Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an...

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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen durch induktive Wärmebehandlung

Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe

Dresden, den 15.09.2015

Dipl.-Ing. Alexander Tump [Mubea Fahrwerksfedern GmbH]

Prof. Dr. Robert Brandt [Universität Siegen – Lehrstuhl für Werkstoffsysteme und Fahrzeugleichtbau]

� Untersuchtes Material (Eigenschaften, Einsatzgebiete und Anforderungen)

� Konzept der funktionalen Gradierung - Surface Layer Modification (SLM)

� Bruchmechanische Untersuchungen − Probenpräparation und Prüfbedingungen− Risswachstum (Paris-Gebiet)− Bruchzähigkeit KIC

� Anwendungsbeispiel SLM bei Tragfedern− Eigenspannungen− Schwingungsrisskorrosion− Spannungsrisskorrosion

� Zusammenfassung und Ausblick

15.09.2015 Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe 2

Inhaltsübersicht

Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen

15.09.2015 Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe 3

Untersuchtes Material


� Materialeigenschaften

− Silizium-Chrom Stahl (Super-Clean)

− Zugfestigkeiten: 1.700 MPa bis 2.200 MPa

− Martensitisches Gefüge, induktiv Vergütet

− Korngröße zwischen G10 und G11

� Einsatzbereich des Materials

− Tragfedern, Ventilfedern, …

� Produktanforderungen (Tragfedern)

− Hohe, zyklische Belastbarkeit

− Geringes Gewicht (ungefederte Massen)

− Setzfestigkeit (Längenverlust über Zeit)

− Korrosionsresistent (Tragfedern)

Werkstoffanforderungen

� Höchstfest und Duktil

� Kerbunempfindlichkeit

� Korrosionsresistent

Konzept der Surface Layer Modification (SLM)

4

� Konzept: Surface Layer Modification (SLM)

* DIN EN ISO 18265

RandHärte = 520 HV(Rm ~ 1.700 MPa*)

ZugversuchRm = 2.025 MPa (Härte ~ 625 HV*)

KernHärte = 650 HV(Rm ~ 2.100 MPa*)

Draht-Ø

500

550

600

650

Rand KernAbstand zur Oberfläche in mm

Härte in

HV

„harter“ Kern

„weicher“ Rand

T2

Vergüten SLM Abschrecken

H2OT1

� Ziel

− Erhöhung der Beanspruchbarkeit

� Erzeugung des Härtegradienten

HomogenSLM


Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015

− Reduktion der Randhärte zur Steigerung der Bruchzähigkeit KIC

− Optimierung der Eigenspannungen (Tiefer reichende Druck-eigenspannungen)

− Steigerung der Kernhärte zur Sicherstellung der Setzfestigkeit(Setzverlust = Längenverlust einer Feder über Zeit)

− Anpassung der Kernhärte im Vergüteprozess T1

− Erzeugung der weicheren Randzone durch eine zusätzliche,induktive Wärmebehandlung T2

SAE4063

SAE4140

1000

600

400

800

226 293 388 515 694 940

748 969 1284 1704 2297 3111

Zugfestigkeit in MPa

Härte Vickers HV

Erm

üd

un

gsl

imit

in M

Pa

5

� Kritische Festigkeit kann bei hochfesten Werkstoffen erreicht werden →Werkstoff ist zu spröde bzw. nicht mehr duktil genug


Konzept der Surface Layer Modification (SLM)


Stand der Technik bei Tragfedern(Festigkeit ca. 2.000 MPa)

1. Härteprofil Draht vor Umformung

2. Härteprofil Draht (Feder) nach Umformung

■kritische Verfestigung■Verfestigung mit SLM

Quelle: Nach Garwood et al., 1951; Umlaufbiegeprüfung an glatten, ungekerbten Proben

Zugfestigkeit in MPa

Härte Vickers in HV

Dau

erfestigkeit in

MPa

15.09.2015 6


BRUCHMECHANISCHE

UNTERSUCHUNGEN


� Probenpräparation aus fertig vergütetem Draht-Walzdrahtring aus Chargenmitte- Draht auf Längs- und Querfehler geprüft

(Circograph® und Defectomat® der Fa. Foester)

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Probenpräparation und Prüfbedingungen


� Probenform: SENB-Proben (Single Edge Notched Beam)

