Sensorkontrolliertes Bainitisieren von Gusseisen

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Dagmar Dunkle
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1 Sensorkontrolliertes Bainitisieren von Gusseisen Stiftung Institut für, Bremen Dr.-Ing. H. Klümper-Westkamp Projektvorschlag in Bremen

2 2 Gliederung

3 Bainitisieren Stahl: Kaltarbeitsstähle Konkurrenz zum Martensit erhöhte Zähigkeit RA-freies Gefüge günstiger Eigenspannungsverlauf geringerer Verzug, geringere Gefahr von Härterissen Guss: ADI-Guss Konkurrenz zum Gusseisen mit Kugelgraphit Kombination von hoher Festigkeit bei hoher Zähigkeit geschmiedetem Stahl endformnah hohe Verschleißbeständigkeit gute Dämpfung geringe Dichte 3 Vorzüge und Einschränkungen des Bainitisierens

4 Umwandlung Perlit/Ferrit T A = C Umwandlung in Bainit bzw. Ausferrit Kaltarbeitsstahl o. Grauguss mit Kugelgraphit T B = C Bainit bzw. ADI (Bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit) Quelle: Hulvershorn 4 Prozessverlauf Bainitisieren

5 unterkühlter Austenit Ferritnadel, übersättigt unterkühlter Austenit 5 1. Schritt der Bainitumwandlung nach Bhadeshia

Bainit niedrige Temperatur hoher Si-Gehalt 100Cr6 (T B =350 C) 1 µm 0.

6 Ferritnadel, übersättigt Rückdiffusion von C in den Austenit Ausscheidung von C im Ferrit Fe 3 C +Fe 3 C oberer Bainit unterer Bainit niedrige Temperatur hoher Si-Gehalt 100Cr6 (T B =350 C) 1 µm 0.1 µm 100Cr6 (T B =230 C) 1 µm 6 2. Schritt der Bainitumwandlung bei Stählen nach Bhadeshia

7 keine Carbidausscheidungen Ferritnadel, übersättigt Fe 3 C +Fe 3 C unterkühlter Austenit, stabilisiert Ferritnadel, stark übersättigt Ferritnadel, leicht übersättigt Austenit Bainitischer Ferrit Carbidfreier Bainit = Ausferrit 2. Schritt der Bainitumwandlung bei Gusseisen nach Bhadeshia 7

8 1 Ausferritisierung zu kurz Ausferritisierung korrekt Ausferritisierung zu lang Austenit + bainitischer Ferrit + Martensit Austenit + bainitischer Ferrit Prozessfenster Austenit + bainitischer Ferrit + Carbide 8

9 Bainitisierungstemperatur Bainitisierung 250 C 120 min hohe Festigkeit niedriger Restaustenitgehalt niedrige Dehnung Bainitisierung 350 C 40 min niedrige Festigkeit hoher Restaustenitgehalt hohe Dehnung 9 Einfluss der Bainitisierungstemperatur

10 Austenitisierung Bainitisierung Wirbelstromsensor Probenhalterung Messsystem T 2 Salzbad (T 950 C) Warmbad (T 500 C) 10 Prinzip des sensorkontrollieren Bainitisieren

11 Austenitisierbad Bainitisierbad Wärmebehandlungen Sensor 11

12 Erregerspule Messspule Sensor Werkstück i(t)= i sin( t) u(t)= u sin( t)+ 1. Harmonische 3. Harmonische 5. Harmonische + u 3,Real sin(3 t)+ u 3,Imag cos(3 t) + u 5,Real sin(5 t)+ u 5,Imag cos(5 t) Erregerstrom induzierte Spannung Zeit Zeit 12 Das Sensorsignal

13 Korrelation Messsignal Gefügezustand ex-situ (Metallographie, röntgenographisch) in-situ (Dilatometer) 13 Korrelationsmessungen

14 Ausgangssituation: Durch die Wärmebehandlung von Gusswerkstoffen lässt sich Festigkeit und Dehnung steigern Problemstellung: Gezielte Einstellung von Werkstoffzuständen schwierig: Austenitisierungstemperatur Austenitisierungsdauer Ausferritisierungstemperatur Ausferritisierungsdauer Legierungszusammensetzung Lösung: Sensorkontrollierte Wärmebehandlung 14

15 M S 2 Perlit 3 Ausferrit 1 Zeit 1 Erfassung des Prozessfensters 2 Ausreichende Abschreckgeschwindigkeit 3 Optimierte Wärmebehandlung 15

1 Erfassung des Prozessfensters Ausgangssituation: Wahl des Prozessfenster beruht auf Erfahrungen und ist abhängig von: chemischen Zusammensetzung

16 1 Erfassung des Prozessfensters Ausgangssituation: Wahl des Prozessfenster beruht auf Erfahrungen und ist abhängig von: chemischen Zusammensetzung Austenitisierungsbedingungen Umwandlungstemperatur [ C] Umwandlungsdauer [min] 0,25 % Mn 0,37 % Mn 0,67 % Mn GJS nach Elliot

1 Erfassung des Prozessfensters Chemische Zusammensetzung GJS 600-3: C Si Mn Cr Ni Mo Cu 3,6 % 2,21 0,16 0,07 0,063-0,291

