Carbonitrieren von Warmarbeitsstählen* Translated title: Carbonitriding of Hot Working Steels

Kurzfassung

Um den hohen Beanspruchungen bei der Warmmassivumformung zu begegnen, werden die Randbereiche der eingesetzten Werkzeuge nitriert. In vorangegangenen Untersuchungen zu nitrierten Gesenken zeigte sich, dass die Verschleißtiefe an kritischen Stellen deutlich über der Nitrierhärtetiefe lag. Eine Steigerung der Nitrierhärtetiefe ist durch Nitrierdauern von mehreren hundert Stunden in den meisten Fällen jedoch unwirtschaftlich. Eine Möglichkeit, die Randschicht der Werkzeuge mit einem erhöhten Verschleißwiderstand und einer höheren Warmfestigkeit in wirtschaftlichen Zeiten auszustatten, ist das Carbonitrieren, bei dem die Eindiffusion der Elemente Stickstoff und Kohlenstoff bei höheren Temperaturen erfolgt. Das Carbonitrieren wird üblicherweise für Bauteile aus unlegierten und niedriglegierten Stählen mit Kohlenstoffgehalten unter 0,25 % angewendet, um deren Randschichteigenschaften zu verbessern und kostspieligere, höher legierte Werkstoffe zu ersetzen. Bei der Entwicklung des Carbonitrierens für Warmarbeitsstähle sind die Verhältnisse und auch die Zielrichtung grundlegend anders. Durch den hohen Legierungsanteil besteht hier die Möglichkeit, schwerpunktmäßig feinverteilte Sondernitride und Sondercarbonitride der Legierungselemente auszuscheiden, die den Verschleißwiderstand steigern und temperaturstabil sind. Obwohl das Carbonitrieren auch für Warmarbeitsstähle Potenzial zur Verbesserung der Randschichteigenschaften birgt, liegen bisher wenige Untersuchungen mit diesem Fokus vor. In der vorliegenden Arbeit wurden grundlegende experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Carbonitrieren der Warmarbeitsstähle X38CrMoV5-3 und 55NiCrMoV7 durchgeführt, um die Behandlungsparameter zu erarbeiten, die zu verschleißfesten und temperaturstabilen Randschichten mit feinverteilten Ausscheidungen führen.

Abstract

In order to withstand the rough operation conditions, the surfaces and boundary areas of forging dies are nitrided. In former investigations of nitrided dies it was shown that the depth of abrasive wear at the critical parts of the dies is much deeper than the nitriding depth. However, a further increase in nitriding depth is, in most cases, uneconomic since it would require treatment times of several hundreds of hours. Another possibility to increase the wear resistance and heat resistance of the boundary layer is to use carbonitriding. The diffusion of carbon and nitrogen then occurs at higher temperatures so that deeper hardening depths can be obtained in economic treatment times. Carbonitriding is typically used for components made of un- or low-alloyed steels, with carbon contents lower than 0.25 %. The aim of the carbonitriding treatment is then an improvement of the properties like hardenability, surface hardness, wear resistance, fatigue strength, and tempering resistance of the carbonitrided layer allowing replacement of more expensive high-alloy steels. On the development of carbonitriding treatments for hot working tool steels the initial situation and the focus is completely different. The high contents of alloying elements allow formation of finely distributed nitrides and carbonitrides, which are stable at the elevated temperatures during service and which can improve the wear resistance. Although carbonitriding provides a high potential to improve properties of the surface area of hot working steels, there are only few investigations with this aim. The investigations of the present work concern the development of carbonitriding treatments for the hot working tool steels X38CrMoV5-3 and 55NiCrMoV7, aiming at generating finely distributed precipitations providing wear-resistant and thermally stable surface layers.