BHM, Jvn. Jg. (2014), Heft XX © Springer-Verlag Wien Zacharias et al.

Originalarbeit

1

BHMDOI 10.1007/s00501-014-0272-y© Springer-Verlag Wien 2014

Einfluss der Mikrolegierung (Nb, Al, N) auf die Feinkornbeständigkeit von Einsatzstählen vom Typ 18CrNiMo7−6

Heike Zacharias1, Johannes Arndt2 und Sophie Primig1,3

1Department für Metallkunde und Werkstoffprüfung, Montanuniversität Leoben, Leoben, Österreich2Buderus Edelstahl GmbH, Wetzlar, Deutschland3Leoben, Österreich

several micro-alloyed variants of the case-hardening steel 18CrNiMo7 − 6 under different heat treatment conditions was examined. For the microstructural characterization, light microscopy, scanning, and transmission electron microscopy as well as atom probe tomography were applied.

Keywords: Case-hardening steel, Microalloying, Grain size stability

1. Einleitung

Der Einsatzstahl 18CrNiMo7 − 6 wird für großdimensionale Getriebebauteile in Windrädern eingesetzt. Um die Anfor-derungen von einem verschleißfesten und trotzdem zähen Werkstoff zu realisieren, werden die Bauteile bei 980 °C bis zu 80  h einsatzgehärtet. Dabei setzt Kornwachstum ein, welches die mechanischen Kennwerte des Materials herabsetzt und zu Verzug führen kann. Um die Feinkorn-stabilität bei diesen Bedingungen zu gewährleisten, wird dieser Stahl mit Aluminium und Niob mikrolegiert. Diese Elemente pinnen in Form von Karbiden und Nitriden die Korngrenzen und reduzieren somit das Kornwachstum [1–3].

2. Ergebnisse

Um den Einsatzhärtungsvorgang zu simulieren, wurden fünf Varianten des Stahles mit unterschiedlichen Niob, Aluminium und Stickstoff Gehalten in einem Schutzgas-ofen bei 980 °C für bis zu 80 h wärmebehandelt. Der durch Austenitkorngrößenmessung ermittelte Korndurchmesser wurde in Korngrößenklassen eingeteilt und mit der ASTM Korngrößentabelle verglichen, um die Feinkornbeständig-

Zusammenfassung: Der Einsatzstahl 18CrNiMo7 − 6 wird als Werkstoff für große Getriebebauteile von Windkraft-rädern verwendet, welche wegen der Anforderungen an den Werkstoff bei 980 °C für bis zu 80  h einsatzgehärtet werden. Das dabei einsetzende Kornwachstum soll mit-hilfe von Ausscheidungen durch Mikrolegierungselemen-te wie Aluminium und Niob reduziert werden. Bei die-ser Diplomarbeit wurden das Ausscheidungsverhalten und dessen Einfluss auf die Feinkornbeständigkeit un-terschiedlicher Legierungsvarianten bei den genannten Bedingungen untersucht. Dazu wurden unterschiedliche Untersuchungsmethoden wie Lichtmikroskop, Rasterelek-tronenmikroskop, Transmissionselektronenmikroskop und Atomsonde verwendet.

Schlüsselwörter: Einsatzstahl, Mikrolegierung, Feinkorn-beständigkeit

Influence of Micro-alloying with Nb, Al and N on the Grain Size Stability of the Case-hardening Steel 18CrNiMo7−6

Abstract: The case-hardening steel 18CrNiMo7 − 6 is used for large gear wheels in wind turbines. To achieve the requirements for a wear resistant and tough material, the steel is carburized and case hardened at 980 °C for 80  h. During this heat treatment, grain growth occurs, which should be avoided by micro-alloying the steel with aluminium and niobium. These elements pin the grain boundaries in form of carbides and nitrides to reduce the grain growth. In this work the grain size stability of

Dr. S. Primig ()Franz-Josef Straße 18,8700 Leoben, ÖsterreichE-Mail: sophie.primig@unileoben.ac.at

Eingegangen am 5. Mai 2014; angenommen am 11. Mai 2014

2

Originalarbeit

Zacharias et al. © Springer-Verlag Wien BHM, Jvn. Jg. (2014), Heft XX

keit der einzelnen Legierungen zu beurteilen. Außerdem wurde anhand von Dichteverteilungskurven eine bimodale Gefügestruktur aller Varianten festgestellt.