17 1 Erfassung des Prozessfensters Chemische Zusammensetzung GJS 600-3: C Si Mn Cr Ni Mo Cu 3,6 % 2,21 0,16 0,07 0,063-0, mm Ausgangsgefüge: 80 mm 30 mm 15 mm Fa. Buchholz Guss Austenitisierung: C 90 min Bainitisierung: C 17

18 1 Erfassung des Prozessfensters Bainitisierungsgrad [%] GJS Bainitisierung: 300 C 860 C 90 min 900 C 90 min Wirbelstromprüfsystem Dilatometer 950 C 90 min Bainitisierungsdauer [min] 18

19 1 Erfassung des Prozessfensters Umwandlungsgrad [%] GJS Austenitisierung: 900 C 90 min 350 C 300 C 250 C Wirbelstromprüfsystem Dilatometer Ausferritisierungstemperatur Bainitisierungsdauer [min] 19

20 1 Erfassung des Prozessfensters Bainitisierung 350 C 12,5 min Bainitisierung 350 C 40 min Bainitisierung 350 C 850 min Bainitisierung 350 C 3 min Umwandlungsgrad [%] GJS Austenitisierung: 900 C 90 min Bainitisierungsdauer [min] 20

21 1 Erfassung des Prozessfensters Bainitisierung 350 C 12,5 min Bainitisierung 350 C 40 min Bainitisierung 350 C 850 min 0,018 Bainitisierung 350 C 3 min Imaginärteil 3. Harmonische 0,016 0,014 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, ,002 Probeneinführung 0 0,005 0,01 0,015 0,02 Realteil 3. Harmonische (200 Hz) [V] 21

22 1 Erfassung des Prozessfensters Ziel: Entwicklung eines Wirbelstromprüfsystems mit Harmonischen- Analyse zum Einsatz bei Temperaturen bis 400 C zu Erfassung des: Zeitpunktes ausreichender Austenitstabilisierung Zeitpunktes beginnender Carbidausscheidung 22

23 1 Erfassung des Prozessfensters Vorgehensweise: Erprobung des Prüfsystems bei folgenden Varianten: Austenitisierungsbedingungen konstant 900 C 90 min Korrelation mit : Dilatometrie Metallographische Untersuchung Härtemessung ggf. Restaustenitmessungen Korrelation mit mechanischen Kennwerten: Steckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung aus Zugversuch 23

24 2 Ausreichende Abkühlgeschwindigkeit Ausgangssituation: Bauteilgröße Abkühlgeschwindigkeit Erfahrung Legierungswahl Lösungsweg: Sensorkontrollierte Umwandlung Perlit Ausferrit M S Zeit ferromagnetische Gefügebestandteile werden detektiert 24

25 2 Ausreichende Abkühlgeschwindigkeit Austenitisierung Austenitisierung Abschreckung im Gasdüsenfeld Ausferritisierung Temperatur Prozesszeit 25

26 2 Ausreichende Abkühlgeschwindigkeit Temperatur[ C] Abschreckung Gasdüsenfeld Perlit Abschreckung Salzbad Bainit Zeit [s] 26

27 2 Ausreichende Abkühlgeschwindigkeit Betrag 1. Harmonische (200Hz) [V] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Perlit aus Abschreckung Abschreckung Gasdüsenfeld Abschreckung Salzbad GJS Austenitisierung: 900 C 90 min Bainitisierung: 300 C Bainitisierungsdauer [min] 27

28 2 Ausreichende Abkühlgeschwindigkeit Ziel: Entwicklung eines Wirbelstromprüfsystems mit Harmonischen- Analyse zum Einsatz bei Temperaturen bis 400 C, unzulässig geringe Abkühlgeschwindigkeiten könne so erkannt werden. 28

29 2 Ausreichende Abkühlgeschwindigkeit Vorgehensweise: Erprobung des Prüfsystems bei folgenden Varianten: Bainitisierungstemperatur konstant 300 C Variation der Abschreckgeschwindigkeiten durch Gasdüsenfeld Unterschiedliche Probengeometrien Korrelation von Zustand B1 und B2 mit Wärmebehandlungszustand: Metallographische Untersuchung ggf. ZTU-Diagramm 29

30 3 Optimierte Wärmebehandlung Ausgangssituation: Zusammenhänge zur optimalen Wärmebehandlung sind bekannt, die fehlende Transparenz des Prozesses macht technische Anwendung schwierig Ziel: Anwendung des sensorkontrollierten Bainitisierens zur optimierten Wärmebehandlung 30

31 3 Optimierte Wärmebehandlung Vorgehensweise: gezielter Abbruch der Bainitisierung Untersuchung des Einflusses der Bainitisierungsdauer auf statische Festigkeit zweistufige Wärmebehandlung: Erfassung des Prozessfensters 400 C 250 C Zeit Erhöhung des Restaustenitgehalts bei niedrigen Umwandlungstemperaturen Stabilisierung des Austenits durch Legierungszusätze Prozess nach ausreichender Stabilisierung beenden 31

32 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 33

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