Teilprojekt B1: Experimente zur Erstarrung und Hochtemperaturversprödung

B1

Prof. Dr.-Ing. Senk (Institut für Eisenhüttenkunde, Lehrstuhl für Metallurgie von Eisen und Stahl, RWTH Aachen)

In diesem Teilprojekt (TP) B1 wird Probematerial aus den vorhabensrelevanten Legierungen des Systems Fe-Mn-C-Al hergestellt; das Material wird von anderen Teilprojekten mit  entsprechenden Spezifikationen bestellt. Einzustellende Parameter sind Legierungszusammensetzung einschließlich der Spurenelemente, Reinheitsgrad, Seigerungszustand und Größe der as-cast-Körner. Dazu stehen entsprechende Vakuuminduktionsöfen bis 100 kg Kapazität, speziell im SFB entwickelte Kokillen für makroseigerungsfreie Erstarrung und ein neuer Langsamerstarrungsofen (LEO) für oligo-kristalline Proben mit bis zu 10 mm Kristalldurchmesser und 40 mm Kristalllänge zur Verfügung. Der LEO ist in Phase 2 des SFB 761 geplant und in Betrieb genommen worden. In der dritten Phase soll der Ofen weiterentwickelt werden, um die Erstarrungsparameter und Erstarrungsbedingungen noch genauer steuern zu können.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B1

Grundlage für die Fortführung des TP B1 sind die erfolgreich durchgeführten ersten beiden Phasen des TP B1 des SFB 761. Im Zuge der vorangegangenen Phasen ist das Ausgangssystem Fe-Mn-C kontinuierlich hin zum für die dritte Antragsphase relevanten System Fe-Mn-C+X (X=Al, Si,…) erweitert worden. Die Erweiterung hin zu komplexen, mehrphasigen Legierungen führt zu erheblichen Änderungen des Erstarrungs- und Hochtemperaturverhaltens.

Diverse Experimente zum Zusammenhang von chemischer Zusammensetzung, Gefüge und mechanischen Eigenschaften im Temperaturbereich mechanischer Biegebeanspruchung zwischen Solidustemperatur und 800 °C sind geplant. Die „Heißsprödigkeit“ wird durch grobe und feine Seigerungen, Ausscheidungen, Korngrenzenbelegung und Einschlüsse, zusammengefasst als „Reinheit“, gesteuert. Besonders die Elemente [N], [O], [S], [P], [B] und [Se] tragen in nichtmetallischen Partikeln zur lokalen Minderung des Reinheitsgrades bei. In Heißzug- und Biegeuntersuchungen werden kritische Temperaturen sowie kritische Dehnungen und Dehngeschwindigkeiten ermittelt. Solche werkstoffwissenschaftlich meist ungewollten Elemente gelangen durch Legierungselemente und beim Recycling in das Material, können aber auch zur Steuerung von Eigenschaften gezielt mikrolegiert werden. Der duktilitätsmindernde Mechanismus insbesondere vor dem Hintergrund der je nach lokaler Legierungszusammensetzung peritektischen oder einphasigen Erstarrung (entweder δ-Fe- oder γ-Fe-Gitter) ist zu erforschen. Weiterhin soll auch der Einfluss von gelöstem [H] auf mechanische Hochtemperatureigenschaften untersucht werden. Es werden grundlegende Kenntnisse und Daten aus Versuchen zur Kombination von Erstarrung und mechanischer Beanspruchung erwartet, die zum Verständnis des Materialverhaltens notwendig sind.

 

 

 

 

 

 

Bisherige Phase

 

Die Aufgabenbereiche des Teilprojektes B1 innerhalb des Förderantrages für den SFB 761 liegen in der Ermittlung und Analyse von Erschmelzungs- und Erstarrungsparametern für die ab initio Simulation sowie in der Erzeugung von Modellwerkstoffen für die Validierung der ab initio Modelle und für Umformexperimente.

