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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten
und zähduktilen Stahl-Dispersionswerkstoffes
und seine Verwendung als Guss- und Knetlegierung in Form eines Kompakt- oder
eines Schichtwerkstoffes für
Bau- und Konstruktionsteile, die Crash- und Verschleißbeanspruchungen
oberhalb und unterhalb Raumtemperatur ausgesetzt sind und ein spezifisches
Eigenschaftsprofil aufweisen.
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Keramische
Partikel sind in Stählen
in der Regel unerwünscht.
Durch keramische Teilchen im Stahl wächst die Versprödungsneigung
und die Bruchgefahr nimmt zu. Darüber hinaus wird in Knetlegierungen
das Umformvermögen
erschwert, während
das Verfestigungsverhalten zunimmt. Die Art, die Menge, die Größe, die
Form und die Verteilung der Keramikpartikel haben maßgeblichen
Einfluss auf die negative Beeinflussung der Stahleigenschaften vor
allem bezüglich
Duktilität
und Zähigkeit.
Je größer der
Mengenanteil und die Partikelgrößen sind,
je ungleichmäßiger und
unregelmäßiger ihre Form
ist, desto größer ist
ihre negative Wirkung. Die eingelagerten Keramikpartikel verursachen
eine Dispersionsverfestigung. Der Stahl wird dadurch spröder, fester
und härter.
Darüber
hinaus wird das Umformvermögen
eingeschränkt
und der Verschleißwiderstand
steigt [1, 2]. Mittels metallurgischer Maßnahmen versucht man deshalb
die Keramikpartikel und die nichtmetallischen Einschlüsse aus
der Schmelze zu bekommen. Zu diesem Zweck werden z. B. Schaum- und
Kanalfilter verwendet. Sie führen zu
einer Abscheidung der Keramikpartikel und nichtmetallischen Einschlüsse während des
Abgießens der
Stahlschmelze. Dadurch wird der Reinheitsgrad des Stahles verbessert,
was sich positiv auf die Zähigkeitseigenschaften
auswirkt. Um in Stählen
die Mindestanforderungen an die Zähigkeitseigenschaften zu erfüllen, ist
die Vorgabe eines festgelegten mikroskopischen Reinheitsgrades für bestimmte
Stähle vorgeschrieben.
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Bezüglich der
Anwesenheit von Keramikteilchen im Stahl bilden lediglich die so
genannten ODS-Legierungen (Oxid-Dispersion) auf der Basis von Fe-
und Ni-Legierungen eine Ausnahme [3]. In diesen Fällen werden
Dispersionsteilchen den Legierungen zur Verbesserung der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit
und zur Verbesserung der Hochtemperatur- und der Kriechfestigkeit
eingesetzt. Die Herstellung solcher Legierungen erfolgt auf pulvermetallurgischem
Weg. Die schmelzmetallurgische Herstellungsroute versagt, da ein
Großteil
der in Frage kommenden Keramikteilchen sich in der Schmelze auflöst bzw.
die Teilchen aufgrund ihrer gegenüber dem Stahl geringeren Dichte
aufschwimmen. Nur Partikel, die nach der Erstarrung in der Stahlmatrix vorliegen,
verursachen eine Dispersionsverfestigung.
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In
der Patentschrift
FR
2057562 A5 wird ein Verfahren zur Herstellung von Dispersionswerkstoffen über die
pulvermetallurgische Route durch Pressen und Sintern beschrieben.
Dabei geht es um die Herstellung von Dispersionswerkstoffen, die
jeweils aus einer metallischen und einer keramischen Komponente,
die unterschiedlich sind, bestehen. Als metallische Komponente sind
dabei hochlegierte Stähle in
Form von ODS-Legierungen verwendet worden. Dessen Anteil im Verbund
dominiert. Der Keramikanteil beträgt dabei mindestens 15%. Die
Keramikteilchen werden durch den Sinterprozess gleichmäßig im Dispersionswerkstoff
verteilt. Die Größe der Teilchen
wird mit kleiner 3 μm
angegeben. Bei den Keramikteilchen handelt es sich um Oxide, Karbide,
Nitride und/oder Boride des Aluminiums, der seltenen Erden, des
Titans, des Siliziums oder des Zirkoniums.
