CarboBain: Case Hardening by Carbo-Austempering–a short Introduction to Transformation Kinetics, Microstructure and Residual Stresses* Translated title: CarboBain: Einsatzhärten durch Aufkohlen und Bainitisieren – Ausgewählte Ergebnisse der Untersuchungen zur Umwandlungskinetik, des resultierenden Gefüges und der Eigenspannungen

Abstract

The beneficial strength properties of bainitic microstructures have been perceived since several years. The transformation kinetics and different morphologies of bainite were analyzed scientifically in depth and with increasing understanding the application of bainite is focus now. But still, bainitic microstructures are mainly utilized with chemically homogeneous steels. An application of bainitic transformed carburized samples is rather rare up to now. Therefore highly stressed geared components today typically are carburized and martensitically hardened. The microstructure in the case is generally composed of martensite with finely dispersed retained austenite and/or carbides. For gear wheel application during the past 50 years research was focused on topics like microstructure optimization within the bounds of martensite with no more than 25 % of retained austenite. For gears only very limited information on heat treatments with bainitic transformation of the case is available. In the USA few suppliers are propagating carbo-austempering heat treatment for case hardening applications [1]. In the literature a combination of carburization and austempering is discussed with only scarce data on material and microstructure performance [2–6]. To close the gap a systematic approach was made in a public funded project, analyzing transformation kinetics, microstructure properties and mechanical performance of two typical case hardening steels in carburized state being bainitic transformed. The heat treatment method using case hardening by carburization and adjacent austempering, the transformation behaviour, microstructure development and mechanical properties will be discussed.

Kurzfassung

Die vorteilhaften Festigkeitseigenschaften bainitischer Gefüge sind seit vielen Jahren bekannt. Die Umwandlungskinetik und daraus resultierende Morphologie des Bainits wurde durch vielfältige wissenschaftliche Untersuchungen zunehmend besser verstanden, sodass bainitische Gefüge heute in verschiedensten Anwendungsgebieten in den Fokus gerückt sind. Dennoch ist es bisher eher üblich eine bainitische Umwandlung an chemisch homogenen Bauteilen durchzuführen. Aufgekohlte und damit chemisch gradierte Proben werden eher selten bainitisch gehärtet. Infolgedessen sind hoch belastete Zahnräder nach Stand der Technik und Forschung heute überwiegend martensitisch gehärtet mit einem gut beherrschten Gefüge aus Martensit und fein dispersem Restaustenit. Daher ist die Anwendung einer isothermischen Umwandelung in Bainit im Anschluss an die Aufkohlung von Zahnrädern heute nicht Stand der Technik und nur sehr begrenzte Informationen zu Wärmebehandlung und Tragfähigkeit so behandelter Zahnräder sind verfügbar. Ferner sind nur wenige Anwender bekannt [1]. In der gängigen Literatur ist die Verfahrenskombination ebenso eher selten anzutreffen und nur mit begrenztem Versuchsumfang belegt [2–6]. Mit dem Ziel, diese Lücke zwischen dem Potenzial der Gefüge und den fehlenden Informationen zur Steuerung der Wärmebehandlung und den daraus resultierenden Festigkeiten zu schließen, wurde ein wissenschaftliches Vorhaben mit der Untersuchung der Umwandlungskinetik, des Gefüges und der verschiedenen werkstofftechnischen Kenngrößen wie Eigenspannungen und Härte gestartet. Einige ausgewählte Ergebnisse dieses Vorhabens werden im Folgenden dargestellt.