Von großer Bedeutung für die Charakterisierung der Erstarrung der Werkstoffgruppe Fe-Mn-C ist die Ermittlung von Verteilungs- und Seigerungskoeffizienten, Diffusionskoeffizienten, Grenzabkühlgeschwindigkeiten sowie Grenzflächenspannungen. Hierzu werden Experimente und Analysen durchgeführt. Die Analyse der Einflussfaktoren auf diese Parameter und der gegenseitigen Wechselwirkungen der Parameter sowie die Quantifizierung dieser Einflüsse und Wechselwirkungen ermöglichen eine präzise Beschreibung und Vorhersage des Erschmelzungs- und Erstarrungsverhaltens der Werkstoffgruppe Fe-Mn-C. Dazu müssen zum Teil Analysemethoden weiterentwickelt werden, beispielsweise für die Ermittlung der Grenzflächenspannungen an der Grenzfläche fest-flüssig, oder es wird auf bewährte teilweise aufwendige Analyseverfahren zurückgegriffen, so bei der Ermittlung der Diffusionskoeffizienten, bei der die Methode für halbunendliche Räume nach Crank zum Einsatz kommt. Die Seigerungskoeffizienten von Mn und C im System Fe-Mn-C mit Mangangehalten zwischen 10 und 30 Mass.-% wurden bisher kaum gemessen. Hier ist neben der Erstarrungs- und Abkühlgeschwindigkeit auch der Einfluss des Kohlenstoffgehaltes auf die Mikroseigerung von Bedeutung. Die Höhe und Lage der Kohlenstoffseigerungen unter Berücksichtigung der Homogenisierungseffekte bei der erhöhten Temperatur direkt unterhalb der Erstarrungstemperatur sind zu bestimmen. Ebenfalls unklar ist bisher die Grenzabkühlgeschwindigkeit der Bildung von Fe-Mn-C Phasen, hier ist der Einfluss von technisch relevanten Begleitelementen auf die Erstarrungsvorgänge zu berücksichtigen.

Die ermittelten Daten sowie deren Einfluss- und Wechselwirkungsfaktoren sollen einerseits zur Validierung der ab initio Modelle dienen und andererseits in die Entwicklung eines Rapid Ingot Prozessmodells einfließen, mit dem Ziel eine schnelle Bestimmung der Versuchseinstellungen für die Herstellung neuer Werkstoffe zu ermöglichen.

Die Herstellung von Versuchsmaterial, welches kommerziell nicht erhältlich ist, soll zum einen das reine System Fe-Mn-C, möglichst mit physikalisch niedrigsten Anteilen an Fremdelementen, besonders Gasen, wiedergeben, zum anderen auch technisch relevante Anteile dieser Elemente berücksichtigen. Bei diesen technisch relevanten Begleitelementen handelt es sich hauptsächlich um Phosphor, Schwefel, Silizium, Wasserstoff und Sauerstoff. Die Reproduzierbarkeit der erzeugten Proben ist zu gewährleisten. Hierbei steht nicht nur die Anpassung der bestehenden Ofenanlagen an die Anforderungen des Systems Fe-Mn-C, wie der Einbau eines Mangandampfabscheiders und eines Wasserstoffmessgerätes, sondern auch die auf wissenschaftlich ermittelten Erkenntnissen basierende Lenkung des Prozesses in Hinblick auf die Struktur- und Eigenschaftseinstellung im Vordergrund.

 

