Sinterhardening grade steels with sufficient toughness for synchronizer hub applications

Abstract

In der Eisenpulvermetallurgie hat das Sinterhärten, d.h.<br />Gasabschreckung direkt aus der Sinterhitze, in den letzten Jahren aufgrund seiner extrem hohen Kosten- und Zeiteffizienz stetig an Bedeutung gewonnen. Im Gegensatz zu diesen Vorteilen zeigt sich das Problem der eher niedrigen Zähigkeit nach der Sinterhärtung. Vor allem für Getriebeanwendungen wie Synchronnaben kann dies zum Versagen des Bauteils schon während des Aufziehens auf die Welle führen. Deshalb ist eine Erhöhung der Zähigkeit für diese Materialien von großer Bedeutung. Unterschiedliche interessante Materialien wurden bezüglich ihrer Härte-/Zähigkeitseigenschaften untersucht. Eine der wichtigsten Anforderungen an diese Materialien ist natürlich vollständig martensitisches Gefüge auch bei den eher niedrigen Kühlraten bei der Sinterhärtung. Deshalb sind relativ hohe Mengen an Legierungsgehalten notewendig, um die notwendigen Eigenschaften zu erzielen. Das vielversprechendste Material war hier der Cr-Mo-vorlegierte Sinterstahl Astaloy CrM (+0.5%C+x%Ni). Andere Legierungssysteme wurden aufgrund ihrer unzureichenden Härtbarkeit früh ausgeschieden. In der vorliegenden Arbeit wurden die möglichen Einflussfaktoren auf die Zähigkeit, nämlich die Sintertemperatur und -atmosphäre, der Kohlenstoff- und Nickelgehalt, die Dichte, die Anlasstemperatur, die Austenitkorngröße sowie die Größe der Ausgangspartikel untersucht. Mit Hilfe dieses Wissens sollte eine Optimierung der Zähigkeitseigenschaften sintergehärteter Materialien möglich sein. Dabei stellte sich heraus, dass für Cr-haltige Materialien die Sintertemperatur sowie der Kohlenstoffgehalt den größten Einfluss auf die Zähigkeit haben. Vor allem letzterer sollte so niedrig wie möglich gehalten werden, um gerade noch vollständig martensitisches Gefüge zu ermöglichen. Ansonsten kommt es zu ausgeprägter Versprödung des Materials, wahrscheinlich bedingt durch die Bildung von Zementit an den Korngrenzen. Weiters wurde gezeigt, dass Ni einen positiven Einfluss auf die Zähigkeit hat, vor allem bei Sinterungen bei höheren Temperaturen, da hier eine bessere Verteilung des Ni in der Matrix erreicht wird. Die Austenitkorngröße hatte kaum einen Einfluss auf die Zähigkeit, aufgrund der exzellenten Wirkung der Poren als Korngrenzwachstumshemmer, auch bei hohen Temperaturen. Zusätzlich zur Zähigkeit und Härte sind sehr gute Ermüdungseigenschaften sowie gute Verschleißfestigkeit wichtige Anforderungen an diese Materialien. Deshalb wurde die Schwingfestigkeit der vielversprechendsten Materialien in einem Ultraschallresonanzprüfstand getestet, der es ermöglicht, relevante Zyklenzahlen von einer Milliarde in 15 Stunden testen zu können. Die Ermüdungstests zeigten, dass der Cr-Mo-vorlegierte Sinterstahl Astaloy CrM die besten Eigenschaften hat, aber nur nach einer Sinterung bei ausreichend hoher Temperatur (1250 °C). Generell zeigte sich, dass für alle untersuchten Materialien kein Dauerfestigkeitsniveau existiert, d.h. auch bei höchsten Lastspielzahlen treten noch Brüche auf. An den Bruchflächen wurden signifikante Mengen an interkristallinem Sprödbruch gefunden, die auf die Existenz von dünnen Zementitfilmen an den Korngrenzen hinweisen und gemeinsam mit ebenfalls beobachteten größeren Einzelporen und Porenclustern die Schwingfestigkeit ungünstig beeinflussen. Weiters wurde das Verschleißverhalten bei Gleitbeanspruchung im Trockenlauf in einem Stift-Scheibe-Prüfstand gemessen, unter Variation der Testbedingungen, beispielsweise für unterschiedliche Lasten. Für hohe Lasten wurden vor allem Oberflächenzerrüttung und Adhäsion, kombiniert mit etwas oxidativem Verschleiß, festgestellt, was zu extrem hohen Oberflächentemperaturen während des Tests führte. Das konnte beispielsweise durch die Existenz von Wüstit im Abrieb bewiesen werden, der erst oberhalb 570 °C gebildet werden kann. Bei geringerer Normalkraft trat v.a. oxidativer Verschleiß auf, unter Bildung von Hämatit. Das beste Material bezüglich Verschleiß war der Cu-Ni-Mo-legierte Stahl Distaloy LH. Weiters wurde festgestellt, dass grundlegende Trends für Ermüdung und Verschleiß korrelieren.<br />

