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Entwicklung von Austenitisch-Ferritischem Gusseisen (ADI) aus EN-JS2070: Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Oberflächenbearbeitung durch das Maschinelle Oberflächenhämmern

Scheil, Jan :
Entwicklung von Austenitisch-Ferritischem Gusseisen (ADI) aus EN-JS2070: Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Oberflächenbearbeitung durch das Maschinelle Oberflächenhämmern.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung von Austenitisch-Ferritischem Gusseisen (ADI) aus EN-JS2070: Mikrostruktur, mechanische Eigenschaften und deren Auswirkung auf die Oberflächenbearbeitung durch das Maschinelle Oberflächenhämmern
Language: German
Abstract:

Das maßgeschneiderte Material für eine Anwendung zu finden oder ein Material auf seine Anwendung hin zu optimieren, ist Inhalt zahlreicher Forschungsvorhaben. Dort wo Produktionskosten eine große Rolle spielen, wird so versucht die Effizienz eines Prozesses weiter zu erhöhen. Ein Beispiel hierfür ist die Produktion von Presswerkzeugen in der Automobilindustrie. Die Presswerkzeuge sollten zum Beispiel einen hohen Verschleißwiderstand aufweisen, um die Lebenszeit eines Automobilmodells ohne Nacharbeiten überdauern zu können. Gleichzeitig sollten die Werkzeuge möglichst kostengünstig in der Produktion sein. Der Werkstoff der hier, in der Regel, verwendet wird, ist ein perlitischer Grauguss mit globularen Graphitsphärolitausscheidungen. Dieser entspricht dem Anforderungsprofil, das an einen Werkstoff für ein Presswerkzeug gestellt wird: hohe Verschleißfestigkeit bei geringen Produktionskosten. Ein neuer Weg um den Herstellungsprozess von Umformwerkzeugen effektiver zu gestalten hat sich in den letzten Jahren in der Industrie durchgesetzt. Hierbei wird das zeitraubende manuelle Polieren der Werkzeugoberflächen durch einen maschinellen Einglättungsprozess, dem Maschinellen Oberflächenhämmern, ersetzt. Das Oberflächenhämmern - ein zyklisches Schlagen einer Hartmetallkugel auf die Werkstoffoberfläche - wird bereits heute in der Serienproduktion der Automobilindustrie verwendet. Durch Führung des Hammerkopfes mit einem Roboter können so Fräsriefen der Oberfläche vollautomatisiert eingeglättet werden. Neben der Einglättung tritt auch eine Kaltverfestigung der Oberfläche auf. Vor Verwendung dieses Verfahrens wurde die Oberfläche der Umformwerkzeuge, welche oft mehrere Quadratmeter groß ist, per Hand poliert. Um Gewicht im Automobil einzusparen werden zunehmend höherfeste Bleche verwendet. Dies hat zur Folge, dass die Belastung der Oberfläche der Presswerkzeuge ansteigt. Der herkömmlich verwendete Grauguss weist hierfür nicht mehr die nötigen Materialeigenschaften auf. Es kommt zur Schädigung der Werkzeugoberfläche beim Abpressen höherfester Bleche. Um dieses Problem zu lösen werden bisher zwei Wege verfolgt. Zum einen wird an hochbelasteten Stellen des Presswerkzeugs ein höherfester (lasergehärteter) Stahl verwendet. Zum anderen wird der Grauguss durch Laserhärten an der Oberfläche in den martensitischen Zustand überführt. Beide Wege weisen dabei Nachteile auf. Erstens sind Stähle um ein vielfaches teurer als der bisher verwendete Grauguss und zweitens macht das Laserhärten, welches einen zusätzlichen Prozessschritt darstellt, den Gesamtherstellungsprozess der Umformwerkzeuge weniger effektiv. Ein weiterer Prozessschritt bedeutet teurere Produktionskosten und des Weiteren kann es zum thermischen Verzug der Werkzeugoberfläche kommen. Die durch das Hämmern eingebrachte Kaltverfestigung der Oberfläche ist alleine jedoch nicht ausreichend, um auf die erwähnten Härtungsprozesse verzichtet zu können. Hier setzt diese Arbeit an. Ziel ist es die Mikrostruktur des bisher verwendeten Gusswerkstoffes EN-JS2070 in der Weise anzupassen, dass durch das Maschinelle Oberflächenhämmern, eine glatte und gleichzeitig ausreichend harte Oberfläche erzeugt wird. Diese Oberfläche sollte dabei deutlich härter als das Grundmaterial sein, so dass das Tiefziehen höherfester Bleche möglich wird. Die Mikrostruktur von EN-JS2070 soll in der Weise angepasst werden, dass diese auf die äußere Belastung des Hämmerns eine martensitische Oberfläche bildet. Dafür erfolgt eine zweistufige Wärmebehandlung, um das Gefüge von EN-JS2070 in ein austenitisch-ferritisches (ADI) Gefüge umzuwandeln. Es entsteht metastabiler Austenit, welcher unter Verformung in harten Martensit umwandeln kann. Die nötige Verformung soll durch das Oberflächenhämmern