� Schwellwert Kth und Paris-Parameter (m, C) - ASTM E647-08- Resonanzprüfmaschine (Cracktronic, Fractomat der Fa. Rumul)

- 4-Punkt-Biegung- Spannungsverhältnis R=0,2

� Bruchzähigkeit KIC

- ASTM E399-12; - Anschwingen unter 4-Punkt-Biegung - Kerbaufweitungsversuch unter 3-Punkt-Biegung

(Servohydraulisches Prüfsystem MTS793 der Fa. MTS)

dDraht = 17 mm

Probenpräparation aus Draht:

Kerb

8


Probenpräparation und Prüfbedingungen


Probenpräparation der Gradientenproben

mech.Kerb

Anschwingen eines “scharfen“ Anrisses

Prüfbereich(z.B. Ermittlung der Paris-Parameter)

Draufsicht auf Probe

Phase 1

Phase 2

1) Definieren eines Ziel-Härteprofils- Soll-Härteprofil startet ab Ende des scharfen

Anrisses

mit zu beachten:- Probengeometrie (insb. der mechanische

Kerb und der Anriss)- Fertigung der Probe aus Draht

2) Vergüten des Drahtes auf Kernhärte (Phase 1)

3) Gezieltes Entfestigen durch zusätzliche, induktive Wärmebehandlung (Phase 2)- Gezielte Temperaturführung - Nutzung des Skin-Effekts- Angepasste und geregelte Abkühlung

Nachteile:- Einstellbarkeit der Gradiententiefe und -steigung

sind durch Wärmeleitung und Erwärm- bzw. Abkühlleistung begrenzt.

Bearbeitungsbereich

Legende: Regressionsgerade Messpunkt Ziel-Profil

Abstand in mm

Härte in HV5

Material 1.700 MPa

Zugfestigkeit [MPa] Rm 1.690

Anzahl der Werte N 1.878

Paris-Gerade

m 2,58

C 1,83E-11

log (C) -10,74

Bestimmtheitsmaß [%] R2 96,1

Standardabweichung S 0,14

untere KI-Grenze der Parisgerade

moKI 2,55

CoKI 1,69E-11

obere KI-Grenze der Parisgerade

moKI 2,604

CoKI 1,98E-11

9



Risswachstum (Paris-Gebiet)

Nichtlineare Bereich wird für „Paris-Auswertung“ entfernt.

1) Überlagerung mehrerer Messungen

2) Statistische Auswertung (Minitab® 17.2.1)

3) Bildung der Regressionsgeraden mit Methode der kleinsten Fehlerquadrate (Minitab® 17.2.1)

4) Ermittlung der Paris-Parameter

8 16 24 32 40 48 565,E-09

5,E-08

5,E-07

da/d

Nin

m/Z

yklu

s (

log

)

∆K in MPa√m (log)

1.700 MPa

1.900 MPa

2.000 MPa

2.100 MPa

2.200 MPa

10

� Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit steigt bei höherer Festigkeit an (Parallelverschiebung und leichte Verkippung der Paris-Geraden)



Risswachstum (Paris-Gebiet)

� Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit des Gradientenstahls startet wie bei “niedriger” Festigkeit (weiche Randzone) und beschleunigt immer stärker, mit ansteigender Festigkeit.

8 16 24 32 40 48 565,E-09

5,E-08

5,E-07

da/d

Nin

m/Z

yklu

s (

log

)

∆K in MPa√m (log)

1.700 MPa

1.900 MPa

2.000 MPa

2.100 MPa

2.200 MPa

SLM (2.025 MPa)

0

20

40

60

80

100

120

1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300

Bruch

zähigke

it K

ICin M

Pa√m

Zugfestigkeit Rm in MPa

0

10

20

30

40

50

60

0

20

40

60

80

100

120

1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300

Bruch

einschnürung Z in

%

Bruch

zähigke

it K

ICin M

Pa√m


0

10

20

30

40

50

60

0

20

40

60

80

100

120

1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300

Bruch

einschnürung Z in

%

Bruch

zähigke

it K

ICin M

Pa√m


0

10

20

30

40

50

60

0

20

40

60

80

100

120

1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300

Bruch

einschnürung Z in

%

Bruch

zähigke

it K

ICin M

Pa√m

Zugfestigkeit normiert Rm in MPa

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Bruchzähigkeit KIC


� Die Bruchzähigkeit KIC nimmt mit steigender Zugfestigkeit Rm ab.

SLM-Randfestigkeit SLM-Kernfestigkeit

SLM integrale Festigkeit

ZSLM

KIC-SLM

Probe Nr. K1C

[MPa√m]

1 SLM 111

2 SLM 94

3 SLM 100

� Die Brucheinschnürung Z sinkt mit steigender Zugfestigkeit Rm.→ Bruchzähigkeit KIC und Brucheinschnürung Z scheinen sich zu korrelieren.

� SLM besitzt eine ausgezeichnete Brucheinschnürung Z und Bruchzähigkeit KIC.→ Der Mechanismus, warum die Zähigkeit deutlich stärker als vermutet ansteigt ist

noch nicht geklärt.

100niedrig

106 113 119 125 131 138 144hoch

15.09.2015 12


ANWENDUNGSBEISPIEL

SLM BEI TRAGFEDERN


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Anwendungsbeispiel SLM bei Tragfedern

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

0 100 200 300 400

Eig

ensp

annungen in M

Pa

Abtragstiefe in µm

Eigenspannungsprofil (Messrichtung-45°)

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

0 100 200 300 400

Eig

ensp

annungen in M

Pa

Abtragstiefe in µm

Eigenspannungsprofil (Messrichtung-45°)

homogen

gradiert (SLM)

� Verbesserung des Eigenspannungs-profils in der Tiefe beim Verfestigungs-strahlen

− Höhere Druckeigenspannungen beifortschreitender Korrosion

− Höhere Druckeigenspannungen aninneren Einschlüssen

� Die Gradierung (SLM) optimiert das Eigenspannungsprofil in der randnahen Zone.

Federprobe, Messrichtung -45°Zug

(„negativ“)

Druck(„positiv“) KernRand

� Schwingungsrisskorrosion

-systematische Vorschädigung der Beschichtung-24 h: Salzsprühnebel, Heißtrocknen, Tauchen im Salzbad und Trocknen-150.000 LW mit Prüfhub-Prüfung bis zum Bruch-Auswertung der Anzahl der Zyklen

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Anwendungsbeispiel SLM bei Tragfedern


0

1

2

3

4

Zyk

len bis zum Bruch

54SiCr6 54SiCr6 + SLM

54SiCr6 54SiCr6 + SLM

0

10

20

30

Tage

bis zum Bruch

40

� Spannungsrisskorrosion

-unbeschichtete Federn-vorgespannt in verdünnte Schwefelsäure-Prüfung bis zum Bruch-Auswertung der Zeitdauer in Tagen

� Die gezielte Gradierung (SLM) kann die Korrosionsresistenz steigern und somit die Produktperformance erhöhen.

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Steigert die Lebensdauer von zyklisch beanspruchten Bauteilen unter Korrosion



Zusammenfassung und Ausblick

� SLM basiert auf ...– reduzierter Randhärte mit erhöhter Kernfestigkeit

� SLM ...– vermeidet kritische Verfestigung (z.B. durch Umformung)– steigert die Bruchzähigkeit in der Randzone– reduziert die Rissausbreitungsgeschwindigkeit in der Randzone– verbessert eingebrachte Druckeigenspannungen

� SLM steigert die ...– die Lebensdauer bei Schwingungsrisskorrosion– die Lebensdauer unter Spannungsrisskorrosion

� Untersucht wurden …– homogene und gradierte Proben (ohne Korrosion)– homogene und gradierte Bauteilen (Tragfedern)

Prüfung mit In-Situ-Korrosion

� Ausblick …− homogene und gradierte Proben (mit Korrosion)

Materials Science Engineering (MSE) 201421.10.2015 16

THANK YOUVielen Dank an den ˮEuropäischen Fonds für regionale Entwicklung” (EFRE) für die Unterstützung des Projekts

Vielen Dank an den ˮLehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfungˮ (Universität Siegen, Prof. Dr.-Ing. H.-J. Christ) für die Unterstützung bei den bruchmechanischen Untersuchungen.

Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten

Federstählen durch induktive Wärmebehandlung

Dipl.-Ing. Alexander Tump [Mubea Fahrwerksfedern GmbH]Prof. Dr. Robert Brandt [Universität Siegen – Lehrstuhl für Werkstoffsysteme und Fahrzeugleichtbau]

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