Aktueller Stand

Die Ziele des Teilprojektes B1 liegen im praktischen Bereich in der Herstellung chemisch und technisch reiner Proben der modernen Werkstoffgruppe Fe-Mn-C. Von theoretischer Bedeutung innerhalb des Teilprojektes B1 ist die Ermittlung von Erschmelzungs- und Erstarrungsparametern, Diffusionskoeffzienten und Grenzflächenspannungen.
Die Herstellung der technisch und chemisch reinen Proben des Systems Fe-Mn-C erfolgt am Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK). Anhand einer Mechanismenkarte aus Teilprojekt A5 werden Legierungen mit Mangangehalten zwischen 12 und 30 Gew.-% und Kohlenstoffgehalten bis 1 Gew.-% (Rest Eisen und geringe Konzentrationen an Begleitelementen) produziert. Technisch reine Modellwerkstoffe enthalten Begleitelemente, die in technischen Produktionsverfahren auftreten, das heißt, dass bei den technisch reinen Proben neben den gewünschten Elementen Fe-Mn-C auch in geringen Maßen Aluminium, Silizium, Chrom u.a. auftreten. Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung eines im SFB 761 erschmolzenen Stahls.

Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung eines am IEHK erschmolzenen Gussblock
Versuch
 Legierung
  Fe
  Mn
    C
    Si
    P 
    S
  Cr
   Ni  
 V 4
I
Rest
 21,59
 0,399
 0,01
 0,009
 0,015
 0,01
 0,01 
 
 
  Mo
   Al
    Cu
   Co
   Nb
    V  
  O
   N
 
 
0,009
 0,001
 0,0005
 0,003
 0,0023
 0,001
 0,001
 0,01

                                                                                                                                                                            

Abb. 1
Abb.1: Gussblock mit den Maßen 140x140x650
für den SFB 761

Die 100 kg schweren technischen Versuchsblöcke (Abbildung 1) werden aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität des Mangans zu Sauerstoff in Vakuuminduktionsöfen (Abbildung 2) unter Schutzgasatmosphäre (Argon) erschmolzen, vergossen (Abbildung 3) und erstarrt. Die Schutzgasatmosphäre vermeidet den Kontakt zu Sauerstoff, welcher sich wie auch andere Gase (Wasserstoff, Stickstoff) zunächst in der Schmelze und dann in der festen Legierung anreichert und dort zu unerwünschten Erscheinungen, wie z.B. Einschlüssen (Abbildung 4) oder Rissen führen kann. Im TP B1 werden die Löslichkeit der Gase Wasserstoff und Stickstoff in Abhängigkeit vom Partialdruck, der Schmelzentemperatur und Mangankonzentration untersucht um Parameter für die Grundlagenforschung zu bestimmen. Aus diesem Grund können die Wasserstoff- und Sauerstoffgehalte während des Schmelzprozesses insitu überwacht und eingestellt werden. Ein weiteres kritisches Element ist Phosphor, welches sich ohne massive Manganverluste durch eine herkömmliche Oxidation nicht aus der Schmelze entfernen lässt.

Wie auch in Abbildung 3 zu erkennen ist, bringt das Schmelzen und Vergießen der Stähle im System Fe-Mn-C erhöhte Manganverluste in Folge des hohen Mangandampfdruckes mit sich. Am IEHK werden Schmelzverfahren untersucht, die die Manganverluste gering halten sollen.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2
Abb.2: Vakuuminduktionsofen 4 am IEHK
Abb. 3
Abb.3: Abgießen der 1500°C heißen Schmelze in eine Kokille
Abb.4
Abb.4: Einschlüsse im System Fe-Mn-C

 

Abb.5
Abb.5: Vertikal aufgeschnittener Gussblock zur Darstellung von Lunker und Poren

Die Erstarrung der hochmanganhaltigen Stähle erfolgt am IEHK in gusseisernen
Kokillen. Die Kokillengeometrie ist entscheidend für die Blockgussqualität, die sich
unter anderem in Lunker- und Porenbildung äußert. Lunker und Poren sind
Schwindungshohlräume, die aufgrund des Volumendefizits von flüssiger Schmelze
zu festem Stahl entstehen, Abbildung 5. Gerade das System Fe-Mn-C zeigt Lunker,
die sich bis zur Mitte des Gussblockes ziehen und im festen Werkstück zu
unerwünschten mechanischen Eigenschaften führen. Die Blockgussqualität wird am IEHK untersucht.

