Analysis of oxidation and decarburization of spring steel

Abstract

Entkohlung und Oxidation haben weitreichende Auswirkung auf die Eigenschaften von Federnstahl. Die Untersuchungen im ersten Teil dieser Dissertation konzentrieren sich auf die Charakterisierung der Oxidschichten, die sich im Zuge der Herstellung von hoch silizium-haltigem Federnstahl bilden. Mit Hilfe von Raman-Spektroskopie, röntgenographischer Analyse und Lichtmikroskopie konnten verschiedene Typen von Oxiden identifiziert werden. Die experimentellen Resultate wurden mit Computersimulationen verglichen, wobei das Programmpacket ThermoCalc eingesetzt wurde. Das Entkohlungsverhalten von Federstahl wurde im Hinblick auf die gebildeten Oxidschichten interpretiert. Die Stahlindustrie hat eine starkes Interesse daran, zeitaufwändige und teuere zerstörende mechanische Prüfungen durch kostengünstige zerstörungsfreie Prüfungen zu ersetzen, die eventuell auch in-line in Produktionsanlagen eingebaut werden können. Im zweitem Teil der Dissertation wurde die Entkohlung von Federstahl mittels Lichtmikroskopie und Härteprüfung untersucht. Für letzteres wurde parallel zur zerstörenden Prüfung ein magnetisch-induktives Messverfahren eingesetzt, das im Auswertegerät Qualimax eingesetzt wird.<br />Das Messprinzip dieses Geräts basiert auf der KEMAG Methode, die eine Kombination von verschiedenen elektromagnetischen Eigenschaften verwendet, um gewünschte Zielgrößen (hier die Härte) zerstörungsfrei zu ermitteln. Zum erstem Mal wurde diese Methode für die Analyse von den Eigenschaften angewendet, die mit dem Abstand Probenoberfläche variieren. Es konnte eine gute Übereinstimmung zwischen zerstörungsfreier und klassisch zerstörender mechanischer Prüfung erreicht werden.<br />Die Aufgabenstellung im drittem Arbeitspaket konzentrierte sich auf die experimentelle Bestimmung des Einflusses verschiedener thermischer Zyklen auf den Entkohlungsprozess. Mit Hilfe des thermo-mechanischen Simulators Gleeble 1500 wurde die Zeit zwischen Wiederwärmung im Ofen, die Warmwalztemperatur, Warmwalz-Endtemperatur, Legetemperatur und der [alpha]->[gamma] Phasenumwandlungsbereich systematisch untersucht.<br />

Decarburization and oxidation have considerable influence on the product properties of spring steels. The investigations in the first working package of this thesis concentrate on the characterization of oxide scale formed on high silicon spring steel. Using Raman spectroscopy, X-ray diffraction and optical microscopy, different type of the oxide layers are identified. Experimental results are compared with computer simulations using the software package ThermoCalc. The decarburization behavior of high silicon spring steel is discussed with respect to the type of the identified oxide scale.<br />Steel industry has a strong interest to replace time consuming and expensive destructive mechanical tests by non-destructive methods, which can be even integrated in-situ within the production process. In the second working package of this thesis, the decarburization profiles of spring steel are investigated based on light microscopic inspection and hardness testing. The later quantity is also investigated using an electromagnetic measuring and evaluation device. The analysis procedure of this device utilizes the KEMAG method, which is based on the analysis of a combination of various electromagnetic properties. For the first time, the present method is applied to the analysis of non-uniform properties varying with the distance from the surface into the specimen volume. Good agreement between non-destructive and classic destructive methods is achieved. The investigations in the third working package concentrate on the experimental determination of the influence of different thermal cycles on the decarburization process. With the thermo-mechanical simulator Gleeble 1500, the influence of different process parameters, such as the time between furnace reheating and hot rolling, the hot rolling temperature, finish rolling temperature, laying temperature, and the [alpha]->[gamma] phase transformation temperature range, is systematically investigated.<br />