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Untersuchungen zum Optimierungspotential von Erwärmzeit und Eigenschaftsprofil von Stählen im Presshärteprozess

Fritz, Stefan (2022)
Untersuchungen zum Optimierungspotential von Erwärmzeit und Eigenschaftsprofil von Stählen im Presshärteprozess.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00020638
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Austenitisierungsvorgang ist bei klassischer Ofenerwärmung ein zeit- und energieintensiver Prozessschritt der Fertigungsroute des Presshärtens und dient zur Einstellung eines härtbaren Ausgangsgefüges, welches bei geeigneter Abkühlung in martensitisches Gefüge umwandelt. Ein möglichst homogener und feinkörniger Austenit wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Martensits aus. Konventionell bilden Zeit-Temperatur-Austenitisierungsdiagramme oder Erfahrungswerte die Grundlage zur Ermittlung von Austenitisierungstemperatur und –zeit. In dieser Arbeit wird eine Methodik entwickelt, um die passende Austenitisierungszeit zur Erzielung günstiger mechanischer Werkstoffeigenschaften bei prozesstypischer Erwärmungs- und Abkühlstrategie zu berechnen. Die Anwendbarkeit auf niedrig- und hochlegierte Stähle wird untersucht. Als Versuchswerkstoff dient neben dem Standardwerkstoff 22MnB5 die Stahlgüte X15Cr13 mit dem Ziel, einen korrosionsbeständigen Alternativwerkstoff mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für den Presshärteprozess zu qualifizieren. Der Austenitisierungszustand wird in Abhängigkeit des Reaktionsfortschritts auf Basis des Hollomon-Jaffe Parameters beschrieben. Die dazu nötigen Werkstoffkennwerte der Stähle 22MnB5 und X15Cr13 werden aus Austenitisierungsversuchen im Dilatometer für isotherme Temperaturführung bestimmt und anhand eines prozessnahen Aufheizverlaufs validiert. Messungen von Härte und Martensitstarttemperatur der abgeschreckten Proben geben dabei Aufschluss über den Austenitisierungszustand. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit des Wärmebehandlungszustands in Zugversuchen werden Kleinzugproben entwickelt, welche sich sowohl zur gezielten Wärmebehandlung im Dilatometer als auch zur Zugprüfung mit optischer Dehnungsmessung eignen. Die Ergebnisse der isothermen Austenitisierungsversuche lassen sich mit dem gewählten Ansatz gut abbilden. Auf Basis der ermittelten Parameter kann eine gute Näherung der berechneten, an die empirisch ermittelten und validierten erforderlichen Austenitisierungszeiten erzielt werden. Die mechanischen Kennwerte des X15Cr13 zu Festigkeit und Verformbarkeit erweisen sich unter Verwendung optimierter Wärmebehandlungsparameter als deutlich vorteilhaft gegenüber denen des 22MnB5. Das beispielhaft aufgezeigte werkstoffliche Optimierungspotential leistet einen Beitrag zur Erschließung eines breiteren Spektrums an Werkstoffen für das Presshärten im Kontext stetig steigender technischer, technologischer und wirtschaftlicher Anforderungen an Karosseriestrukturbauteile.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2022
Autor(en): Fritz, Stefan
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Untersuchungen zum Optimierungspotential von Erwärmzeit und Eigenschaftsprofil von Stählen im Presshärteprozess
Sprache: Deutsch
Referenten: Schneider, Prof. Dr. Jens ; Kolling, Prof. Dr. Stefan
Publikationsjahr: 2022
Ort: Darmstadt
Kollation: XI, 139 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 1 März 2021
DOI: 10.26083/tuprints-00020638
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/20638
Kurzbeschreibung (Abstract):

Der Austenitisierungsvorgang ist bei klassischer Ofenerwärmung ein zeit- und energieintensiver Prozessschritt der Fertigungsroute des Presshärtens und dient zur Einstellung eines härtbaren Ausgangsgefüges, welches bei geeigneter Abkühlung in martensitisches Gefüge umwandelt. Ein möglichst homogener und feinkörniger Austenit wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Martensits aus. Konventionell bilden Zeit-Temperatur-Austenitisierungsdiagramme oder Erfahrungswerte die Grundlage zur Ermittlung von Austenitisierungstemperatur und –zeit. In dieser Arbeit wird eine Methodik entwickelt, um die passende Austenitisierungszeit zur Erzielung günstiger mechanischer Werkstoffeigenschaften bei prozesstypischer Erwärmungs- und Abkühlstrategie zu berechnen. Die Anwendbarkeit auf niedrig- und hochlegierte Stähle wird untersucht. Als Versuchswerkstoff dient neben dem Standardwerkstoff 22MnB5 die Stahlgüte X15Cr13 mit dem Ziel, einen korrosionsbeständigen Alternativwerkstoff mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für den Presshärteprozess zu qualifizieren. Der Austenitisierungszustand wird in Abhängigkeit des Reaktionsfortschritts auf Basis des Hollomon-Jaffe Parameters beschrieben. Die dazu nötigen Werkstoffkennwerte der Stähle 22MnB5 und X15Cr13 werden aus Austenitisierungsversuchen im Dilatometer für isotherme Temperaturführung bestimmt und anhand eines prozessnahen Aufheizverlaufs validiert. Messungen von Härte und Martensitstarttemperatur der abgeschreckten Proben geben dabei Aufschluss über den Austenitisierungszustand. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit des Wärmebehandlungszustands in Zugversuchen werden Kleinzugproben entwickelt, welche sich sowohl zur gezielten Wärmebehandlung im Dilatometer als auch zur Zugprüfung mit optischer Dehnungsmessung eignen. Die Ergebnisse der isothermen Austenitisierungsversuche lassen sich mit dem gewählten Ansatz gut abbilden. Auf Basis der ermittelten Parameter kann eine gute Näherung der berechneten, an die empirisch ermittelten und validierten erforderlichen Austenitisierungszeiten erzielt werden. Die mechanischen Kennwerte des X15Cr13 zu Festigkeit und Verformbarkeit erweisen sich unter Verwendung optimierter Wärmebehandlungsparameter als deutlich vorteilhaft gegenüber denen des 22MnB5. Das beispielhaft aufgezeigte werkstoffliche Optimierungspotential leistet einen Beitrag zur Erschließung eines breiteren Spektrums an Werkstoffen für das Presshärten im Kontext stetig steigender technischer, technologischer und wirtschaftlicher Anforderungen an Karosseriestrukturbauteile.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

In conventional furnace heating, the austenitizing process is a time- and energy-intensive process step in the production route of press hardening and serves to set a hardenable initial microstructure, which is transformed into a martensitic microstructure during suitable cooling. An austenite that is as homogeneous and fine-grained as possible has a positive effect on the mechanical properties of the resulting martensite. Conventionally, time-temperature austenitization diagrams or empirical values form the basis for determining austenitization temperature and time. This paper deals with the development of a methodology to calculate the appropriate austenitizing time to achieve favorable mechanical material properties under process-typical heating and cooling conditions. The applicability to low and high alloy steels is investigated. In addition to the standard material 22MnB5, the steel grade X15Cr13 is used as a further test material with the aim of qualifying a corrosion-resistant alternative material with superior mechanical properties for processing via press hardening. The austenitization state is described subject to the reaction progress based of the Hollomon-Jaffe parameter. The necessary material parameters of the steels 22MnB5 and X15Cr13 are determined from austenitization tests in the dilatometer for isothermal temperature control and validated due to a process typical heating curve. Measurements of hardness and martensite start temperature of the quenched samples provide information on the state of austenitization. To determine the mechanical properties as a function of the heat treatment condition in tensile tests, adapted small tensile specimens are developed which are suitable both for targeted heat treatment in the dilatometer and for tensile testing with optical strain measurement. The results of the isothermal austenitization tests can be reproduced well with the selected approach. Based on the identified parameters, a good approximation of the calculated austenitization times to the empirically determined and validated required austenitization times can be observed. The mechanical properties of X15Cr13 in terms of strength and ductility exceed those of 22MnB5, provided by an optimized heat treatment. The optimization potential concerning material selection demonstrated in this example contributes to the development of a broader spectrum of materials suitable for press hardening in the context of constantly increasing technical, technological and economic requirements for car body structure components.

Englisch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-206384
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Fachgebiete der Mechanik
Hinterlegungsdatum: 18 Feb 2022 12:37
Letzte Änderung: 21 Feb 2022 08:05
PPN:
Referenten: Schneider, Prof. Dr. Jens ; Kolling, Prof. Dr. Stefan
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 1 März 2021
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