Einfluss der Oberflächenfertigung und des Nitrierens auf den Eigenspannungszustand des warmfesten Stahls X38CrMoV5-3

Abstract

KurzfassungUm den hohen Beanspruchungen bei der Warmmassivumformung zu begegnen, werden die Oberflächen und Randbereiche der eingesetzten Werkzeuge nitriert. Durch das Nitrieren entstehen hohe Druckeigenspannungen in Oberflächennähe. Aber auch die Fertigungsbedingungen führen zu Eigenspannungen im Randbereich, die bei dem warmfesten Stahl X38CrMoV5-3 während des Nitrierens nur teilweise abgebaut werden können. In der vorliegenden Arbeit wurden Eigenspannungen an unterschiedlich gefertigten Proben gemessen, um die sich ergebenen Spannungen aus der Fertigung und der Nitrierbehandlung zu ermitteln. Die fertigungsbedingten Druck- und Zugeigenspannungen werden beim Nitrieren des Warmarbeitsstahls nicht abgebaut. Nach dem Nitrieren wurden Druckeigenspannungen von bis zu −1000 MPa gemessen.

Fertigung und Eigenspannungen*

“…Beispielsweise entstehen Eigenspannungen beim Nitrieren in der Diffusionsschicht durch eine lokale Aufweitung des Kristallgitters durch die Eindiffusion von Stickstoff [23][24][25][26] [27,28] sowie dem Laser Peening [29], der induktiven Randschichthärtung [19] und dem Plasmanitrieren [30] Fig . 3.…”

“…In der Diffusionsschicht entstehen die Eigenspannungen aufgrund des Gradienten der mit dem interstitiell gelösten Stickstoff und der während des Abschreckens ausgeschiedenen α´´-, y´-und Sondernitriden einhergehenden Volumenzunahme [23][24][25][26]38]. Aufgrund der höheren Übersättigung mit Stickstoff und der höhe-ren Abkühlgeschwindigkeit nahe der Oberfläche entsteht dort ein größer Anteil an α´´-Nitriden, während mit zunehmender Tiefe mehr y´-Nitride vorliegen [39].…”

“…Neben diesen Vorgängen haben auch die Porenbildung in der Verbindungsschicht sowie die Umverteilung des Kohlenstoffs und die spannungsinduzierte Ausscheidung von Zementit einen Einfluss auf die entstehenden Eigenspannungen [22,23,25]. Die Höhe der maximal erreichbaren Eigenspannungen wird beim Nitrieren durch Kriechprozesse bzw.…”

“…die Warmfestigkeit des Materials bestimmt. Die Lage des Eigenspannungsmaximums wird besonders durch die Umverteilung des Kohlenstoffs und eine spannungsinduzierte Ausscheidung von Zementit während des Nitrierens beeinflusst [25,35]. …”