ausblick 8.1 Zusammenfassung In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen einer Cryobehandlung auf die Werkstoffeigenschaften und die Mikrostruktur von Werkzeugstählen untersucht. Im Fokus standen dabei die metallkundlichen Vorgänge während des gesamten Cryobehandlungszykluses einschließlich Abkühl- und Aufheizphase. Dazu wurden zahlreiche Cryobehandlungen durchgeführt und anschließend sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch das Verschleißverhalten ermittelt. Zur Anwendung kamen die ledeburitischen Kaltarbeitsstähle X153CrMoV12 (PM und SM) und X230CrVMo13-4PM sowie die beiden schmelzmetallurgisch hergestellten 8 %-igen Chromstähle X100CrMoV8-3 und X50CrMoV8-2. Die Untersuchung mikrostruktureller Veränderungen erfolgte mittels Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und metallphysikalischer Methoden, wie z.b. der Mößbauerspektroskopie. Durch diese Untersuchungen konnten Erkenntnisse gewonnen werden, welche die bisherige Theorie zu den ablaufenden Mechanismen während einer Cryobehandlung grundlegend erweitern. Darüber hinaus wurden Standzeitversuche mit Werkzeugen unter industriellen Bedingungen durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse sind im Folgenden zusammengefasst: Cryobehandlungsprozess 1. Für alle untersuchten Werkzeugstähle wurde das Sekundärhärtemaximum durch eine Cryobehandlung zu niedrigeren Temperaturen verschoben und teilweise sogar unterdrückt. Nicht nur aus diesem Grund ist bei einer Cryobehandlung auch die Anpassung der konventionellen Parameter, wie Austenitisierungs- und Anlasstemperatur, erforderlich. 2. Die Parameter Austenitisierungs- und Anlasstemperatur besitzen analog zur kon-

2 222 8 Zusammenfassende Schlussfolgerungen und Ausblick ventionellen Wärmebehandlung bei einer Cryobehandlung den größten Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften. Dagegen zeigten von den reinen Cryoparametern lediglich die Haltezeit auf Cryotemperatur und die Aufheizrate signifikante Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften. Zusammenfassend sind für optimale mechanische Eigenschaften, wie Biegefestigkeit, Bruchdehnung und Verformungsarbeit, eine niedrige Austenitisierungs- und hohe Anlasstemperatur von Vorteil. Die umgekehrte Kombination, eine hohe Austenitisierungs- und eine niedrige Anlasstemperatur, führen zu einer höheren Härte und Verschleißbeständigkeit. Werkstofftechnische Aspekte 1. Bei den unterschiedlichen Cryobehandlungen konnten weder direkt nach dem Tiefkühlen, noch nach dem Anlassen η-karbide detektiert werden. Vielmehr zeigt sich u.a. durch die Verschiebung des Sekundärhärtemaximums, dass durch eine Cryobehandlung das Ausscheidungsverhalten der für den jeweiligen Stahl typischen Karbide beeinflusst wird. 2. Nach einer Cryobehandlung liegen im Gefüge unterschiedliche Martensitarten im Gefüge vor. Im Gegensatz zum konventionellen Martensit, der sich beim Härten bildet, weist der aus Restaustenit gebildete virgin martensite eine deutlich geringere Tetragonalität, feinere Zwillingsstrukturen und eine geringere Versetzungsdichte auf. Dies resultiert im Vergleich zum konventionellen Martensit in einer geringeren Festigkeit und einer vergleichsweise hohen Duktilität. 3. Mittels Mößbauerspektroskopie, Rückstreuelektronenbeugung und Synchrotronstrahlung konnte nachgewiesen werden, dass Restaustenit beim Tiefkühlen zwar zu einem großen Teil, aber nicht vollständig in Martensit umwandelt und insbesondere durch längere Haltezeiten bei einer Temperatur von -196 C ein geringerer Restaustenitgehalt eingestellt werden kann. Metallkundliche Vorgänge 1. Als Hauptmechanismus der ablaufenden mikrostrukturellen Vorgänge während einer Cryobehandlung wurde die Auflösung von Karbiden durch gleitende Versetzungen identifiziert. Triebkraft für die Versetzungsbewegung ist die plastische Verformung der Mikrostruktur durch die martensitische Umwandlung, die bei der Haltezeit auf -196 C durch die isotherme Martensitbildung aufrecht erhalten wird. Dieser Effekt der Karbidauflösung wird durch eine Anhebung der Cryotemperatur auf -150 C

