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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen durch induktive Wärmebehandlung
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe
Dresden, den 15.09.2015
Dipl.-Ing. Alexander Tump [Mubea Fahrwerksfedern GmbH]
Prof. Dr. Robert Brandt [Universität Siegen – Lehrstuhl für Werkstoffsysteme und Fahrzeugleichtbau]
� Untersuchtes Material (Eigenschaften, Einsatzgebiete und Anforderungen)
� Konzept der funktionalen Gradierung - Surface Layer Modification (SLM)
� Bruchmechanische Untersuchungen − Probenpräparation und Prüfbedingungen− Risswachstum (Paris-Gebiet)− Bruchzähigkeit KIC
� Anwendungsbeispiel SLM bei Tragfedern− Eigenspannungen− Schwingungsrisskorrosion− Spannungsrisskorrosion
� Zusammenfassung und Ausblick
15.09.2015 Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe 2
Inhaltsübersicht
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
15.09.2015 Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe 3
Untersuchtes Material
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
� Materialeigenschaften
− Silizium-Chrom Stahl (Super-Clean)
− Zugfestigkeiten: 1.700 MPa bis 2.200 MPa
− Martensitisches Gefüge, induktiv Vergütet
− Korngröße zwischen G10 und G11
� Einsatzbereich des Materials
− Tragfedern, Ventilfedern, …
� Produktanforderungen (Tragfedern)
− Hohe, zyklische Belastbarkeit
− Geringes Gewicht (ungefederte Massen)
− Setzfestigkeit (Längenverlust über Zeit)
− Korrosionsresistent (Tragfedern)
Werkstoffanforderungen
� Höchstfest und Duktil
� Kerbunempfindlichkeit
� Korrosionsresistent
Konzept der Surface Layer Modification (SLM)
4
� Konzept: Surface Layer Modification (SLM)
* DIN EN ISO 18265
RandHärte = 520 HV(Rm ~ 1.700 MPa*)
ZugversuchRm = 2.025 MPa (Härte ~ 625 HV*)
KernHärte = 650 HV(Rm ~ 2.100 MPa*)
Draht-Ø
500
550
600
650
Rand KernAbstand zur Oberfläche in mm
Härte in
HV
„harter“ Kern
„weicher“ Rand
T2
Vergüten SLM Abschrecken
H2OT1
� Ziel
− Erhöhung der Beanspruchbarkeit
� Erzeugung des Härtegradienten
HomogenSLM
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
− Reduktion der Randhärte zur Steigerung der Bruchzähigkeit KIC
− Optimierung der Eigenspannungen (Tiefer reichende Druck-eigenspannungen)
− Steigerung der Kernhärte zur Sicherstellung der Setzfestigkeit(Setzverlust = Längenverlust einer Feder über Zeit)
− Anpassung der Kernhärte im Vergüteprozess T1
− Erzeugung der weicheren Randzone durch eine zusätzliche,induktive Wärmebehandlung T2
SAE4063
SAE4140
1000
600
400
800
226 293 388 515 694 940
748 969 1284 1704 2297 3111
Zugfestigkeit in MPa
Härte Vickers HV
Erm
üd
un
gsl
imit
in M
Pa
5
� Kritische Festigkeit kann bei hochfesten Werkstoffen erreicht werden →Werkstoff ist zu spröde bzw. nicht mehr duktil genug
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Konzept der Surface Layer Modification (SLM)
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
Stand der Technik bei Tragfedern(Festigkeit ca. 2.000 MPa)
1. Härteprofil Draht vor Umformung
2. Härteprofil Draht (Feder) nach Umformung
■kritische Verfestigung■Verfestigung mit SLM
Quelle: Nach Garwood et al., 1951; Umlaufbiegeprüfung an glatten, ungekerbten Proben
Zugfestigkeit in MPa
Härte Vickers in HV
Dau
erfestigkeit in
MPa
15.09.2015 6
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
BRUCHMECHANISCHE
UNTERSUCHUNGEN
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe
� Probenpräparation aus fertig vergütetem Draht-Walzdrahtring aus Chargenmitte- Draht auf Längs- und Querfehler geprüft
(Circograph® und Defectomat® der Fa. Foester)
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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Probenpräparation und Prüfbedingungen
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
