Systematische Verbesserung der Stahleigenschaften durch nichtmetallische Einschlüsse

Nichtmetallische Einschlüsse in Stählen wirken sich im Allgemeinen in Abhängigkeit ihrer Anzahl, Größe, Morphologie und Zusammensetzung negativ auf die Werkstoffeigenschaften aus. Je nach Anwendungsgebiet werden unterschiedliche Anforderungen an den Reinheitsgrad des Stahls und seine Eigenschaften (vor allem Festigkeit und Zähigkeit) gestellt. Das Ziel des vorliegenden Projekts ist die gezielte Ausnützung vorhandener nichtmetallischer Einschlüsse zur Beeinflussung der Mikrostruktur und einer damit verbundenen Verbesserung der Werkstoffeigenschaften. Es ist bekannt, dass Stähle mit einem hohen Volumenanteil an azikularem Ferrit eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit und Zähigkeit aufweisen und dass Einschlüsse als Keimstellen für die Bildung von azikularem Ferrit wirken können. Der entscheidende dafür verantwortliche Mechanismus und die damit verbundenen Einflussfaktoren unter Berücksichtigung der Stahlzusammensetzung sind bislang jedoch nicht eindeutig geklärt. Dieses Projekt beschäftigt sich mit einer grundlegenden Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Einschlüssen und der Mikrostruktur, wobei im Speziellen auf den Einfluss verschiedener Legierungselemente und die Wirkung verschiedener Einschlüsse auf die Bildung von azikularem Ferrit eingegangen werden soll. Besonderes Augenmerk soll auf den Einfluss von Titan sowie die Rolle von mehrphasigen Einschlüssen gelegt werden. Weiters soll in diesem Zusammenhang das Potenzial seltener Erden im Detail behandelt werden. Zur Beantwortung der Fragestellung sind die Kombination mehrerer experimenteller und analytischer Methoden sowie thermodynamische und kinetische Berechnungen notwendig. Auf Basis einer fundierten Literaturstudie und eine Optimierung der analytischen Methoden, sollen verschiedene Legierungszusammensetzung mit einer definierten Einschlusslandschaft im Labor hergestellt werden. Diese bilden die Basis für weiterführende Untersuchungen als auch für die anschließende Werkstoffprüfung. Ein wesentlicher Bestandteil des Projekts wird auch die "in-situ" Beobachtung von ablaufenden Reaktionen (Phasenumwandlungen, Einschlussbildung und - modifikation) mithilfe eines Hochtemperatur - Laser Scanning Konfokal Mikroskops sein. Die Einschlusscharakterisierung wird hauptsächlich mit REM/EDX und der klassischen Lichtmikroskopie erfolgen. Die Anwendung von EBSD (Electron Backscatter Diffraction) Messungen und Analysen mit einer Atomsonde ermöglichen einen detaillierten Einblick in die kristallographische Orientierung verschiedener Komponenten der Mikrostruktur also auch eine dreidimensionale Rekonstruktion von Elementverteilungen in einem definierten Volumen. In einem zweiten Schritt soll die Einschlusslandschaft auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse optimal modifiziert werden, wodurch sich neue Perspektiven für ein gezieltes Werkstoffdesign ergeben würden.

Der Anwendungsbereich von Stahl ist sehr vielseitig. Um die geforderte Produktqualität zu gewährleisten als auch plötzliches Materialversagen zu vermeiden, sind die Werkstoffeigenschaften von großer Bedeutung. Eine besondere Herausforderung stellt die zunehmendeForderung nach Gewichtseinsparung bei gleichbleibenden Festigkeitseigenschaften, primär im Automobilbau, dar. Dies ist notwendig, um den Werkstoff Stahl gegenüber Aluminium oder Verbundwerkstoffen konkurrenzfähig zu halten. Der sogenannte Reinheitsgrad wird definiert durch Anzahl, Größe und Typ von nichtmetallischen Einschlüssen. Gemeinsam mit der Mikrostruktur beeinflusst er die finalen Stahleigenschaften wesentlich. Grundsätzlich soll der Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen in der Stahlmatrix so gering wie möglich sein. Die Einschlussbildung während der Stahlherstellung kann aber nicht zur Gänze vermieden werden. Ziel des Projekts war daher die gezielte Anpassung des Reinheitsgrads, um zum einen die Produktqualität nicht zu gefährden, aber zum anderen genügend definierte Keimstellen für die Ausbildung einer speziellen Mikrostruktur anzubieten, welche die Stahleigenschaften positiv beeinflusst. Der Fokus im Projekt lag auf der Ausbildung von sogenanntem Azikularferrit - eine spezielle Form der Mikrostruktur mit ausgezeichneten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften. Die zugrundeliegenden Mechanismen als auch verschiedene Einflussparameter wurden im Labormaßstab an verschiedenen Stahlgüten untersucht. Mit der entwickelten mehrstufigen Methodik werden Einschlüsse nicht in Form von synthetischen Partikeln der Stahlschmelze zugesetzt, was wiederum zu einer Verschlechterung des Reinheitsgrads führen würde. Es werden ausschließlich Einschlüsse für die Einstellung der Mikrostruktur genutzt, die ohnehin im Stahl aufgrund verschiedenster Reaktionen gebildet werden. Im Zuge des Projekts wurde neben den Faktoren Kühlrate und Austentikorngröße wesentliches Augenmerk auf die Wirkung diverser Legierungselemente als auch das Potential verschiedener Einschlusstypen für die Bildung von Azikularferrit gelegt. Eine spezielle, angewandte Methode im Projekt war die sogenannte Hochtemperatur Laser Scanning Konfokalmikroskopie. Diese erlaubt die in-situ Beobachtung der Einschluss- als auch der Azikularferritbildung bei sehr hohen Temperaturen. Daraus konnten wertvolle Rückschlüsse auf grundlegende Reaktionen getroffen werden. Die erzielten Ergebnisse sollen nun zur Entwicklung von verbesserten Legierungskonzepten für Stähle mit höchsten Anforderungen beitragen.