Wear Behavior of Carbonitrided and Nitrided Hot Working Steels*
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S. Hoja
Abstract
During forging the tools have to resist high thermal and mechanical loads. Therefore, forging dies are usually nitrided in order to increase the wear resistance of the surface areas. Compared to nitriding carbonitriding increases the hardness depths in shorter treatment times. Due to the (carbo-)nitriding, the surface near region gets a better hot hardness and a better wear resistance than the untreated material. In a second process step by nitriding after carbonitriding, a wear and corrosion resistant compound layer can be created at the surface. In the present work the wear behavior of carbonitrided and nitrided hot working steel ENX38CrMoV5-3 (1.2367) was investigated. The evaluation concerning abrasion and thermal fatigue in the contact of forging die and workpiece was carried out by model wear tests like the two-disc test (Amsler test), the ball-on-disc test and a cyclic induction heating and quenching. The conditions of the heating cycles were chosen close to the forging process. The surface areas were investigated after several cycles in order to gain information about the mechanisms of the surface modification. Finally, the treatment combination carbonitring/nitriding was transferred to forging dies and the wear behavior was investigated in fatigue-life experiments under application conditions.
Kurzfassung
Warmarbeitswerkzeuge unterliegen in ihrem Einsatz hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen. Daher werden Warmarbeitswerkzeuge in der Praxis nitriert, um die Randschichteigenschaften zu verbessern. Durch Carbonitrieren kann im Gegensatz zum Nitrieren mit vergleichsweise kurzen Behandlungsdauern eine (Carbo-)Nitrierschicht in der Werkzeugrandzone erzeugt werden, um die Randschicht durch den eindiffundierten Kohlenstoff und Stickstoff mit einer höheren Warmfestigkeit und Verschleißbeständigkeit auszustatten. Durch eine nachfolgende Nitrierbehandlung kann an der Oberfläche noch eine verschleiß- und korrosionsbeständige Verbindungsschicht erzeugt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das Verschleißverhalten des carbonitrierten und nitrierten Warmarbeitsstahls X38CrMoV5-3 (1.2367) untersucht. Die Beurteilung der Randschichten hinsichtlich der im Kontakt zwischen Schmiedeteil/Schmiedegesenk auftretenden Abrasion und thermischer Ermüdung erfolgte zunächst in Laborversuchen am Zwei-Scheiben-Prüfstand (Amsler-Test), im Kugel-Scheibe-Test und durch zyklische Induktionswärmebehandlung an einer Induktionswärmebehandlungsanlage. Bei letzterem wurde die zyklische Temperaturwechselbelastung der Randschicht in Anlehnung an den Schmiedeprozess nachgestellt und nach unterschiedlichen Belastungsdauern der Randschichtzustand untersucht, um Informationen über den Ablauf der Randschichtveränderung zu erhalten. Schließlich wurde die Kombinationswärmebehandlung Carbonitrieren/Nitrieren auf Schmiedegesenke übertragen und das Verschleißverhalten in Standmengenversuchen unter realen Bedingungen untersucht.
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