eingebracht werden. Dabei ergibt sich unter anderem die wissenschaftliche Fragestellung nach dem Einfluss der Wärmebehandlungsparameter (Austenitisierungstemperatur, –zeit, Ausferritisierungs-temperatur, zeit) auf die ADI-Mikrostruktur. Der Fokus liegt hier auf dem Anteil an metastabilem Austenit und dessen Kohlenstoffgehalt, da diese beiden Parameter zum einen den Anteil an erzeugbarem Martensit und zum anderen dessen Härte bestimmen. Hieraus soll eine Strategie zur optimalen thermomechanischen Behandlung des Ausgangswerkstoffes abgeleitet werden. Eine detaillierte Analyse des Einflusses von Kohlenstoff auf die Austenitstabiltität soll durch Kombination aus mikromechanischer Untersuchung und Simulation des Hämmerprozesses erreicht werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Numerous research projects try to find an optimized material for its application. Where production costs play an important role, the approach is to further increase the efficiency of a certain process. One example is the production of forming dies in automotive industry. On one hand pressing tools should have a high wear-resistance, so they can last the whole production time of a car model, without rework. On the other hand, tools should be inexpensive to manufacture. Commonly a nodular perlitic cast iron is used because it shows the requirements for a deep drawing tool material: High wear resistance and favorable price. In the last years an effective way to produce deep drawing tools has been established in industry. Time consuming manual polishing of tool surfaces has been replaced by a mechanical surface treatment, machine hammer peening (MHP). MHP, periodic impact of a hard metal ball onto the tool surface, is already used in automotive industry (serial production). By moving a hammer head with a robot milling traces of tool surfaces can be smoothed down automatically. In addition the surface is cold worked. Before that, tool surfaces have been polished by hand. There is an increased use of high strength steels due to the demand of weight reduction of cars. This causes an increased loading of tool surfaces. For this reason tool surface out of commonly used grey cast iron can be damaged during pressing of these high strength steels. To solve this problem tool surfaces are either laser hardened or a high strength (martensitic) steel is used at heavy loaded parts. However both processes show disadvantages. First high strength steels are more expensive than a grey cast iron a secondly laser hardening is an additional process step making production of deep drawing tools less effective. Furthermore thermal distortion of the tool surface can be observed. Cold working by machine hammer peening alone is not high enough to replace the hardening process. This is where this work sets in. Aim of this work is to modify the microstructure of well-known cast iron EN-JS2070 in a way that smooth and hard surfaces can be produced by MHP. Hardness of the tool surface should be a lot harder than that of the base material so that pressing of deep drawing tools becomes feasible. In order to achieve the goal the microstructure of EN-JS2070 should be modified in a way that a martensitic surface results out of the MHP process. A two-step heat treatment is used to change the perlitic microstructure of the matrix to an austenitic-ferritic (ADI) microstructure. Metastable austenite is formed which can be transformed to martensite by deformation which will be induced by MHP. Scientific research question is how ADI microstructure is influenced by heat treatment parameters (austenititzing temperature, - time, austempering temperature, -time) especially on the amount of metastable austenite and its carbon content. These parameters determine the resulting amount of martensite and its hardness. On this basis an optimized thermomechanical treatment for EN-JS2070 is proposed. Detailed analysis on the influence of carbon on austenite stability by a combination of micromechanical testing and simulation of MHP process will be performed.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physical Metallurgy
Date Deposited: 28 Apr 2016 13:26
Last Modified: 28 Apr 2016 13:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54232
Referees: Müller, Prof. Dr. Clemens and Oechsner, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 19 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5423
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