Austenitization and carbide dissolution of 75Cr1 and 100Cr6 steel

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Austenitisierung der Stähle 75Cr1 und 100Cr6 sowie der damit verbundenen Martensitbildung während der anschließenden Abkühlung am Ende der Wärmebehandlung. Martensitische Stähle sind im Werkzeugbau von zentraler Bedeutung, da sie eine hohe Härte, mechanische Festigkeit und Verschleißbeständigkeit aufweisen. Um diese gewünschten Eigenschaften gezielt einzustellen und gleichzeitig eine wirtschaftliche Fertigung sicherzustellen, ist eine detaillierte Kenntnis der Austenitisierungsparameter erforderlich. Insbesondere spielen die Wahl der Haltetemperatur, Haltezeit und die damit verbundene Karbidauflösung eine entscheidende Rolle für die Mikrostruktur und das spätere mechanische Verhalten des Werkstoffs. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Proben beider Stähle mittels Dilatometer einer Austenitisierung unterzogen. Dabei wurden verschiedene Haltetemperaturen und Haltezeiten untersucht, wobei die Temperaturbereiche auf bereits bestehende wissenschaftliche Studien abgestimmt wurden. Die gewonnenen Proben wurden mit Röntgendiffraktion (XRD) analysiert, um die Phasenzusammensetzung zu charakterisieren. Zusätzlich wurden ausgewählte Proben mit Elektronenrückstreubeugung (EBSD) untersucht, um detaillierte Einblicke in die Kornstruktur und die Verteilung der Karbidezu erhalten. Für den Stahl 75Cr1 wurde zudem eine Messung mittels Synchrotronstrahlung durchgeführt, um noch genauere Informationen über die Mikrostruktur und die Karbidauflösung zu erhalten. Ein weiterer Bestandteil dieser Arbeit war die Bestimmung der Martensitstarttemperatur (Ms). Hierfür wurden verschiedene mathematische Modelle herangezogen und die Werte mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Zusätzlich wurde mithilfe des Programms MatCalc 6 eine Simulation der Karbidauflösung sowie des Wärmebehandlungsprozesses durchgeführt, um theoretische Vorhersagen über die Gefügeentwicklung zu treffen und diese mit den experimentellen Ergebnissen abzugleichen. Die Untersuchungen zeigten, dass sich 75Cr1 und 100Cr6 hinsichtlich ihrer Austenitisierungs- und Martensitbildungsprozesse deutlich unterscheiden. Während einige Erkenntnisse aus bereits bestehenden Studien bestätigt werden konnten, ergaben sich auch neue Erkenntnisse über die Karbidauflösung und deren Einfluss auf die Phasenumwandlung. Durch den Vergleich des Ausgangszustands, der experimentellen Daten und der Simulationsergebnisse konnten wertvolle Erkenntnisse über die Optimierung der Wärmebehandlungsprozesse gewonnen werden. Die Ergebnisse sollen einen Beitrag zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und Qualität in der industriellen Stahlverarbeitung liefern.

This work deals with the austenitization of 75Cr1 and 100Cr6 steels and the associated martensite formation during the subsequent cooling at the end of the heat treatment. Martensitic steels are of central importance in toolmaking as they exhibit high hardness, mechanical strength, and wear resistance. Detailed knowledge of the austenitization parameters is required in order to specifically adjust these desired properties and at the same time ensure economical production. In particular, the choice of holding temperature, holding time, and the associated carbide dissolution play a decisive role in the microstructure and the subsequent mechanical behaviour of the material. As part of this work, samples of both steels were subjected to austenitization using a dilatometer. Different holding temperatures and holding times were investigated, whereby the temperature ranges were selected based on existing scientific studies. The samples obtained were analysed using X-ray diffraction (XRD) in order to obtain the phase fractions. In addition, selected samples were analysed using electron backscatter diffraction (EBSD) to gain detailed insights into the grain structure and the distribution of the elements. For the steel 75Cr1, a measurement was also carried out using synchrotron radiation to obtain even more precise information about the microstructure and carbide dissolution. Another component of this work was the determination of the martensite start temperature (Ms). Various mathematical models were used for this, and the values were compared with the experimental results. In addition, a simulation of the carbide dissolution during the heat treatment process was carried out using the program MatCalc 6 in order to make predictions about the microstructure development and compare these with the experimental results. The investigations showed that 75Cr1 and 100Cr6 differ significantly in terms of their austenitization and martensite formation processes. While some findings from existing studies were confirmed, new insights were also gained into carbide dissolution and its influence on phase transformations. By comparing the initial state, the experimental data, and the simulation results, it was possible to gain valuable insights into the optimisation of the heat treatment processes. The results should contribute to the improvement of economic efficiency and quality in industrial steel processing