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Stahl-Dispersionswerkstoffe
beziehen sich bisher nur auf ODS-Legierungen, die ausschließlich pulvermetallurgisch
hergestellt werden.
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Der
TRIP/TWIP-Effekt (transformation induced plasticity/twinning induced
plasticity) in Stahl-Dispersionswerkstoffen ist bisher nicht bekannt.
Ebenso fehlen Ergebnisse, die den Einfluss der Keramikpartikel auf
den TRIP/TWIP-Effekt im Stahl beschreiben. So ist nicht bekannt,
welchen Einfluss oxidische und nichtoxidische Keramikpartikel auf
den TRIP/TWIP-Effekt in Stählen
und damit auf die mechanischen Eigenschaften, das Umformvermögen und
das Energieabsorptionsvermögen
ausüben.
Es gibt bisher keine Literaturhinweise über den TRIP/TWIP-Effekt in
Stahl-Dispersionswerkstoffen. Technische Anwendungen sind gleichfalls
nicht bekannt.
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Neben
den guten Hochtemperatureigenschaften der ODS-Legierungen lässt sich
durch eingebrachte Keramikteilchen auch der Verschleißwiderstand
in Stählen
erhöhen.
Damit verbunden ist aber ein Abfall der Zähigkeitseigenschaften, d. h.
die Stähle
zeigen eine erhöhte
Sprödbruchneigung.
Aus diesem Grund wird dieser Verfahrensweg zur Verbesserung der
Verschleißeigenschaften
technisch nicht genutzt.
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Werden
hingegen Keramikschutzschichten auf den Stahl aufgebracht, so bleibt
die Zähigkeit
des Stahles weitestgehend erhalten. Die Oberflächenschicht schützt den
Stahl vor Verschleiß und
Korrosion. Die Gefahr einer erhöhten
Sprödbruchneigung
ist dadurch reduziert. Schneidwerkstoffe, wie Wendeplatten und Bohrer
sind dafür
charakte ristische Beispiele [1, 2].
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Nachteilig
am Stand der Technik ist die pulvermetallurgische Herstellung des
Dispersionswerkstoffes durch Pressen und Sintern. Vor allem zur
Minimierung der Porosität
des Dispersionswerkstoffes sind aufwendige technologische Maßnahmen
zu treffen, die die Herstellung verteuern. Pulvermetallurgisch hergestellte
Dispersionswerkstoffe zeigen in der Regel eine Restporosität, die sich
nachteilig auf die Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften auswirkt.
Die Herstellung von Stahl-Dispersionswerkstoffen auf schmelzmetallurgischen
Weg unter Einbeziehung von Stählen
mit TRIP/TWIP-Eigenschaften
zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und dadurch erweiterter
Anwendungsbereiche wird bisher technisch nicht genutzt.
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Der
in den Hauptansprüchen
angegebenen Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen hochfesten
und zäh-duktilen
Stahl-Dispersionswerkstoff mit erhöhtem Verschleißwiderstand
herzustellen und ihn als Guss- und Knetlegierung für die Herstellung
von Kompakt- und Schichtwerkstoffen und von Bau- und Konstruktionsteilen,
die oberhalb und unterhalb Raumtemperatur und vorzugsweise für crash-
und verschleißbeanspruchte
Teile eingesetzt werden, zu verwenden. Der Stahl-Dispersionswerkstoff
soll bei Raumtemperatur eine 0,2%-Mindestdehngrenze von 300 MPa,
eine Mindestzugfestigkeit von 600 MPa, eine Mindestbruchdehnung
von 20% und eine Mindestkerbschlagarbeit von 30 J aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, dass hochaufschmelzende,
keramische Partikel einem Stahl mit TRIP/TWIP-Eigenschaften im schmelzflüssigen Zustand
zugeführt
werden und nach der Erstarrung und Abkühlung die Partikel im Gefüge gleichmäßig verteilt
vorliegen. Die Zuführung der
Teilchen erfolgt mittels einer Lanze durch Einblasen in die flüssige Schmelze
und/oder durch Einblasen der Teilchen in den flüssigen Gießstrahl während des Abgießprozesses.