3 8.1 Zusammenfassung 223 verstärkt. 2. Die plastische Verformung erfolgt sowohl im virgin martensite als auch im konventionellen Martensit. Das Ausmaß der plastischen Verformung sowie der Versetzungsbewegung und der damit verbunden Karbidauflösung ist im virgin martensite aufgrund der höheren Verformbarkeit jedoch wesentlich ausgeprägter. 3. Die Karbidauflösung kann bei kleineren Karbiden (voreutektoid ausgeschiedene, Selbstanlasseffekte) vollständig oder bei größeren Karbiden (bevorzugt Cr-reiche Karbide, da Cr die Bindungsenthalpie zwischen C-Atomen und Versetzungen erhöht) teilweise (durch Schneiden der Oberfläche) erfolgen. 4. Durch die Karbidauflösung durch gleitende Versetzungen entstehen Anhäufungen von Kohlenstoff an den Versetzungen, wobei weitere Elemente, wie z.b. Chrom, in der Matrix gelöst bleiben. Auf diese Weise entsteht ein höheres Ausscheidungspotential für die Ausscheidung von Karbiden bei einem nachfolgenden Anlassschritt. Werkstoff- und Werkzeugeigenschaften 1. Die Untersuchungen aller Werkstoffe haben gezeigt, dass sowohl die mechanischen als auch die Verschleißeigenschaften durch eine Cryobehandlung signifikant beeinflusst werden können. So konnte z.b. der Verschleißwiderstand (Abrasion) im Vergleich zu einer praxisnahen konventionellen Wärmebehandlung um mehr als 30 % gesteigert werden. Dagegen wurden die mechanischen Eigenschaften durch eine Cryobehandlung in der Regel verschlechtert. Für einen höheren Verschleißwiderstand erwiesen sich längere Haltezeiten auf Cryotemperatur als vorteilhaft, führten allerdings gleichzeitig zu einer geringeren Bruchdehnung. 2. Weiterhin haben die Untersuchungen gezeigt, dass eine Anpassung der Parameter einer konventionellen Wärmebehandlung ebenfalls zu einer deutlichen Verbesserung der Werkstoffeigenschaften führen kann. So ist z.b. für Werkzeuge oder Bauteile, bei denen Maßgenauigkeit nicht im Vordergrund steht, eine Wärmebehandlung von Vorteil, bei der ein gewisser Anteil an Restaustenit im Gefüge verbleibt. 3. Die Versuche mit Werkzeugen unter industriellen Bedingungen haben aufgezeigt, dass in Abhängigkeit der Verschleißbedingungen und der mechanischen Beanspruchung des jeweiligen Werkzeuges durch eine Cryobehandlung ein deutlich geringerer Verschleiß und damit eine erhöhte Standzeit erzielt werden kann. Eine einfache Übertragung der labortechnischen Erkenntnisse ist allerdings nicht ohne Weiteres möglich.

4 224 8 Zusammenfassende Schlussfolgerungen und Ausblick 8.2 Ausblick Weiterer Forschungsbedarf Obwohl wichtige Erkenntnisse über die Auswirkungen einer Cryobehandlung auf die Werkstoffeigenschaften und die ablaufenden metallkundlichen Vorgänge während einer Cryobehandlung gewonnen werden konnten, besteht weiterer Forschungsbedarf, um eine standardisierte, industrielle Nutzung zu ermöglichen. So werden aktuell noch Untersuchungen durchgeführt, die Aufschlüsse über den Zusammenhang zwischen der Haltezeit auf -196 C und dem Verschleißverhalten liefern sollen. Dadurch könnte die noch verbleibende Verständnislücke zwischen Werkstoffeigenschaften und metallkundlichen Vorgängen geschlossen und ein weiterer, entscheidender Schritt zum vollständigen Verständnis beigetragen werden. Zusätzlich muss untersucht werden, welche Auswirkungen eine Haltezeit auf -150 C und die damit verbundene, verstärkte Karbidauflösung auf die Werkstoffeigenschaften hat. Auf diese Weise könnte bestätigt werden, dass eine Temperatur von -150 C für eine optimale Cryobehandlung ausreicht und Temperaturen <-150 C metallkundliche Vorgänge während der Behandlung nur verlangsamen Bedeutung für industrielle Praxis Durch die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche konnte das Potential, welches diese Art der Behandlung bietet, veranschaulicht werden. Die in anderen Studien berichteten Lebensdauersteigerungen um mehrere hundert Prozent wurden zwar nicht bestätigt, eine deutliche Erhöhung der Standzeiten von Werkzeugen deutete sich aber insbesondere in den Industrieversuchen an. Auch bei nur geringen Verbesserungen bietet eine Cryobehandlung andere Vorteile. So ist nach einer Cryobehandlung z.b. nur noch ein Anlassschritt erforderlich, in dem die Zielhärte des Werkzeuges eingestellt werden kann. Weitere Schritte zur Beseitigung von Restaustenit sind damit nicht erforderlich. Darüber hinaus wird auf diese Weise die inhomogene Gefügezusammensetzung bei einer konventionellen Wärmebehandlung mit mehrfachem Anlassen vermieden. Neben den unterschiedlichen Cryobehandlungen konnte in der vorliegenden Arbeit ebenso gezeigt werden, dass alternative konventionelle Wärmebehandlungen zu ähnlichen Eigenschaftsverbesserungen führen können. So ist bei einer abrasiven Verschleißbeanspruchung und einer untergeordneter Maßgenauigkeit eine Wärmebehandlung zu empfehlen, die einen gewissen Restaustenitanteil einstellt. Ist hingegen unter sonst gleichen Bedin-

5 8.2 Ausblick 225 gungen die Einhaltung der Abmessungen essentiell, so bietet eine Cryobehandlung eine gute Alternative zur Erhöhung der Lebensdauer. Die Ergebnisse dieser Arbeit haben zudem gezeigt, dass die durch eine Cryobehandlung erzielten Lebensdauererhöhungen nicht nur von der jeweiligen Legierungszusammensetzung, sondern auch von den Einsatzbedingungen (Verschleißmechanismen, mech. Beanspruchungen) abhängen und deswegen die Prozessparameter einer Cryobehandlung, einschließlich Härten und Anlassen, nicht trivial übertragbar sind. Aus diesem Grund ist für eine standardisierte, industrielle Nutzung z.b. die Erweiterung von Werkstoffdatenblättern bzgl. der Auswirkungen einer Cryobehandlung erforderlich. Die Grundlagen dafür wurden in der vorliegenden Arbeit geschaffen. Des Weiteren könnte der Nachweis einer optimalen Cryotemperatur von -150 C entscheidend für eine großtechnische Anwendung der Cryobehandlung sein. Eine prozesstechnisch aufwändige Kühlung bis -196 C wäre somit nicht mehr notwendig. Die Kühlung bis -150 C ist dagegen schon für zahlreiche Anwendungen kommerziell erhältlich.