Werkstoffanwendungen im Maschinenbau

Die Entstehungsmechanismen von White Etching Areas (WEA) und White Etching Cracks (WEC) sind bisher nur teilweise verstanden. Zudem scheint keine Einflussgröße allein für WEA/WEC verantwortlich zu sein. Ziel dieser Arbeit war es daher, die grundlegenden Mechanismen, die zu WEA/WEC führen, zu untersuchen. Dazu erfolgte eine Bewertung der folgenden Einflussgrößen: Kontaktparameter, Schmierstoffformulierung, elektrischer Stromfluss und diffusibler Wasserstoff. Grundlage bildeten Vierscheibenprüfstandversuche mit Prüfkörpern aus 100Cr6 und X30CrMoN15-1 sowie metallographische und röntgenographische Untersuchungen. Die Untersuchungen ergaben, dass eine ausreichende Konzentration von, zuvor künstlich eingebrachtem, atomarem Wasserstoff in 100Cr6 bei Wälzbeanspruchung zu WEA/WEC führt. Ein elektrischer Stromfluss ist auch ohne vorheriges Beaufschlagen der Proben mit Wasserstoff bei Wälzbeanspruchung hinreichend, um WEA/WEC-Schäden zu erzeugen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass ein Schmierstoff mit Zinkdialkyldithiophosphat und überbasischem Kalziumsulfonat unter Grenzschmierung WEA/WEC verursachen kann, während ein bariumhaltiger Schmierstoff klassische Wälzermüdungsschäden hervorruft. Die WEA/WEC-Netzwerke und das WEA-Volumen werden mit zunehmender Versuchslaufzeit größer. Zunächst bilden sich lokale WEA/WEC in Form einer Substruktur, die sich im Laufe der Zeit vernetzen und schließlich großflächige WEA/WEC-Netzwerke bilden. Die erste WEA-Bildung wird dabei auf einen lokalen Deformationsprozess zurückgeführt, bei dem sich die Karbide zersetzen. Erstmals wurde die Bildung von WEA bei künstlich mit Wasserstoff beladenen Prüfkörpern aus X30CrMoN15-1 experimentell nachgewiesen. Diese WEA bestehen aus nanoferritischen Körnern und ähneln den nanokristallinen WEA in 100Cr6.

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is a promising additive manufacturing (AM) technique for producing hot work tools with complex geometries. This work investigates the relationship between microstructure and material properties in LPBF-produced hot work tools, contributing to a deeper understanding of the role of microstructural characteristics in determining hot work tool performance. The influence of manufacturing and heat treatment processes on microstructure and material properties is examined, aiming to optimize the combination of thermal conductivity, hardness, and toughness through the microstructural modification.
A comprehensive analysis of the LPBF process and its effects on the microstructure of tool steels is conducted, followed by an exploration of various heat treatments to modify microstructural characteristics. A systematic mechanism is established to reveal the relationship between thermal conductivity and microstructural characteristics, and the interrelated properties of hardness and toughness are investigated in detail. The interplay between these properties of tool steels is discussed in the context of thermal fatigue behavior.
Furthermore, the study proposes a heat treatment strategy to achieve the desired microstructure, which consists of a fine martensitic matrix with most alloy elements precipitated as dispersed carbides. This strategy enables the efficient and economical thermal post treatment for hot work tools, resulting in tailored microstructures that provide an ideal balance of material properties for various hot work applications.

Im Zuge der Energiewende und zunehmend umweltbezogener Regulierungen steigt der Bedarf an bleifreien und leistungsfähigen Alternativen zu konventionellen Gleitlagerwerkstoffen. ZnAlCu-Legierungen bieten in diesem Zusammenhang sowohl ökologische als auch technologische Vorteile.
ZnAlCu-Legierungen sind jedoch noch nicht ausreichend unter der in Gleitlagern vorherrschenden Druckbeanspruchung untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt daher auf ihrem mechanischen Verhalten unter quasistatischer sowie zeitabhängiger Druckbelastung sowie der bereits bei Raumtemperatur auftretenden Alterung. Im Rahmen eines breit angelegten Legierungsscreenings werden systematisch Legierungen mit variierenden Al- (bis 20 Gew.%) und Cu-Gehalten (bis 3 Gew.%) charakterisiert und der Referenzlegierung SnSb12Cu6ZnAg gegenübergestellt. Weiterhin werden drei ausgewählte Legierungszusammensetzungen hinsichtlich ihrer Gefügestabilität während des Druckkriechens sowie während einer künstlichen Alterung bei Temperaturen von bis zu 240°C detailliert betrachtet und die auftretenden Mechanismen diskutiert. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Alterungsversuche wird abschließend ein Vorgehen vorgestellt, um mechanische Kennwerte unter betriebsnahen Bedingungen zu inter bzw. extrapolieren.