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Als
hochaufschmelzende keramische Partikel werden oxidische oder nichtoxidische
Keramikpartikeln bzw. Mischungen aus beiden Arten eingesetzt. Als
oxidische Keramikpartikel werden Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliciumoxid,
Aluminiumtitanat und/oder Oxide der Seltenen Erden eingesetzt, als nichtoxidische
Keramikpartikel Karbide der Elemente Titan, Silizium, Bor und/oder
Zirkon und/oder Nitride der Elemente Silizium, Aluminium und/oder
Bor und/oder Boride der Elemente Titan, Zirkon und/oder Silizium.
Der Phasenanteil der Partikel ist kleiner 30% und die mittlere Partikelgröße liegt
bei kleiner 5 μm.
Die Keramikteilchen bewirken je nach Art, Menge, Größe, Form
und Verteilungsgrad der Partikel einen entsprechenden Festigkeitsanstieg
auf hohem Duktilitäts-
und Zähigkeitsniveau.
Sowohl aus diesem Dispersionswerkstoff hergestelltes Schicht- und Kompaktmaterial
als auch Bau- und Konstruktionsteile sind deshalb in der Lage, im
Beanspruchungsfall, wie z. B. bei Crash oder Verschleiß, hohe
Spannungen aufzunehmen und einen TRIP/TWIP-Effekt auszulösen. Da
die Grundfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten partikelverstärkten Stahles
angehoben ist, ist die Bildung von verformungsinduzierten Martensit
verstärkt.
Das heißt,
der TRIP/TWIP-Effekt kann auf einem höheren Festigkeitsniveau stattfinden.
Das hat einen weiteren Anstieg der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung
und der Kerbschlagarbeit zur Folge. Die Versagensgrenzen des Stahl-Dispersionswerkstoffes
werden angehoben.
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Überraschenderweise
konnte gefunden werden, dass der TRIP/TWIP-Effekt im Stahl durch
die Keramikpartikel nicht bzw. nicht wesentlich beeinflusst wird.
Die Einlagerung der Keramikpartikel in das Gefüge und deren Verteilung beeinflusst
die Austenitstabilität
des Stahles nicht bzw. nicht wesentlich. Das heißt, der durch die Austenitstabilität und damit durch
die chemische Zusammensetzung des Austenits kontrollierte TRIP/TWIP-Effekt bleibt erhalten. Dadurch
gelingt es, herkömmliche
austenithaltige Stähle
mit TRIP/TWIP-Effekt für
die Herstellung von hochfesten und zäh-duktilen Stahl-Dispersionswerkstoffen
zu verwenden.
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Der
große
Vorteil bei der technischen Nutzung derartiger Stahl-Dispersionswerkstoffe
besteht darin, dass die chemische Zusammensetzung des Stahles nicht
auf die Art der verwendeten Keramikpartikel abgestimmt werden muss.
Das ist ein wesentlicher Unterschied gegenüber herkömmlichen TRIP/TWIP-Stählen. Dort
erfolgt die Ausscheidung der Partikel, wie zum Beispiel der Karbide
und Nitride, in der festen Phase. Dadurch tritt eine maßgebliche
Beeinträchtigung
der Austenitstabilität
und damit des TRIP/TWIP-Effekts
ein. Die ablaufenden Ausscheidungsprozesse in TRIP/TWIP-Stählen müssen deshalb
bezüglich
der chemischen Zusammensetzung des Stahles oder/und der Wärmebehandlung abgestimmt
sein. Das hat einen technologischen und materiellen Mehraufwand
an Energie und Material zur Folge.
