Neue Sinterwerkstoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Eine der wesentlichen Herausforderungen im Bereich der Materialforschung und technologie ist die gezielte Einstellung (Maßschneiderung) von Materialeigenschaften über die Definition von Zusammensetzung und Prozeßroute (das sog. Paradigma der Materialwissenschaft). Dies gilt in besonderem Maß für die pulvermetallurgische (PM-)Herstellroute, bei der Metallpulver auf bestimmte Formen gepreßt und dann bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes zumindest der Hauptkomponente gesintert werden. Diese Route bietet eine besonders effiziente Rohstoff- und Materialausnutzung und damit eine Minimierung der Treibhausgasemissionen. Eine weitere Möglichkeit, die die PM-Route bietet, wird jedoch noch zu wenig genutzt, nämlich die Herstellung von Materialien mit einzigartigen Mikrostrukturen und Eigenschaften. Das vorliegende Projekt zielt auf die Nutzung von sog. Masteralloys, Pulvern, die mehrere Legierungszusätze in Kombination enthalten und in geringen Gehalten zu einem Basispulver zumeist Eisen zugemischt werden, um die Eigenschaften des fertigen Sinterstahls zu verbessern. Die Zusammensetzung dieser Masteralloys kann so formuliert werden, dass beim Sintern ganz bestimmte Anteile an flüssiger Phase gebildet werden, was die Sinterprozesse beschleunigt und damit die Eigenschaften der gesinterten Körper verbessert. Das vorliegende Projekt untersucht die folgenden Hypothesen: 1) dass durch das kombinierte Einbringen verschiedener Legierungselemente synergistische Effekte genutzt werden können, und 2) dass durch das Design der flüssigen Phase Strukturen mit gesteuerter Heterogenität ermöglicht werden, die spezielle, maßgeschneiderte Eigenschaften der Produkte ergeben. Im vorliegenden Projekt soll eine auf software tools basierende Methode für das Design flüssigphasenbildender Masteralloys verwendet werden, mit der das thermodynamische und kinetische Verhalten dieser Flüssigphasen modelliert wird. Die so gewonnenen Voraussagen werden zunächst durch makroskopische Experimente (Benetzungs- und Infiltrationstests) und anschließend an realen PM- Komponenten validiert werden. Das Ziel ist die Vorhersage und Kontrolle der komplexen Abläufe beim Sintern mit flüssiger Phase primär durch Verständnis der zugrundeliegenden Wechselwirkungen flüssig- fest-gasförmig. Durch das Design flüssiger Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften wird es möglich sein, ihre Auswirkungen auf den Sinterprozeß zu bewerten und damit die Brücke zu den mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Sinterstähle zu schlagen. Der Innovationsgehalt des Projekts liegt 1) im bottom-up-Ansatz des design (von theoretischen Modellen zu den finalen Eigenschaften), 2) der Untersuchung einer repräsentativen Anzahl von Flüssigphasen mit unterschiedlichen Eigenschaften und 3) der Nutzung von modernen Charakterisierungsmethoden für das Verständnis komplexer Prozesse wie der Interdiffusion von Elementen zwischen festen und flüssigen Phasen oder den chemischen Reaktionen mit der umgebenden Atmosphäre. Damit wird dies die erste Untersuchung sein, in der computerbasierte software tools direkt für die gezielte Einstellung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch gefertigten Konstruktionsstählen genutzt werden.

