Untersuchungen zum Optimierungspotential von Erwärmzeit und Eigenschaftsprofil von Stählen im Presshärteprozess

Der Austenitisierungsvorgang ist bei klassischer Ofenerwärmung ein zeit- und energieintensiver Prozessschritt der Fertigungsroute des Presshärtens und dient zur Einstellung eines härtbaren Ausgangsgefüges, welches bei geeigneter Abkühlung in martensitisches Gefüge umwandelt. Ein möglichst homogener und feinkörniger Austenit wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften des resultierenden Martensits aus. Konventionell bilden Zeit-Temperatur-Austenitisierungsdiagramme oder Erfahrungswerte die Grundlage zur Ermittlung von Austenitisierungstemperatur und –zeit. In dieser Arbeit wird eine Methodik entwickelt, um die passende Austenitisierungszeit zur Erzielung günstiger mechanischer Werkstoffeigenschaften bei prozesstypischer Erwärmungs- und Abkühlstrategie zu berechnen. Die Anwendbarkeit auf niedrig- und hochlegierte Stähle wird untersucht. Als Versuchswerkstoff dient neben dem Standardwerkstoff 22MnB5 die Stahlgüte X15Cr13 mit dem Ziel, einen korrosionsbeständigen Alternativwerkstoff mit überlegenen mechanischen Eigenschaften für den Presshärteprozess zu qualifizieren. Der Austenitisierungszustand wird in Abhängigkeit des Reaktionsfortschritts auf Basis des Hollomon-Jaffe Parameters beschrieben. Die dazu nötigen Werkstoffkennwerte der Stähle 22MnB5 und X15Cr13 werden aus Austenitisierungsversuchen im Dilatometer für isotherme Temperaturführung bestimmt und anhand eines prozessnahen Aufheizverlaufs validiert. Messungen von Härte und Martensitstarttemperatur der abgeschreckten Proben geben dabei Aufschluss über den Austenitisierungszustand. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit des Wärmebehandlungszustands in Zugversuchen werden Kleinzugproben entwickelt, welche sich sowohl zur gezielten Wärmebehandlung im Dilatometer als auch zur Zugprüfung mit optischer Dehnungsmessung eignen. Die Ergebnisse der isothermen Austenitisierungsversuche lassen sich mit dem gewählten Ansatz gut abbilden. Auf Basis der ermittelten Parameter kann eine gute Näherung der berechneten, an die empirisch ermittelten und validierten erforderlichen Austenitisierungszeiten erzielt werden. Die mechanischen Kennwerte des X15Cr13 zu Festigkeit und Verformbarkeit erweisen sich unter Verwendung optimierter Wärmebehandlungsparameter als deutlich vorteilhaft gegenüber denen des 22MnB5. Das beispielhaft aufgezeigte werkstoffliche Optimierungspotential leistet einen Beitrag zur Erschließung eines breiteren Spektrums an Werkstoffen für das Presshärten im Kontext stetig steigender technischer, technologischer und wirtschaftlicher Anforderungen an Karosseriestrukturbauteile