� Probenform: SENB-Proben (Single Edge Notched Beam)
� Schwellwert Kth und Paris-Parameter (m, C) - ASTM E647-08- Resonanzprüfmaschine (Cracktronic, Fractomat der Fa. Rumul)
- 4-Punkt-Biegung- Spannungsverhältnis R=0,2
� Bruchzähigkeit KIC
- ASTM E399-12; - Anschwingen unter 4-Punkt-Biegung - Kerbaufweitungsversuch unter 3-Punkt-Biegung
(Servohydraulisches Prüfsystem MTS793 der Fa. MTS)
dDraht = 17 mm
Probenpräparation aus Draht:
Kerb
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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Probenpräparation und Prüfbedingungen
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
Probenpräparation der Gradientenproben
mech.Kerb
Anschwingen eines “scharfen“ Anrisses
Prüfbereich(z.B. Ermittlung der Paris-Parameter)
Draufsicht auf Probe
Phase 1
Phase 2
1) Definieren eines Ziel-Härteprofils- Soll-Härteprofil startet ab Ende des scharfen
Anrisses
mit zu beachten:- Probengeometrie (insb. der mechanische
Kerb und der Anriss)- Fertigung der Probe aus Draht
2) Vergüten des Drahtes auf Kernhärte (Phase 1)
3) Gezieltes Entfestigen durch zusätzliche, induktive Wärmebehandlung (Phase 2)- Gezielte Temperaturführung - Nutzung des Skin-Effekts- Angepasste und geregelte Abkühlung
Nachteile:- Einstellbarkeit der Gradiententiefe und -steigung
sind durch Wärmeleitung und Erwärm- bzw. Abkühlleistung begrenzt.
Bearbeitungsbereich
Legende: Regressionsgerade Messpunkt Ziel-Profil
Abstand in mm
Härte in HV5
Material 1.700 MPa
Zugfestigkeit [MPa] Rm 1.690
Anzahl der Werte N 1.878
Paris-Gerade
m 2,58
C 1,83E-11
log (C) -10,74
Bestimmtheitsmaß [%] R2 96,1
Standardabweichung S 0,14
untere KI-Grenze der Parisgerade
moKI 2,55
CoKI 1,69E-11
obere KI-Grenze der Parisgerade
moKI 2,604
CoKI 1,98E-11
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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
Risswachstum (Paris-Gebiet)
Nichtlineare Bereich wird für „Paris-Auswertung“ entfernt.
1) Überlagerung mehrerer Messungen
2) Statistische Auswertung (Minitab® 17.2.1)
3) Bildung der Regressionsgeraden mit Methode der kleinsten Fehlerquadrate (Minitab® 17.2.1)
4) Ermittlung der Paris-Parameter
8 16 24 32 40 48 565,E-09
5,E-08
5,E-07
da/d
Nin
m/Z
yklu
s (
log
)
∆K in MPa√m (log)
1.700 MPa
1.900 MPa
2.000 MPa
2.100 MPa
2.200 MPa
10
� Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit steigt bei höherer Festigkeit an (Parallelverschiebung und leichte Verkippung der Paris-Geraden)
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
Risswachstum (Paris-Gebiet)
� Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit des Gradientenstahls startet wie bei “niedriger” Festigkeit (weiche Randzone) und beschleunigt immer stärker, mit ansteigender Festigkeit.
8 16 24 32 40 48 565,E-09
5,E-08
5,E-07
da/d
Nin
m/Z
yklu
s (
log
)
∆K in MPa√m (log)
1.700 MPa
1.900 MPa
2.000 MPa
2.100 MPa
2.200 MPa
SLM (2.025 MPa)
0
20
40
60
80
100
120
1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300
Bruch
zähigke
it K
ICin M
Pa√m
Zugfestigkeit Rm in MPa
0
10
20
30
40
50
60
0
20
40
60
80
100
120
1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300
Bruch
einschnürung Z in
%
Bruch
zähigke
it K
ICin M
Pa√m
Zugfestigkeit Rm in MPa
0
10
20
30
40
50
60
0
20
40
60
80
100
120
1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300
Bruch
einschnürung Z in
%
Bruch
zähigke
it K
ICin M
Pa√m
Zugfestigkeit Rm in MPa
0
10
20
30
40
50
60
0
20
40
60
80
100
120
1.600 1.700 1.800 1.900 2.000 2.100 2.200 2.300
Bruch
einschnürung Z in
%
Bruch
zähigke
it K
ICin M
Pa√m
Zugfestigkeit normiert Rm in MPa
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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Bruchzähigkeit KIC
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
� Die Bruchzähigkeit KIC nimmt mit steigender Zugfestigkeit Rm ab.
