Zur Beobachtung des Ermüdungsbruchs und zur Analyse des Bruchmechanismus wurde ein Rasterelektronenmikroskop eingesetzt. Gleichzeitig wurde an den entkohlten Proben ein Drehbiegeversuch bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um die Dauerfestigkeit des Prüfstahls mit und ohne Entkohlung zu vergleichen und den Einfluss der Entkohlung auf die Dauerfestigkeit des Prüfstahls zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die gleichzeitige Oxidation und Entkohlung während des Erwärmungsprozesses zu einer Wechselwirkung zwischen beiden führt. Die Dicke der vollständig entkohlten Schicht nimmt mit steigender Temperatur zunächst zu und dann wieder ab. Bei 750 °C erreicht die Schichtdicke ein Maximum von 120 μm, bei 850 °C ein Minimum von 20 μm. Die Dauerfestigkeit des Prüfstahls liegt bei etwa 760 MPa. Als Hauptursache für die Ermüdungsrisse im Prüfstahl werden nichtmetallische Al₂O₃-Einschlüsse genannt. Das Entkohlungsverhalten reduziert die Dauerfestigkeit des Prüfstahls erheblich und beeinträchtigt dessen Dauerfestigkeit. Je dicker die Entkohlungsschicht, desto geringer die Dauerfestigkeit. Um den Einfluss der Entkohlungsschicht auf die Dauerfestigkeit des Prüfstahls zu minimieren, sollte die optimale Wärmebehandlungstemperatur auf 850 °C eingestellt werden.
Das Getriebe ist ein wichtiger Bestandteil des Automobils.Aufgrund der hohen Betriebsgeschwindigkeit müssen die Eingriffsflächen der Zahnräder eine hohe Festigkeit und Abriebfestigkeit aufweisen, und der Zahnfuß muss aufgrund der ständigen, wiederholten Belastung eine gute Biegeermüdungsfestigkeit besitzen, um Risse und damit Materialbruch zu vermeiden. Untersuchungen zeigen, dass die Entkohlung ein wichtiger Faktor für die Biegeermüdungsfestigkeit von Metallwerkstoffen ist. Da die Biegeermüdungsfestigkeit ein wichtiger Indikator für die Produktqualität ist, ist es notwendig, das Entkohlungsverhalten und die Biegeermüdungsfestigkeit des Prüfmaterials zu untersuchen.
In dieser Arbeit wird die Oberflächenentkohlung von 20CrMnTi-Getriebestahl mittels Wärmebehandlung im Ofen untersucht. Dabei wird der Einfluss verschiedener Heiztemperaturen auf die Entkohlungstiefe des Prüfstahls analysiert. Anschließend wird mit einer QBWP-6000J-Biegeprüfmaschine die Dauerfestigkeit des Prüfstahls bestimmt. Gleichzeitig wird der Einfluss der Entkohlung auf die Dauerfestigkeit analysiert, um den Produktionsprozess zu optimieren, die Produktqualität zu verbessern und eine praxisnahe Referenz zu liefern. Die Dauerfestigkeit des Prüfstahls wird mittels Biegeermüdungsprüfung ermittelt.
1. Prüfmaterialien und -methoden
Das Prüfmaterial für eine Einheit zur Bereitstellung von 20CrMnTi-Getriebestahl hat die in Tabelle 1 dargestellte chemische Hauptzusammensetzung. Entkohlungsprüfung: Das Prüfmaterial wird zu zylindrischen Proben mit den Abmessungen Ø 8 mm × 12 mm verarbeitet. Die Oberfläche muss blank und frei von Flecken sein. Die Proben werden in einem Wärmebehandlungsofen auf 675 °C, 700 °C, 725 °C, 750 °C, 800 °C, 850 °C, 900 °C, 950 °C und 1000 °C erhitzt, jeweils 1 Stunde lang gehalten und anschließend an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach der Wärmebehandlung der Proben durch Biegen, Schleifen und Polieren sowie der Ätzung mit 4%iger Salpetersäure-Alkohol-Lösung wird die Entkohlungsschicht des Prüfstahls mittels metallurgischer Mikroskopie untersucht und deren Tiefe bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Spinnbiegeermüdungsversuch: Das Prüfmaterial wurde gemäß den Anforderungen der Probenaufbereitung in zwei Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe wurde nicht entkohlt, die zweite Gruppe bei unterschiedlichen Temperaturen entkohlt. Mithilfe einer Spinnbiegeermüdungsprüfmaschine wurden die beiden Stahlgruppen Spinnbiegeermüdungsversuchen unterzogen. Anschließend wurde die Dauerfestigkeit beider Gruppen bestimmt, die Dauerfestigkeit verglichen und die Bruchflächen mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Bruchursachen wurden analysiert, um den Einfluss der Entkohlung auf die Dauerfestigkeitseigenschaften des Prüfstahls zu ermitteln.
Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung (Massenanteil) des Prüfstahls Gew.-%
Einfluss der Heiztemperatur auf die Entkohlung
Die Morphologie der Entkohlungsstruktur bei verschiedenen Heiztemperaturen ist in Abb. 1 dargestellt. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist bei einer Temperatur von 675 °C keine Entkohlungsschicht auf der Probenoberfläche zu erkennen; bei einem Temperaturanstieg auf 700 °C beginnt sich eine dünne Ferrit-Entkohlungsschicht auf der Probenoberfläche auszubilden; mit steigender Temperatur auf 725 °C nimmt die Dicke der Entkohlungsschicht deutlich zu; bei 750 °C erreicht die Dicke der Entkohlungsschicht ihren Maximalwert, wobei die Ferritkörner zu diesem Zeitpunkt deutlicher und gröber erscheinen; bei einem Temperaturanstieg auf 800 °C beginnt die Dicke der Entkohlungsschicht deutlich abzunehmen und sinkt auf die Hälfte des Wertes bei 750 °C. Bei einem weiteren Temperaturanstieg auf 850 °C und der in Abb. 1 dargestellten Entkohlungsdicke begann die Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 800 °C deutlich abzunehmen und erreichte bei 750 °C die Hälfte. Steigt die Temperatur weiter auf 850 °C und darüber, nimmt die Dicke der vollständig entkohlten Schicht des Prüfstahls weiter ab, während die Dicke der halben entkohlten Schicht allmählich zunimmt, bis die Morphologie der vollständig entkohlten Schicht vollständig verschwunden ist und die Morphologie der halben entkohlten Schicht allmählich deutlicher wird. Es zeigt sich, dass die Dicke der vollständig entkohlten Schicht mit steigender Temperatur zunächst zunimmt und dann abnimmt. Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass die Probe während des Erhitzungsprozesses gleichzeitig oxidiert und entkohlt. Entkohlung tritt erst dann auf, wenn die Entkohlungsrate die Oxidationsrate übersteigt. Zu Beginn der Erwärmung nimmt die Dicke der vollständig entkohlten Schicht mit steigender Temperatur allmählich zu, bis sie ihren Maximalwert erreicht. Bei weiterer Temperaturerhöhung verläuft die Oxidationsrate der Probe schneller als die Entkohlungsrate, was das weitere Wachstum der Schicht hemmt und zu einem abnehmenden Trend führt. Im Bereich von 675–950 °C ist die Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 750 °C am größten und bei 850 °C am geringsten. Daher wird eine Erwärmungstemperatur von 850 °C für den Prüfstahl empfohlen.
Abb. 1 Histomorphologie der entkohlten Schicht des Prüfstahls nach 1 h bei verschiedenen Heiztemperaturen.
Im Vergleich zur teilentkohlten Schicht hat die Dicke der vollständig entkohlten Schicht einen deutlich stärkeren negativen Einfluss auf die Materialeigenschaften. Sie reduziert die mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich, wie z. B. Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit, und erhöht die Rissanfälligkeit, was sich negativ auf die Schweißqualität auswirkt. Daher ist die Kontrolle der Dicke der vollständig entkohlten Schicht von großer Bedeutung für die Verbesserung der Produktleistung. Abbildung 2 zeigt den Verlauf der Dicke der vollständig entkohlten Schicht in Abhängigkeit von der Temperatur und verdeutlicht so die Veränderung der Schichtdicke. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 700 °C nur etwa 34 μm beträgt. Mit steigender Temperatur auf 725 °C nimmt die Dicke der vollständig entkohlten Schicht deutlich auf 86 μm zu, was mehr als dem Doppelten der Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei 700 °C entspricht. Bei einer Temperatur von 750 °C erreicht die Dicke der vollständig entkohlten Schicht ihren Maximalwert von 120 μm; steigt die Temperatur weiter an, nimmt die Dicke der vollständig entkohlten Schicht rapide ab, auf 70 μm bei 800 °C und dann auf einen Minimalwert von etwa 20 μm bei 850 °C.
Abb. 2 Dicke der vollständig entkohlten Schicht bei verschiedenen Temperaturen
Einfluss der Entkohlung auf die Ermüdungsfestigkeit beim Drückbiegen
Um den Einfluss der Entkohlung auf die Ermüdungseigenschaften von Federstahl zu untersuchen, wurden zwei Gruppen von Drehbiegeversuchen durchgeführt. Die erste Gruppe wurde ohne Entkohlung direkt ermüdet, die zweite Gruppe nach Entkohlung bei gleicher Spannung (810 MPa). Die Entkohlung erfolgte bei 700–850 °C über einen Zeitraum von einer Stunde. Die Ergebnisse der ersten Gruppe sind in Tabelle 2 dargestellt; sie zeigen die Ermüdungslebensdauer des Federstahls.
