Abstract
Low-pressure carburizing (LPC) is a recipe-controlled process for surface layer hardening. These recipes are mainly based on experience and contain the process parameters used to achieve the desired hardening result. The process parameters influence the chemical gradients which have set in the boundary layer, the local microstructure and the depth distribution of the process-induced residual stresses. Within the scope of this work, a systematic parameter study and advanced characterization was carried out to quantify the influence of these process parameters on the resulting material state. The varied parameters include the carburizing temperature, the hardening temperature, the quenching rate as well as the number of repetitions and durations of the carburizing cycles’ steps. The results obtained should help to extend the fundamental process understanding of the LPC process. The analyses showed that the retained austenite content and its depth profile change significantly for certain process parameter variations, reaching contents of up to 45 vol% in the near-surface region. The differences regarding the residual stress states of the case-hardened samples can first and foremost be related to the formation of varying depth distributions of the retained austenite.
Kurzfassung
Das Niederdruckaufkohlen (LPC) ist ein rezeptgesteuertes Verfahren zur Randschichthärtung. Diese Rezepte basieren häufig auf Erfahrungswerten und umfassen die zu verwendenden Prozessparameter, um das gewünschte Härtungsergebnis zu erzielen. Die Prozessparameter beeinflussen die sich oberflächennah einstellenden chemischen Gradienten, die lokale Mikrostruktur und die Tiefenverteilung der prozessinduzierten Eigenspannungen. Um den Einfluss der Prozessparameter auf den resultierenden Werkstoffzustand genauer quantifizieren zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine systematische Parameterstudie mit einer erweiterten Charakterisierung der Zustände durchgeführt. Die variierten Parameter umfassen die Aufkohltemperatur, die Härtungstemperatur, die Abschreckrate und die Anzahl sowie Dauer der jeweiligen Aufkohlzyklen. Die ermittelten Ergebnisse sollen dazu beitragen, das grundlegende LPC-Prozessverständnis zu erweitern. Die Untersuchungen zeigen, dass sich der Restaustenitgehalt und sein Tiefenverlauf bei bestimmten Parametervariationen maßgeblich unterscheiden und Werte von bis zu 45 Vol.-% im oberflächennahen Bereich erreicht werden. Die Unterschiede hinsichtlich der resultierenden Eigenspannungszustände hängen an erster Stelle von den verschiedenen Restaustenittiefenverläufen ab.
Acknowledgements
The authors would like to thank the German Research Foundation (DFG) for funding this research under the collaborative project EP-128/2-1-|GI-376/15-1 (DFG project no. 399551201). Furthermore, the authors thank Dipl.-Ing. N. Simon and M. Sc. F. Lang for their support concerning the hole drilling method, Dipl.-Ing. S. Ohneseit for his assistance in the supervision of our former graduate student P. Ho, I. Bunjes for his supervision of the carburizing process, Dipl.-Phys. E. Matthaei-Schulz for the acquisition of the SOES and GDOES data and M. Nagel for her metallographical support.
Danksagung
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung dieser Arbeit im Rahmen des Verbundprojektes EP-128/2-1-|GI-376/15-1 (DFG-Projekt-Nr. 399551201). Des Weiteren danken die Autoren Dipl.-Ing. N. Simon und M. Sc. F. Lang für ihre Unterstützung bei der Bohrlochmethode, Dipl.-Ing. S. Ohneseit für seine Hilfe bei der Betreuung unserer ehemaligen Abschlussarbeiterin P. Ho, I. Bunjes für die Betreuung des Aufkohlungsprozesses, Dipl.-Phys. E. Matthaei-Schulz für die Erfassung der SOES- und GDOES-Daten und M. Nagel für ihre metallographische Unterstützung.
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Author contributions
All authors have accepted responsibility for the entire content of this manuscript and approved its submission.
Conceptualization: M. Z. and J. G.; validation: M. Z., O. T., J. E. and J. G.; data acquisition: M. Z., O. T. and P. H; data evaluation: M. Z. and O. T.; resources: J. E. and J. G.; writing – original draft preparation: M. Z.; writing – review and editing: M. Z., J. G., O. T. and J. E.; visualization: M. Z.; supervision: J. E. and J. G.; project administration: J. E. and J. G.; funding acquisition: J. E. and J. G..
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Autorenbeiträge
Alle Autoren haben die Verantwortung für den gesamten Inhalt dieses Manuskripts übernommen und dessen Einreichung zugestimmt.
Konzeptualisierung: M. Z. und J. G.; Validierung: M. Z., O. T., J. E. und J. G.; Datenerfassung: M. Z., O. T. und P. H.; Datenauswertung: M. Z. und O. T.; Ressourcen: J. E. und J. G.; Schreiben – Vorbereitung des ursprünglichen Entwurfs: M. Z.; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung: M. Z., J. G., O. T. und J. E.; Visualisierung: M. Z.; Aufsicht: J. E. und J. G.; Projektverwaltung: J. E. und J. G.; Finanzierungsbeschaffung: J. E. und J. G..
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