Experimentelle und modellbasierte Untersuchung der Wirkzusammenhänge zwischen Prozessparametern und mikrostrukturellen sowie mechanischen Eigenschaften am Beispiel des trockenen Bainitisierens von 100Cr6

Kurzfassung
Die thermomechanischen Beanspruchungen der Bauteile in heutigen modernen Kraftstoffeinspritzsystemen durch hohe Drücke und Lastwechsel stellen maximale Anforderungen an die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Werkstoffe, wobei sich die Einstellung eines bainitischen Gefügezustandes im Bauteil bewährt hat. Die klassische bainitische Wärmebehandlung im Salzbad stößt jedoch aufgrund prozessbedingter Einschränkungen zunehmend an ihre Grenzen. Eine Möglichkeit zur Vermeidung der negativen Einflüsse stellt das sogenannte trockene Bainitisieren dar, ein Vakuumprozess mit anschließender Hochdruckgasabschreckung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein umfassendes Prozessverständnis für das trockene Bainitisieren am Beispiel des Stahls 100Cr6 aufgebaut. Zunächst wird mittels Dilatometer- und in situ-XRD-Messungen das bainitische Umwandlungsverhalten analysiert. Anschließend werden die Auswirkungen der Wärmebehandlungsparameter auf die resultierenden mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften anhand von REM-Untersuchungen sowie Härtemessungen, Zugversuchen, Kerbschlagversuchen und Ermüdungsversuchen untersucht und diskutiert. Gesamtprodukt dieser Arbeit ist die Identifikation der entscheidenden Parameter für eine möglichst optimale, auf die anwendungsbezogenen Anforderungen zugeschnittene Prozessführung.
Abstract
The high thermo-mechanical load on components of today’s modern fuel injection systems due to high pressure load cycles results in high requirements regarding the mechanical and microstructural properties of the materials. Steels with bainitic microstructures are the first choice to satisfy these demands. Here, the classical bainitic heat treatment with salt bath quenching is increasingly reaching its limits. The so-called dry austempering, a vacuum process followed by high pressure gas quenching, avoids the drawbacks of salt bath processes.
The goal of this work is the development of an extensive process understanding of dry austempering using the example of steel 100Cr6. For that reason, dilatometry and in situ XRD measurements are performed in the first instance to analyze the bainitic transformation behavior. The interactions between the heat treatment process parameters and the resulting microstructural and mechanical properties are investigated und discussed using SEM-analysis as well as hardness measurements, tensile tests, notch impact tests and fatigue tests. As a result, the key parameters for an optimum heat treatment process could be identified and application requirements could be met.