Sinter hardening, i.e. gas quenching directly from sintering temperature, has become a process of high importance in ferrous powder metallurgy in the last few years because of the time- and cost effective manufacturing it permits. In contrast to these advantages a considerable problem with this hardening method is that the toughness after sinter hardening is usually low. For some applications such as synchronizer hubs this can cause failures e.g. when fixing the hubs on the shaft. For this reason an increase of the toughness is of great interest. Different candidate materials were tested in terms of sinter hardening with sufficient toughness. Of course one of the most important requires is the formation of fully martensitic structures, even for the relatively low cooling rates. Therefore the amount of alloying elements must be relatively high. Here it showed that the most promising material in terms of hardness / toughness combinations is the Cr-Mo prealloyed steel Astaloy CrM (+ 0.5%C + x%Ni). Other grades were dropped in an early stage due to insufficient hardenability. In the present work, factors influencing the toughness were investigated, namely the sintering temperature and atmosphere, the carbon and Ni content, the density, the tempering temperature, the austenite grain size and the powder particle size. It was found that for Cr containing materials the main influencing factors on the toughness are the sintering temperature and the carbon content. The latter should be kept at the minimum level just resulting in martensitic structures.<br />Otherwise a pronounced embrittlening of the material was found, most likely due to the appearance of cementite at the grain boundaries.<br />Furthermore it was found that Ni increases the toughness significantly, especially when sintering at higher temperatures due to a better Ni distribution in the matrix. The austenite grain size turned out to have minor influence on the toughness due to the excellent pinning of the grain boundaries by the pores, inhibiting dramatic grain growth at higher temperatures. With the help of this knowledge it is possible to increase the toughness of sinter hardened steels significantly. Beside this, good fatigue properties and wear resistance are of crucial importance. Therefore some promising PM materials were tested regarding their gigacycle fatigue behaviour using an ultrasonic resonance tester that enables testing up to one billion cycles within 15 hours. The fatigue tests showed that the sinter hardening grades based on the Cr-Mo alloyed steel powder Astaloy CrM are superior in terms of fatigue, but only when sintering at higher temperatures. A true "fatigue limit" did not exist for all the investigated materials; fatigue fracture occurred also at very high loading cycle numbers. In the fracture surfaces significant amounts of intergranular failure were present which are most likely caused by thin cementite films and, combined with larger singular pores and pore clusters, adversely affect the fatigue endurance strength. Furthermore dry sliding wear tests were performed for the four candidate materials using a pin-on-disc test rig. Different testing conditions were applied, for example tests at different loads. For higher loads, delamination and adhesion combined with oxidational wear were the dominating wear mechanisms causing extremely high surface temperatures.<br />This was indicated by the presence of wuestite in the debris which is formed only at temperatures above 570 °C. At low to moderate loads, oxidative wear was observed, resulting in formation of hematite. The best material in terms of wear was the Cu-Ni-Mo alloyed grade Distaloy LH. It was also found that the trends from the fatigue tests and the wear tests can be correlated and that there is surprisingly good agreement.