Die Dauerfestigkeit der ersten Probengruppe ist in Tabelle 2 dargestellt. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, wurde der Prüfstahl ohne Entkohlung nur 10⁷ Zyklen bei 810 MPa ausgesetzt, ohne dass es zu Brüchen kam; bei einer Spannung von über 830 MPa begannen einige Proben zu brechen; bei einer Spannung von über 850 MPa brachen alle Dauerfestigkeitsproben.
Tabelle 2 Dauerfestigkeit unter verschiedenen Belastungsstufen (ohne Entkohlung)
Zur Bestimmung der Dauerfestigkeit wurde die Gruppenmethode angewendet. Nach statistischer Auswertung der Daten ergab sich eine Dauerfestigkeit von ca. 760 MPa. Um die Dauerfestigkeit des Prüfstahls unter verschiedenen Belastungen zu charakterisieren, wurde die Wöhlerlinie (S-N-Kurve) erstellt (siehe Abbildung 3). Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, korrespondieren unterschiedliche Belastungsniveaus mit unterschiedlichen Dauerfestigkeiten. Bei einer Dauerfestigkeit von 7 Zyklen (entsprechend 10⁷ Zyklen) befindet sich die Probe unter diesen Bedingungen im ermüdungsfesten Zustand. Der zugehörige Spannungswert kann näherungsweise als Dauerfestigkeit von 760 MPa angenommen werden. Die Wöhlerlinie ist somit ein wichtiger Referenzwert für die Bestimmung der Dauerfestigkeit des Materials.
Abbildung 3: SN-Kurve des experimentellen Stahl-Rotationsbiegeermüdungstests
Die Dauerfestigkeit der zweiten Probengruppe ist in Tabelle 3 dargestellt. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, reduziert sich die Anzahl der Lastwechsel nach der Entkohlung des Prüfstahls bei verschiedenen Temperaturen deutlich. Sie liegt über 10⁷, und alle Proben brechen, was zu einer erheblichen Verringerung der Dauerfestigkeit führt. Betrachtet man die Dicke der entkohlten Schicht in Abhängigkeit von der Temperaturänderungskurve, so zeigt sich, dass die größte Schichtdicke bei 750 °C auftritt und mit der geringsten Dauerfestigkeit einhergeht. Die geringste Schichtdicke bei 850 °C korrespondiert mit einer relativ hohen Dauerfestigkeit. Daraus lässt sich schließen, dass die Entkohlung die Dauerfestigkeit des Materials stark beeinträchtigt und dass mit zunehmender Dicke der entkohlten Schicht die Dauerfestigkeit abnimmt.
Tabelle 3 Dauerfestigkeit bei verschiedenen Entkohlungstemperaturen (560 MPa)
Die Ermüdungsbruchmorphologie der Probe wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht (siehe Abb. 4). Abb. 4(a) zeigt den Rissursprungsbereich mit einem deutlich erkennbaren Ermüdungsbogen. Anhand dieses Bogens lässt sich die Ermüdungsquelle identifizieren: „fischaugenförmige“ nichtmetallische Einschlüsse. Diese Einschlüsse begünstigen Spannungskonzentrationen und führen so zu Ermüdungsrissen. Abb. 4(b) zeigt die Morphologie des Rissausbreitungsbereichs mit deutlich erkennbaren, flussartig angeordneten Ermüdungsstreifen. Diese deuten auf einen quasi-dissoziativen Bruch hin, bei dem sich die Risse ausbreiten und schließlich zum Bruch führen.
Ermüdungsbruchanalyse
Abb. 4: REM-Aufnahme der Ermüdungsbruchfläche des Versuchsstahls
Um die Art der Einschlüsse in Abb. 4 zu bestimmen, wurde eine energiedispersive Röntgenspektroskopie durchgeführt; die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass es sich bei den nichtmetallischen Einschlüssen hauptsächlich um Al2O3-Einschlüsse handelt, was darauf hindeutet, dass die Einschlüsse die Hauptursache für Risse sind, die durch Rissbildung in den Einschlüssen entstehen.
Abbildung 5 Energiespektroskopie nichtmetallischer Einschlüsse
Abschließen
( 1) Durch die Festlegung der Heiztemperatur auf 850 ℃ wird die Dicke der entkohlten Schicht minimiert, um den Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit zu verringern.
( 2) Die Dauerfestigkeitsgrenze des Prüfstahls beim Drehbiegen beträgt 760 MPa.
( 3) Rissbildung im Prüfstahl in nichtmetallischen Einschlüssen, hauptsächlich Al2O3-Gemisch.
( 4) Die Entkohlung verringert die Dauerfestigkeit des Prüfstahls erheblich; je dicker die Entkohlungsschicht ist, desto geringer ist die Dauerfestigkeit.
Veröffentlichungsdatum: 21. Juni 2024