SLM-Randfestigkeit SLM-Kernfestigkeit
SLM integrale Festigkeit
ZSLM
KIC-SLM
Probe Nr. K1C
[MPa√m]
1 SLM 111
2 SLM 94
3 SLM 100
� Die Brucheinschnürung Z sinkt mit steigender Zugfestigkeit Rm.→ Bruchzähigkeit KIC und Brucheinschnürung Z scheinen sich zu korrelieren.
� SLM besitzt eine ausgezeichnete Brucheinschnürung Z und Bruchzähigkeit KIC.→ Der Mechanismus, warum die Zähigkeit deutlich stärker als vermutet ansteigt ist
noch nicht geklärt.
100niedrig
106 113 119 125 131 138 144hoch
15.09.2015 12
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
ANWENDUNGSBEISPIEL
SLM BEI TRAGFEDERN
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe
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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
Anwendungsbeispiel SLM bei Tragfedern
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
0 100 200 300 400
Eig
ensp
annungen in M
Pa
Abtragstiefe in µm
Eigenspannungsprofil (Messrichtung-45°)
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
200
0 100 200 300 400
Eig
ensp
annungen in M
Pa
Abtragstiefe in µm
Eigenspannungsprofil (Messrichtung-45°)
homogen
gradiert (SLM)
� Verbesserung des Eigenspannungs-profils in der Tiefe beim Verfestigungs-strahlen
− Höhere Druckeigenspannungen beifortschreitender Korrosion
− Höhere Druckeigenspannungen aninneren Einschlüssen
� Die Gradierung (SLM) optimiert das Eigenspannungsprofil in der randnahen Zone.
Federprobe, Messrichtung -45°Zug
(„negativ“)
Druck(„positiv“) KernRand
� Schwingungsrisskorrosion
-systematische Vorschädigung der Beschichtung-24 h: Salzsprühnebel, Heißtrocknen, Tauchen im Salzbad und Trocknen-150.000 LW mit Prüfhub-Prüfung bis zum Bruch-Auswertung der Anzahl der Zyklen
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Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Anwendungsbeispiel SLM bei Tragfedern
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
0
1
2
3
4
Zyk
len bis zum Bruch
54SiCr6 54SiCr6 + SLM
54SiCr6 54SiCr6 + SLM
0
10
20
30
Tage
bis zum Bruch
40
� Spannungsrisskorrosion
-unbeschichtete Federn-vorgespannt in verdünnte Schwefelsäure-Prüfung bis zum Bruch-Auswertung der Zeitdauer in Tagen
� Die gezielte Gradierung (SLM) kann die Korrosionsresistenz steigern und somit die Produktperformance erhöhen.
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Steigert die Lebensdauer von zyklisch beanspruchten Bauteilen unter Korrosion
Werkstoffwoche 2015: Symposium 11 - Konstruktionswerkstoffe15.09.2015
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten Federstählen
Zusammenfassung und Ausblick
� SLM basiert auf ...– reduzierter Randhärte mit erhöhter Kernfestigkeit
� SLM ...– vermeidet kritische Verfestigung (z.B. durch Umformung)– steigert die Bruchzähigkeit in der Randzone– reduziert die Rissausbreitungsgeschwindigkeit in der Randzone– verbessert eingebrachte Druckeigenspannungen
� SLM steigert die ...– die Lebensdauer bei Schwingungsrisskorrosion– die Lebensdauer unter Spannungsrisskorrosion
� Untersucht wurden …– homogene und gradierte Proben (ohne Korrosion)– homogene und gradierte Bauteilen (Tragfedern)
Prüfung mit In-Situ-Korrosion
� Ausblick …− homogene und gradierte Proben (mit Korrosion)
Materials Science Engineering (MSE) 201421.10.2015 16
THANK YOUVielen Dank an den ˮEuropäischen Fonds für regionale Entwicklung” (EFRE) für die Unterstützung des Projekts
Vielen Dank an den ˮLehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfungˮ (Universität Siegen, Prof. Dr.-Ing. H.-J. Christ) für die Unterstützung bei den bruchmechanischen Untersuchungen.
Funktionale Gradierung zur Steigerung der Korrosionsresistenz an höchstfesten
Federstählen durch induktive Wärmebehandlung
Dipl.-Ing. Alexander Tump [Mubea Fahrwerksfedern GmbH]Prof. Dr. Robert Brandt [Universität Siegen – Lehrstuhl für Werkstoffsysteme und Fahrzeugleichtbau]
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