 

 

 

 

 

 

Dazu gehört auch die wissenschaftliche Darstellung von Mikro- und Makroseigerungen. Seigerungen sind Konzentrationsschwankungen von Elementen, vor allem Eisen, Mangan, Kohlenstoff, innerhalb der erstarrten Primärkristalle, Stecken von 20-1000 μm (= Mikroseigerungen) (Abbildung 6) und über das gesamte Gussstück (= Makroseigerungen), Abbildung 7. Mikroseigerungen können mit Hilfe von Abkühlgeschwindigkeiten, Umformprozessen (TP B2) und Glühprozessen verringert werden. Makroseigerungen können nur durch Veränderung der Strömung während der Erstarrung gelenkt werden. Mikro- und Makroseigerungen können mit Hilfe von Line Scans oder Mappings verdeutlicht werden (TP C1).

 

Abb. 6
Abb.6: Darstellung von Mikroseigerungen durch ein Line Scan Abb.7: Darstellung von Makroseigerungen vom Blockrand bis Blockmitte.
 
 
 

Die ersten Versuchsergebnisse zeigen sowohl starke Mikro- als auch Makorseigerungen.
Aus den Daten zur Bestimmung der Seigerungen können Seigerungs- und Verteilungskoeffizienten ermittelt werden, zur Beschreibung der Erstarrung aber auch Daten für die Erstarrungssimulation (Phasenfeldsimulation, TP A4). Hierfür wurden außerdem theoretische und praktische Untersuchungen zur Bestimmung der für die Erstarrungssimulation notwendigen Grenzflächenspannungen an der Grenzfläche fest-flüssig, z. B. an der Dendritenspitze durchgeführt. Für das System Fe-Mn-C wurden in Kooperation mit der Westfälischen-Wilhems-Universität in Münster Diffusionskoeffizienten von Fe und Mn gefunden. Die ermittelten Parameter sowie deren Einfluss- und Wechselwirkungsfaktoren sollen einerseits zur Validierung der ab initio Modelle dienen und andererseits in die Entwicklung eines Rapid Ingot Prozessmodells einfließen, mit dem Ziel eine schnelle Bestimmung von Schmelz- und Erstarrungsparametern für neue Werkstoffe zu ermöglichen. Die Gussblöcke werden zum IBF transportiert um dort geschmiedet und umgeformt zu werden (weiterer Verlauf der Gussblöcke siehe Bericht TP B2). Der Brückenschlag zwischen den Eigenschaften des technisch reine Materials und der ab initio Modellierung erfolgt über die Produktion der chemisch reinen Proben, in denen die Gehalte an Begleitelementen nur in Spuren vorhanden sind. Für die Herstellung der chemischen reinen Proben werden Fe-, Mn- und C-Träger mit einer Reinheit von bis zu 99,9999% eingesetzt. Aufbauend auf ab initio Atommodellen (TP A1) (Abbildung 8) werden die chemisch reinen Proben (Abbildung 9) unter Schutzgasatmosphäre erschmolzen und die Eigenschaften mit den technisch reinen Proben verglichen.

 
Abb. 8
Abb.8: Atommodell für Legierung mit 25 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% C Abb.9: Chemisch reine Probe mit 25 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% C

Weitere Ergebnisse aus TP B1 finden Sie hier:

Gaslöslichkeiten

Manganverluste und Seigerungen

 

 

 

Abb. A und B
Abb.A

 

Abb.B
Abb.B

Im TP B1 wurden Untersuchungen zu Mikro- und Makroseigerungen durchgeführt. Abb.A zeigt eine Simulation der Erstarrungsstruktur eines hochmanganhaltigen Mischkristalls mit Mikroseigerungen zwischen den Dendritenarmen. Abb.B ist eine Mikrosondendarstellung der realen Erstarrungsstruktur, in der die in der Simulation auftretenden Seigerungen zwischen den Dendritenarmen erkennbar sind.

 

Die Arbeit des TP B1 wurde zu einer kurzen Sequenz als Online-Vorlesung auf YouTube aufbereitet: