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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter June 21, 2022

Duplex Heat Treatment of a Precipitation Hardening Carburising Steel

Duplex-Wärmebehandlung eines ausscheidungshärtenden Aufkohlungsstahls
S. I. Böhle, V. Strobl, J. Lechleitner and R. Schnitzer

Abstract

This article reports the microstructural development of a molybdenum and copper alloyed steel by different thermochemical heat treatments for gears and shafts in automotive applications. The case hardening is compared to a duplex heat treatment consisting of carburising, ageing and plasma nitriding. This study evaluates the microstructure, the surface hardness and hardness profiles. For all applied heat treatment routes, the ageing conditions have a minor influence on the case and core hardness compared to the influence of the carbon concentration. Retained austenite fractions decreased to < 5 % in all duplex heat-treated samples without cryogenic treatment. Material characterisation with optical light microscopy and scanning electron microscopy indicate unwanted phases of nitrogen and carbon-rich precipitates at the grain boundaries after duplex heat treatment. Therefore, the sequence of duplex heat treatment is changed to carburising followed by solely plasma nitriding where the unwanted precipitates are detected only up to a depth of 15‒20 μm from the compound layer.

Kurzfassung

Dieser Artikel berichtet über die mikrostrukturelle Entwicklung eines molybdän- und kupferlegierten Stahls durch verschiedene thermochemische Wärmebehandlungen für Zahnräder und Wellen in Automobilanwendungen. Die Einsatzhärtung wird mit einer Duplex-Wärmebehandlung, bestehend aus Aufkohlung, Anlassen und Plasmanitrierung, verglichen. In dieser Studie werden das Mikrogefüge, die Oberflächenhärte und die Härteprofile bewertet. Bei allen angewandten Wärmebehandlungsverfahren haben die Anlassbedingungen einen geringeren Einfluss auf die Einsatz- und Kernhärte als der Einfluss der Kohlenstoffkonzentration. Der Restaustenitanteil ging bei allen wärmebehandelten Duplex-Proben ohne Tieftemperaturbehandlung auf < 5 % zurück. Die Werkstoffcharakterisierung mit optischer Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie deutet auf unerwünschte Phasen von stickstoff- und kohlenstoffreichen Ausscheidungen an den Korngrenzen nach der Duplex-Wärmebehandlung hin. Daher wird die Reihenfolge der Duplex-Wärmebehandlung auf Aufkohlen und anschließendes Plasmanitrieren geändert, wobei die unerwünschten Ausscheidungen nur bis zu einer Tiefe von 15‒20 μm ab der Verbindungsschicht festgestellt werden.

Acknowledgements

This work has been greatly supported by Maria Jose Cuevas Alonso, Markus Müller and Dr. Jens Schaufler who assisted with the GDOES, XRD measurements and SEM analyses. Thomas Fischer (MU Leoben) assisted with the retained austenite measurements. Further, we would like to thank Benedict Lützenburg, Markus Benjamin Wilms, Rene Reich, Christoph Trieb and Narcis Kohlen for additional support and helpful discussion in assistance for publishing this paper.

Danksagung

Diese Arbeit wurde maßgeblich von Maria Jose Cuevas Alonso, Markus Müller und Dr. Jens Schaufler unterstützt, die bei GDOES, XRD-Messungen und REM-Analysen behilflich waren. Thomas Fischer (MU Leoben) assistierte bei den Messungen des Restaustenits. Des Weiteren möchten wir Benedict Lützenburg, Markus Benjamin Wilms, Rene Reich, Christoph Trieb und Narcis Kohlen für zusätzliche Unterstützung und hilfreiche Diskussionen bei der Veröffentlichung dieser Arbeit danken.

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Published Online: 2022-06-21
Published in Print: 2022-06-30

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