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Ein
weiterer Vorteil des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Stahl-Dispersionswerkstoffes
liegt in der Anhebung der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung und der
Kerbschlagarbeit, so dass hochfeste und zäh-duktile Stahl-Dispersionswerkstoffe
entstehen. Das bedeutet zunächst, dass
durch die eingelagerten Keramikpartikel der Stahl-Dispersionswerkstoff
fester wird. Dadurch ist der Stahl-Dispersionswerkstoff in der Lage,
im Beanspruchungsfall höhere
Spannungen zu übertragen. Der
Spannungsbereich, in dem ein TRIP/TWIP-Effekt ausgelöst wird,
wird erweitert. Das führt
zu einem weiteren Anstieg der Zugfestigkeit und gleichzeitig zu einer
Anhebung der Bruchdehnung und Kerbschlagarbeit. Der Stahl-Dispersionswerkstoff
wird dadurch noch fester und gleichzeitig auch zäh-duktil. Die Zugfestigkeit
des Dispersionswerkstoffes übersteigt
die Zugfestigkeit des verwendeten Stahles. Die Duktilitäts- und
Zähigkeitseigenschaften
des Stahl-Dispersionswerkstoffes sind im Vergleich zum entsprechenden
TRIP-Stahl abgesenkt. Es existiert aber aufgrund des TRIP/TWIP-Effekts
auf erhöhtem
Festigkeitsniveau eine gleichzeitig hohe Verformungsreserve, die
den Stahl-Dispersionswerkstoff
vor Bruch schützt.
Unter Belastung können
somit größere Kräfte rissfrei
aufgenommen werden. Die Festigkeits-, Duktilitäts- und Zähigkeitseigenschaften können in Abhängigkeit
von der Art, der Menge, der Größe, der Form
und der Verteilung der Partikel in einem großen Intervall aufeinander abgestimmt
werden, so dass sich maßgeschneiderte
Eigenschaften, z. B. bezüglich
der Zugfestigkeit, der Bruchdehnung und der Kerbschlagarbeit einstellen
lassen.
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Ein
weiterer Vorteil ist weiterhin darin zu sehen, dass der Verschleißwiderstand
des erfindungsgemäß hergestellten
Stahl-Dispersionswerkstoffes gegenüber dem Verschleißwiderstand
eines Stahles mit TRIP-Effekt angehoben ist. Im Stahl-Dispersionswerkstoff
wirken die eingelagerten Keramikpartikel und zusätzlich der Stahl aufgrund seines
TRIP-Effektes verschleißhemmend.
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Gegenüber austenitischen
TRIP/TWIP-Stählen
wird durch den erfindungsgemäß hergestellten Stahl-Dispersionswerkstoff
vor allem die Festigkeit und die Härte erhöht. Es werden eine höhere 0,2%-Dehngrenze
und eine höhere
Zugfestigkeit erreicht. Dadurch bringt der erfindungsgemäße Stahl-Dispersionswerkstoff
einen höheren
Widerstand gegenüber
einer Crash- und Verschleißbeanspruchung
auf. Gegenüber
vergleichbaren TRIP/TWIP-Stählen
besteht eine etwas abgeschwächte
Duktilität
bzw. Zähigkeit,
die sich in einer niedrigeren Bruchdehnung bzw. Kerbschlagarbeit zeigt.
Das Umformvermögen
von Knetlegierungen aus dem erfinderischen Stahl-Dispersionswerkstoff ist
etwas eingeschränkt.
Die Bruchdehnung im erfindungsgemäßen Stahl-Dispersionswerkstoff
liegt über 20%
und die Kerbschlagarbeit über
30 J, so dass der Stahl-Dispersionswerkstoff
als zäh-duktil
anzusehen ist.
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Thermische
und thermo-mechanische Behandlungen werden für die Stahl-Dispersions- Werkstoffe mit dem
Ziel durchgeführt,
einen metastabilen austenitischen bzw. austenithaltigen Gefügezustand zu
erzeugen und die für
den TRIP/TWIP-Effekt notwendige Austenitstabilität zu erreichen. Die Größe und die
gleichmäßige Verteilung
der in die Schmelze eingebrachten Keramikteilchen erfolgt ausschließlich durch
metallurgische Maßnahmen.