Eine der wesentlichen Herausforderungen im Bereich der Materialforschung und technologie ist die gezielte Einstellung (Maßschneiderung) von Materialeigenschaften über die Definition von Zusammensetzung und Prozessroute (das sog. Paradigma der Materialwissenschaft). Dies gilt in besonderem Maß für die pulvermetallurgische (PM-)Herstellroute, bei der Metallpulver auf bestimmte Formen gepresst und dann bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes zumindest der Hauptkomponente gesintert werden. Diese Route bietet eine besonders effiziente Rohstoff- und Materialausnutzung und damit eine Minimierung der Treibhausgasemissionen. Eine weitere Möglichkeit, die die PM-Route bietet, wird jedoch noch zu wenig genutzt, nämlich die Herstellung von Materialien mit einzigartigen Mikrostrukturen und Eigenschaften. Das vorliegende Projekt zielt auf die Nutzung von sog. Masteralloys, Pulvern, die mehrere Legierungszusätze in Kombination enthalten und in geringen Gehalten zu einem Basispulver zumeist Eisen zugemischt werden, um die Eigenschaften des fertigen Sinterstahls zu verbessern. Die Zusammensetzung dieser Masteralloys kann so formuliert werden, dass beim Sintern ganz bestimmte Anteile an flüssiger Phase gebildet werden, was die Sinterprozesse beschleunigt und damit die Eigenschaften der gesinterten Körper verbessert. Das vorliegende Projekt untersucht die folgenden Hypothesen: 1) dass durch das kombinierte Einbringen verschiedener Legierungselemente synergistische Effekte genutzt werden können, und 2) dass durch das Design der flüssigen Phase Strukturen mit gesteuerter Heterogenität ermöglicht werden, die spezielle, maßgeschneiderte Eigenschaften der Produkte ergeben. Im vorliegenden Projekt soll eine auf software tools basierende Methode für das Design flüssigphasenbildender Masteralloys verwendet werden, mit der das thermodynamische und kinetische Verhalten dieser Flüssigphasen modelliert wird. Die so gewonnenen Voraussagen wurden zunächst durch makroskopische Experimente (Benetzungs- und Infiltrationstests) und anschließend an realen PM-Komponenten validiert. Die Ergebnisse zeigen, wie kritisch sich die Zusammensetzung auf die Benetzung und Infiltrationsfähigkeit der flüssigen Phasen gegenüber metallischen Substraten auswirkt. Die Gehalte an Silizium und Kohlenstoff wurden hierbei als die entscheidenden Parameter identifiziert. Das Projekt konnte aufgrund beruflicher Veränderung der Koordinatorin nicht vollständig durchgeführt werden und wurde nach 8 Monaten beendet. Trotzdem bilden die Ergebnisse eine profunde Basis für weitere Entwicklungen. Die zukünftige Arbeit besteht darin, die Eigenschaften, die durch Computermodelle generiert wurden, mit den realen Eigenschaften der entwickelten Materialien zu verlinken. Durch die Besonderheiten der pulvermetallurgischen Herstellungsvariante ist es möglich, einzigartige Mikrostrukturen herzustellen, die besondere Eigenschaften zeigen. Mit den im Rahmen des Projektes entwickelten Methoden können solche einzigartigen Mikrostrukturen modelliert und somit an die Bedürfnisse angepasst werden, um schließlich Materialien für zukünftige herausfordernde Anwendungen zu produzieren. Durch das Design flüssiger Phasen mit unterschiedlichen Eigenschaften wird es möglich sein, ihre Auswirkungen auf den Sinterprozess zu bewerten und damit die Brücke zu den mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Sinterstähle zu schlagen. Der Innovationsgehalt des Projekts liegt 1) im bottom-up-Ansatz des design (von theoretischen Modellen zu den finalen Eigenschaften), 2) der Untersuchung einer repräsentativen Anzahl von Flüssigphasen mit unterschiedlichen Eigenschaften und 3) der Nutzung von modernen Charakterisierungsmethoden für das Verständnis komplexer Prozesse wie der Interdiffusion von Elementen zwischen festen und flüssigen Phasen oder den chemischen Reaktionen mit der umgebenden Atmosphäre. Damit würde dies die erste Untersuchung sein, in der computerbasierte software tools direkt für die gezielte Einstellung der mechanischen Eigenschaften von pulvermetallurgisch gefertigten Konstruktionsstählen genutzt werden.