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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter September 4, 2021

Experimental and Numerical Investigation of the Surface Layer Conditions after Carbonitriding of Powder Metallurgical Steels. Part 2: Surface Layer States in Components of Graded Porosity

Experimentelle und numerische Untersuchung der Randschichtzustände nach dem Carbonitrieren pulvermetallurgischer Stähle. Teil 2: Randschichtzustände in gradiert porösen Bauteilen
  • J. M. Damon EMAIL logo , S. Pulvermacher , S. Dietrich and V. Schulze

Abstract

Case hardening processes such as carbonitriding can be used to improve the performance of powder metallurgical (PM) structural components. The partially open porosity of these components leads to a significant increase in diffusion, which in turn leads to a change in the element gradient in the surface layer (and consequently the surface layer state) compared to melting metallurgic materials. Within the scope of a two-part work, the surface layer states in common densities are investigated after the case hardening process. The present part 2 comprises the characterisation of the resulting surface layer states depending on the carbon and nitrogen profile and the tempering heat treatment. Through the deep rolling and the subsequent carbonitriding treatment, hardness of up to 850 HV0.1, retained austenite contents of up to 25 vol-% and residual stresses of up to –300 MPa are determined across densities. The extensions to the numerical models described in this paper enable the FE model to predict the surface layer states in a wide range of process combinations and densities with an error tolerance of ±20 %.

Kurzfassung

Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von pulvermetallurgischen (PM) Strukturbauteilen können Einsatzhärteverfahren wie das Carbonitrieren eingesetzt werden. Die zum Teil offene Porosität dieser Bauteile führt zu einer signifikanten Steigerung der Diffusion, die wiederum zu einer Veränderung des Elementgradienten in der Randschicht im Vergleich zu schmelzmetallurgischen Werkstoffen führt. Im Rahmen einer zweiteiligen Arbeit werden die Randschichtzustände in für PM-Stahl gängigen Dichten nach dem Prozess des Einsatzhärtens untersucht. Der vorliegende Teil 2 umfasst die Charakterisierung der resultierenden Randschichtzustände (Mikrohärte, Restaustenit, Eigenspannungen) in Abhängigkeit des Kohlen- und Stickstoffprofils und der Anlasswärmebehandlung. Durch die Festwalzbehandlung und die anschließende Carbonitrierbehandlung konnten dichteübergreifend Härten von bis zu 850 HV0,1, Restaustenitanteile von bis zu 25 Vol-% und Eigenspannungen von bis zu −300 MPa festgestellt werden. Durch die in dieser Arbeit beschriebenen Erweiterungen der numerischen Modelle kann das FE-Modell die Randschichtzustände in einer Vielzahl an Prozesskombinationen und Dichten mit einer Fehlertoleranz von ±20 % prognostizieren.

9

9 Acknowledgement

The IGF project (19887 N) of the research association Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e.V. (AWT) was supported by the German Federation of Industrial Research Associations „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) within the framework of the programme for the promotion of joint industrial research and development (IGF) by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) on the basis of a resolution of the German Bundestag. The authors gratefully acknowledge the financial support of the project. Additional thanks go to Höganäs AB for providing the powder metallurgical samples and to Dr. Holger Surm from Leibniz-IWT Bremen for carrying out the case hardening heat treatments and for the intensive scientific exchange.

9

9 Danksagung

Das IGF-Vorhaben (19887 N) der Forschungsvereinigung Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e.V. (AWT) wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen ”Otto von Guericke” e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung des Vorhabens. Zusätzlicher Dank gilt Höganäs AB für die Bereitstellung der pulvermetallurgischen Proben sowie Dr. Holger Surm vom Leibniz-IWT Bremen für die Durchführung der Einsatzhärte-Wärmebehandlungen und den intensiven wissenschaftlichen Austausch.

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Published Online: 2021-09-04
Published in Print: 2021-08-31

© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, Germany

Downloaded on 21.2.2024 from https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/htm-2021-0009/pdf
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