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Der
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Stahl-Dispersionswerkstoff findet für crash- und verschleißbeanspruchte
Bau- und Konstruktionsteile Verwendung. Er ist auch einsetzbar für Bau- und
Konstruktionsteile in der Anlagen- und Kältetechnik und für crashbeanspruchte
Bau- und Konstruktionsteile in der Fahrzeug- und Flugzeugindustrie.
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Durch
die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Stahl-Dispersionswerkstoffe als Kompakt- und Schichtwerkstoff und
für Konstruktions- und Bauteile wird
die Leichtbauweise favorisiert, und es werden Kosten für Energie
und Material eingespart.
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Der
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Stahl-Dispersionswerkstoff weist eine 0,2%-Dehngrenze
von größer 300
bis 800 MPa, eine Zugfestigkeit von 600 bis 1600 MPa, eine Bruchdehnung
von 20 bis 70% und eine Kerbschlagarbeit von größer 30 bis 250 J im gegossenen
und gekneteten Zustand auf. Die jeweils höheren Festigkeits-, Duktilitäts- und
Zähigkeitseigenschaften
von ca. 10% werden dabei für
die Knetlegierungen registriert.
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Ausführungsbeispiel
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In
einem Induktionsofen wird die flüssige Schmelze,
die aus einem austenitischen CrMnNi-Stahl X5CrNiMn16 7 7 besteht,
mit 5% kubischem Bornitrid mit einer Korngröße von 0,5 μm versetzt. Als Folge der Badbewegung
verteilen sich die harten Bornitridteilchen, welche nicht aufschmelzen,
im flüssigen
Stahl. Um eine gleichmäßige Verteilung
der Partikel im abgegossenen Stahl zu erreichen, werden die Teilchen
kurz vor dem Abguss mittels einer Keramiklanze in die flüssige Schmelze
eingeblasen und darüber
hinaus erfolgt ein Einblasen der Teilchen über den flüssigen Gießstrahl.
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Der
auf diese Weise hergestellte Stahl-Dispersionswerkstoff weist eine
Zugfestigkeit von 650 MPa, eine Bruchdehnung von 45% und eine Kerbschlagarbeit
von 55 J bei Raumtemperatur auf. Bei Raumtemperatur und Temperaturen
bis –78°C verhält sich der
Stahl-Dispersionswerkstoff trotz weiter angehobener Festigkeitswerte
noch zäh
und duktil. Die im Anspruch 1 angegebenen Mindestwerte für die Bruchdehnung
und die Kerbschlagarbeit werden nicht unterschritten. Darüber hinaus
weist der erfindungsgemäße Stahl-Dispersionswerkstoff
aufgrund seiner TRIP/TWIP-Eigenschaften ein hohes Energieabsorptionsvermögen und
eine niedrige Verschleißrate
auf. Das bedeutet, dass bei einer schlagartigen oder Verschleißbeanspruchung
der Stahl-Dispersionswerkstoff sich verfestigt und gleichzeitig
in stärkerem
Maße verformt
als vergleichbare Stähle
ohne TRIP/TWIP-Effekt. Deshalb eignet sich der Stahl-Dispersionswerkstoff
besonders für
crashbeanspruchte Bau- und Konstruktionsteile im Automobilbau und
für Verschleißteile.
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Insbesondere
wird der Stahl-Dispersionswerkstoff als Guss- und Knetwerkstoff
in Form eines Kompakt- oder eines Schichtwerkstoffes und für Bau- und
Konstruktionsteile, die oberhalb und unterhalb Raumtemperatur äußeren Beanspruchungen,
wie z. B. Verschleiß und
statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzt sind, verwendet.
Das können z.
B. Crashboxen bei Kraftfahrzeugen oder Innenauskleidungen von Rohren
sein.
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Literatur
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- [1] Weißbach,
W.: Werkstoffkunde, Vieweg Verlag, 2007
- [2] Bargel, H. J. und G. Schulze.: Werkstoffkunde, VDI-Verlag,
2004
- [3] Bürget,
R.: Handbuch der Hochtemperatur-Werkstofftechnik, Vieweg Verlag,
2006