Um die Ausscheidungsstruktur zu analysieren, wur-den die Ausscheidungen in ausgewählten Proben im Ras-ter- und im Transmissionselektronenmikroskop genauer untersucht. Da diese unterschiedliche Formen anneh-men, ist ein mittlerer Durchmesser nicht aussagekräftig. Deshalb wurde jeweils die sichtbare Fläche berechnet und in Klassen eingeteilt, um kubische sowie sphärische Ausscheidungen 2-dimensional miteinander in einer Häufigkeitsverteilungskurve vergleichen zu können. In Abb.  1a–c sind charakteristische Beispiele verschiedener Ausscheidungstypen im Transmissionselektronenmikros-kop dargestellt.

Aus den gemessenen Werten konnte eine Häufig-keitsverteilungskurve ermittelt und ein kornwachstums-hemmender Bereich (bis 5000  nm2) über den Zener Durchmesser berechnet werden. Zusätzlich wurde ein Übergangsbereich bis 10000 nm2 festgelegt. In diesem Bereich können Ausscheidungen, abhängig von deren Form und Lage [4, 5], eventuell noch Kornwachstum verhindern.

Das weitere Ausscheidungspotential wurde durch den Restgehalt an gelöstem Niob und Aluminium mit der Atomsonde bestimmt. Da in einer Variante geringe Gehalte beider Elemente gefunden wurden, ist das Ausscheidungs-potential noch nicht ganz ausgeschöpft. Außerdem kann deshalb das Vergröberungsverhalten der Ausscheidungen nicht exakt mit der LSW Theorie beschrieben werden. Es tritt zusätzlich eine direkte Vergröberung aller Ausschei-dungen ein [5].

3. Zusammenfassung

Anhand von Dichteverteilungskurven wurde eine bimo-dale Gefügestruktur aller Varianten festgestellt. Bei der genaueren Analyse der Ausscheidungen mittels Ras-ter- und Transmissionselektronenmikroskop konnte über eine Häufigkeitsverteilungskurve ebenfalls eine bimo-dale Verteilung der Ausscheidungsgröße festgestellt wer-den. Zusätzlich wurde mit den Messwerten der effektive Größenbereich der Ausscheidungen für den Effekt des Korngrenzenpinnens berechnet und deren Vergröberungs-verhalten mit gängigen Vergröberungstheorien verglichen.

Literatur

1. Knorr, W.; Peters, H. J.; Tacke, G.: Austenitkorngrößen von Ein-satzstählen bei Temperaturen oberhalb 925 °C, HTM, 36 (1981), pp. 129–133

2. Matrin, D. S.; Caballero, F. G.; Capdevila, C.; Garcia de Andres, C.: Austenit grain coarsening under the influence of niobium carbo-nitrides, Materials Transactions, 45 (2004), pp. 2797–2804

3. Oberhauser, F. M.: Mikrolegierte Stähle- Gefügeeinstellungund Eigenschaften; ein Beitrag zur Anwendung, Radex- Rundschau, 1 (1980), pp. 134–145

4. Liu, S.; Liao, F. C.: Precipitate stability in the heat affected zone of nitrogen-enhanced high strength low alloy steels, Materials Sci-ence and Engineering A, 24 (1998), pp. 273–283

5. Chang, K.; Feng, W.; Chen, L. Q.: Effect of second-phase mor-phology on grain growth kinetics, Acta Materialia, 57 (2009) pp. 5229–5236

Abb. 1: Transmissionselektro-nenmikroskopische Aufnahmen charakteristischer Ausscheidungen in mit Nb und Al mikrolegierten Varianten eines 18CrNiMo7 − 6 (v. l. n. r.: Aluminiumausscheidung, Niobausscheidung, komplexe NbAl- Ausscheidung)