Die derzeit verwendeten Stähle für Wellen und Zahnräder im elektrifizierten Antriebsstrang in der Automobilindustrie stoßen an ihre Belastungsgrenzen. Im Vergleich zum Verbrennungsantrieb erfolgt eine erhöhte Drehmomentübertragung im elektrifizierten Antriebsstrang. Infolgedessen sind innovative Automobilhersteller bestrebt neue Legierungskonzepte und Fertigungsverfahren für Getriebekomponenten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften zu entwickeln. Primär werden die mechanischen Eigenschaften durch die legierungsbedingten Effekte und Wärmebehandlungen bestimmt, welche abhängig von dem Diffusionsverhalten und der Ausscheidungskinetik sind.
In dieser Arbeit wird die Entwicklung martensitischer Stahlsorten, unter Verwendung von zwei Referenzstahlsorten und einem neuen Legierungsdesign mit unterschiedlichen Kupfergehalten, untersucht. Die unterschiedlichen Kupfergehalte wurden einer mit Chrom, Aluminium und Kupfer legierten neuen Stahlsorte mit geringen Gehalten an Vanadium, Molybdän und Niob zugesetzt. Gleichzeitig wurde die Duplex-Wärmebehandlung, bestehend aus Aufkohlung, Auslagerung bei erhöhten Temperaturen und Plasmanitrierung, untersucht. Somit zielt diese Arbeit darauf ab, die Duplex-Wärmebehandlung und den Einfluss sowie die Wechselwirkung von den drei Ausscheidungshärtungsmechanismen - Kupferpartikeln, Karbiden/Carbonitriden und Nitriden - zur Erhöhung der Härtbarkeit von Stahl zu untersuchen. Im Labormaßstab wurden die resultierenden Gefüge und die Härtbarkeit der Stahlsorten mit verschiedenen Charakterisierungsmethoden untersucht, darunter die hochauflösende Atomsondentomographie.
Bei den einsatzgehärteten Proben führte ein erhöhter Kupfergehalt zu einer erhöhten Aufhärtung. Allerdings wurden grobe chromreiche Karbide an den früheren Austenitkorngrenzen gefunden. Innerhalb der Kupferausscheidungen wurde eine Anreicherung von Chrom festgestellt, was darauf hindeutet, dass chromreiche Karbide Kupfer als Keimbildungsstelle nutzen.
Bei den wärmebehandelten Duplex-Proben wurde die verbesserte Härtbarkeit bestätigt, wenn auf das Anlassen vor dem Nitrieren verzichtet und ein reduzierter Kupfergehalt von ≤ 0.8 wt% Kupfer gewählt wurde. Das Anlassen vor dem Nitrieren erhöhte die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Phasen an den Korngrenzen und führte zu einer allgemeinen Vergröberung der Ausscheidungen, wodurch sich die Einsatzhärte verringerte und die mechanischen Eigenschaften während des Betriebs beeinträchtigt werden können. Der Effekt der allgemeinen Vergröberung der Ausscheidungen wurde auch bei den Proben mit erhöhtem Kupfergehalt nach der Duplex-Wärmebehandlung festgestellt. Die gröberen Nitride wurden vorzugsweise an gröberen Kupferausscheidungen ausgeschieden, während die feineren Nitride homogen innerhalb der Matrix oder heterogen an feineren Kupferausscheidungen nachgewiesen wurden. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die gröberen Nitride aluminiumreich sind, während die feinen homogenen/heterogenen Nitride chromreich sind. Ferner wurde festgestellt, dass Aluminium und Chrom im Durchschnitt um 0,4 Atom-% Aluminium und 0,5 Atom-% Chrom innerhalb der Kupferausscheidungen angereichert waren, was darauf hindeutet, dass aluminium- und chromreiche Nitride vorzugsweise Kupfer als Keimbildungsstelle nutzen.
Obwohl nach der Duplex-Wärmebehandlung eine hohe Einsatzhärte von > 1000 HV 1 erreicht wurde, konnte eine Diffusionsfront aufgrund eines Kupfergehalts von > 4,5 Gew.-% Cu nicht verhindert werden. Um das Legierungsdesign zu verbessern, wurden diese Untersuchungen von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen begleitet, die nahelegen, dass eine Verringerung von Kupfer, Chrom und Nickel bei gleichzeitiger Erhöhung von Vanadium und eventuell Molybdän zu einem verbesserten Ausscheidungsverhalten führen kann. Außerdem soll eine Reduzierung auf 3 Gew.-% Chrom den Aufbau einer Diffusionsfront verringern und gleichzeitig die Ausscheidung von chromreichen Nitriden aufrechterhalten.
Im Vergleich zu den derzeit verwendeten einsatzgehärteten Getriebestählen in der Automobilindustrie bietet die Kombination aus dem neuen Legierungsdesign und der vorgeschlagenen Duplex-Wärmebehandlung das Potenzial, die mechanischen Eigenschaften deutlich zu verbessern. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass der Einfluss und vor allem die Wechselwirkung von Kupfer-, Karbid- und Nitridausscheidungen die Härtbarkeit von Stählen verbessern kann.