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Induction heat treatment facilities have a wide application range for heat treatment of cylindrically shaped materials in the steel processing industry due to their reduced process-time and high throughput. The adjustment of the heat treatment process usually aims at reaching a desired hardness. However, the question arises whether the full potential of the applied material is actually exploited. Therefore, this work systematically investigates the influence of the primary microstructure, austenitisation and tempering conditions to the resulting notch impact energy and flow behaviour of a 50CrMo4 quenched and tempered steel, with normalised and soft-annealed prior microstructures. The heat treatments, performed with a laboratory induction heat treatment facility, show that low austenitising temperatures lead to a distinct yield point with reduced strain hardening, while increasing the tempering heating rate results in the precipitation of smaller carbides and a significant increase in tensile strength. Austenitising needs to be adjusted to the primary microstructure to reach an optimum solution state to exploit the hardness and notch impact energy potential.

Kurzfassung Das induktive Anlassen bekommt aufgrund der kurzen Prozesszeiten und der dadurch wirtschaftlicheren Produktionsmöglichkeiten vor allem bei Stabmaterial eine immer größere Bedeutung. Allerdings kommt es durch die schnelle Erwärmung und die kurzen Haltedauern zu einer veränderten Ausscheidungskinetik und dadurch zu einem unterschiedlichen Härte-Anlass-Verhalten gegenüber einer konventionellen Wärmebehandlung. Des Weiteren tritt bei der induktiven Erwärmung das Problem des sogenannten “Skin-Effekts“ auf, welcher bei schlechter Prozesssteuerung zu einer überhöhten Randtemperatur, verglichen mit der im Kern, führt. Diese prozessbedingten Charakteristika erschweren das Verständnis der Auswirkung des Prozesses auf die Mikrostruktur des untersuchten Vergütungsstahles. Diese Arbeit möchte daher mithilfe eines kombinierten Ansatzes aus Experimenten an einer Laborinduktionsanlage und Simulationen mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) die Optimierung bzw. individuelle Feineinstellung von induktiven Anlassvorgängen für Stab-Geometrien aus dem betrachteten Werkstoff aufzeigen. Dazu wurde mittels FEM-Simulationen die zeitliche Entwicklung des Temperaturfeldes im Werkstück berechnet und diese mit experimentellen Resultaten zu Mikrostruktur, Härte und Zähigkeit in Verbindung gebracht.

This study focuses on the influence of a fast heat treatment, as occurring with induction heating processes, on the microstructural features, and their effect on the mechanical properties of a 50CrMo4 steel. To this end, three different heating rates (1 K/s, 10 K/s, and 100 K/s) and three different austenitizing temperatures (950 °C, 1000 °C, 1050 °C) were applied to a ferritic-pearlitic steel. After quenching, the resulting martensitic microstructures were investigated and compared to a conventional furnace heat treating sequence using electron back scattered diffraction (EBSD). Thus, the effect of variable heating rates during austenitization on the resulting martensitic microstructure, including the evaluation of packet and block sizes and orientations, was analyzed. Through the investigations of this work, it could be shown, that the adaption of the Kurdjumov-Sachs (K-S) variants is changing with the prior heat treatment. The occurrence of all 24 K-S variants in the same intensity increases and the misorientation angle across a martensite block decrease with higher austenitizing temperatures, despite fast heating rates. Therefore, it is suggested, that the austenitizing temperature has more impact on the martensitic structure than the heating rate.

Kurzfassung Hochcarbidhaltige Nickelbasislegierungen sind vielversprechende Werkstoffe für Anwendungen, bei denen eine hohe Verschleißbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen gefordert ist. Anhand zweier aluminium- und carbidhaltiger Nickelbasislegierungen wurde studiert, wie sich Wärmebehandlungen auf die Mikrostruktur auswirken. Dazu wurden die Legierungen nach jedem der nacheinander durchgeführten Herstellungsschritte Schmelzverdüsen, heiß-isostatisches Pressen, Weichglühen und Auslagerungsglühen mit Hilfe metallographischer und röntgenographischer Methoden untersucht. Es wurde beobachtet, dass sich die eutektisch erstarrten M2C-Carbide in M6C-Carbide umwandeln. Zudem kommt es zu einer Ausscheidung von Carbidphasen des Typs M2 3C6 entlang von Seigerungszonen der γ-Matrix. Beide Carbidreaktionen beeinflussen das Ausscheidungsverhalten der für die Aushärtung der Matrix verantwortlichen intermetallischen Ni3Al-Phase.