Simulation of induction hardening : effect of thermal parameters and microstructure on prior austenitic grain size

The aim of this thesis work, performed in collaboration with ArcelorMittal Global R&D – Bars & Wires, is the investigation of the effect of thermal parameters and microstructure on prior austenitic grain size in medium-carbon steels for automotive applications subjected to induction hardening. The control of the austenitic grain size during induction heat treatment is of primary importance. In fact, in this process maximum heating temperature can exceed 1000 °C promoting austenitic grain growth, which is detrimental for the mechanical properties of steel components. Induction hardening process conditions are simulated by means of dilatometric tests performed on 42CrMo4 steel with tempered martensite and ferrite-pearlite prior microstructures at different heating rates and maximum heating temperatures. Additional heating tests are performed in a resistance furnace to analyse in greater detail the effect of thermal parameters and microstructure on prior austenitic grain size. To reveal prior austenitic grains, it is necessary to perform thermal etching or chemical etching. The most influent thermal parameter on prior austenitic grain growth is the maximum heating temperature. An increase of the maximum heating temperature promotes prior austenitic grain growth contrary to an increase of the heating rate, which involves a decrease of the prior austenitic grain size. The less relevant parameter on prior austenitic grain growth is the dwell time. Finally, it was discovered that prior microstructure has an effect or not depending on the type of test performed. Therefore, in an actual induction hardening process, the parameter to control more carefully is the maximum heating temperature.

Lo scopo di questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione con ArcelorMittal Global R&D – Bars & Wires, è lo studio dell’effetto dei parametri termici e della microstruttura sulla dimensione del prior austenitic grain negli acciai con tenore medio di carbonio per applicazioni nel settore automobilistico, sottoposti al trattamento di tempra per induzione. Il controllo della dimensione del grano austenitico durante il trattamento termico per induzione è di primaria importanza. Infatti, in questo processo le massime temperature di riscaldamento possono superare i 1000 °C promuovendo la crescita del grano austenitico la quale è deleteria per le proprietà meccaniche dei componenti in acciaio. Le condizioni del processo di tempra per induzione vengono simulate attraverso dei test con il dilatometro eseguiti su un acciaio 42CrMo4 con due diverse microstrutture iniziali: martensite rinvenuta e ferrite-perlite. I test con il dilatometro vengono condotti a diverse velocità e massime temperature di riscaldamento. Ulteriori test di riscaldamento vengono eseguiti in un forno a resistenza per analizzare in maggiore dettaglio gli effetti dei parametri termici e della microstruttura sulla dimensione del grano austenitico. Per mostrare il prior austenitic grain è necessario usare la tecnica del thermal etching o un attacco chimico specifico. Il parametro più influente per la crescita del prior austenitic grain è la massima temperatura di riscaldamento. L’aumento della temperatura di riscaldamento promuove la crescita del prior austenitic grain, contrariamente all’aumento della velocità di riscaldamento che ne comporta una riduzione. Il parametro meno influente sulla dimensione del prior austenitic grain è il tempo di mantenimento alla massima temperatura di riscaldamento. Infine, è stato analizzato che la microstruttura di partenza ha effetto o meno, a seconda del tipo di test condotto. Di conseguenza, in un processo industriale di tempra per induzione, il parametro da monitorare con maggiore attenzione è la massima temperatura di riscaldamento.