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Die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle (MNS) wird wesentlich von der chemischen Zusammensetzung und dem Wärmebehandlungszustand beeinflusst. Beides bestimmt die Verteilung der Legierungselemente im Gefüge und die daraus resultierenden Werkstoffeigenschaften. Das Legieren mit Stickstoff bewirkt im Allgemeinen eine Verbesserung der Lochkorrosionsbeständigkeit von nichtrostenden Stählen. Bei martensitischen nichtrostenden Stählen ist dieser Effekt nicht nur auf den Stickstoffgehalt selbst zurückzuführen, sondern auch auf den gleichzeitig verringerten Kohlenstoffgehalt, der ebenfalls das Ergebnis der Wärmebehandlung beeinflusst. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit in Bezug zum Härtungsprozess von MNS dargestellt. Dazu wird vergleichend der Effekt von Austenitisierungsdauer, -temperatur und Abkühlgeschwindigkeit auf Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit der MNS X50CrMoV15 und X30CrMoN15 1 untersucht. Die Abkühlgeschwindigkeit wurde mit dem Stirnabschreckversuch gezielt variiert, um den Einfluss von Abkühlgeschwindigkeiten von > 100 K/s bis 1 K/s zu charakterisieren. Die Veränderungen der Korrosionsbeständigkeit werden durch die elektrochemisch potentiodynamische Reaktivierung (EPR) und durch die Bestimmung kritischer Lochkorrosionspotentiale dokumentiert. Neben diesem experimentellen Ansatz werden auch die Ergebnisse von thermodynamischen Berechnungen mit der Software Thermocalc vorgestellt und abschließend auch zur Interpretation des Einflusses von Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle genutzt.
Werkstoffe
(2014)
Für die Realisierung des in der Produktentwicklung entstandenen Produkts in der Fertigung steht heutzutage eine Vielzahl moderner Werkstoffe zur Verfügung. Ein Werkstoff ist ein Stoff, der mit der Absicht einer technischen Verwendung hergestellt wird. Werkstoffe sind feste Stoffe und grenzen sich von flüssigen Stoffen wie beispielsweise Treibstoffen und Schmierstoffen ab. Eine Einteilung der Werkstoffe in verschiedene Gruppen kann auf verschiedene Arten erfolgen, beispielsweise nach dem Einsatzgebiet, der Art der chemischen Bindung oder dem inneren Aufbau.
Das Korrosionsverhalten von kohlenstoffhaltigen martensitischen nichtrostenden Stählen variiert in Abhängigkeit der Wärmebehandlung (WB) und der damit eingestellten Mikrostruktur deutlich stärker als bei kohlenstoffarmen ferritischen und austenitischen nichtrostenden Stählen. Bei erhöhtem Kohlenstoffgehalt bestimmt die diffusionsgesteuerte Bildung und Auflösung von Chromkarbiden die Verteilung von Chrom und Kohlenstoff im Gefüge. Bisher lag der Fokus von Forschungsarbeiten zum Einfluss der WB auf dem Anlassen im allgemein bekannten Sensibilisierungsbereich dieser Werkstoffgruppe zwischen 200 °C und 700 °C und der dort auftretenden Chromverarmung. Mit der gezielten WB des X46Cr13 (1.4034) wird gezeigt, dass Temperatur und Dauer beim Austenitisieren sowie die anschließende Abkühlung beim Härten das Korrosionsverhalten schon vor dem Anlassen signifikant beeinflussen. Auf der Basis von thermodynamischen Berechnungen wurden definierte WB ausgewählt, um gezielt unterschiedliche Volumengehalte von Chromkarbiden im Gefüge und somit auch unterschiedliche Chrom bzw. Kohlenstoffgehalte im Mischkristall zu erzeugen. Anschließend wurden die resultierenden Gefügezustände hinsichtlich Chromkarbidanteil und Härte verglichen und das Korrosionsverhalten mit der elektrochemisch potentiodynamischen Reaktivierung (EPR) sowie durch einen Schnelltest mit der KorroPad-Prüfung untersucht. Dabei konnte ein direkter Zusammenhang zwischen WB, Mikrostrukturänderungen und Korrosionsverhalten festgestellt werden. Mit steigender Austenitisierungstemperatur wird der Anteil an Chromkarbiden reduziert und der Kohlenstoff- und Chromgehalt der Matrix erhöht, bis eine vollständige Auflösung der Chromkarbide gegeben und die chemische Nennzusammensetzung der Legierung im Mischkristall erreicht ist. In der direkten Folge wird die Ausbildung der für nichtrostende Stähle charakteristischen Passivschicht erleichtert und das Lochkorrosionsverhalten verbessert. Die Abkühlrate hat neben den Austenitisierungsparametern ebenfalls einen großen Einfluss auf das Korrosionsverhalten. So führt eine langsame Abkühlung an Luft zu einer Chromverarmung im Gefüge, die eine deutlich erhöhte Lochkorrosionsanfälligkeit zur Folge hat. In Abhängigkeit der WB von kohlenstoffhaltigen nichtrostenden Stählen können Mikrostruktur, Härte und Korrosionsbeständigkeit in einem weiten Bereich variieren.
Quenching and partitioning (Q&P) heat Treatment increases the deformability of high-strength martensitic steels. Therefore, it is necessary to have some metastable austenite in the microstructure, which transforms in martensite during plastic deformation (TRIP effect). The austenitic-martensitic microstructure is gained by an increased austenitization temperature, water quenching and additional partitioning. The partitioning enables local carbon diffusion, which stabilizes retained austenite and leads to partial reversion of martensite to austenite. The influence of partitioning time was studied for the martensitic stainless steel AISI 420 (X46Cr13, 1.4034). In line with these efforts, metallographic, XRD and EBSD measurements were performed to characterize the microstructural evolution. The mechanical properties were tested using tension and compression loading. Additional corrosion investigations showed the benefits of Q&P heat treatment compared to conventional tempering. The reversion of austenite by the partitioning treatment was verified with EBSD and XRD. Furthermore, the results of the mechanical and corrosion testing showed improved properties due to the Q&P heat treatment.
The duplex stainless steel 1.4062 (X2CrNiN22-2) is used as alternative material to austenitic stainless steels in the construction industry. The corrosion resistance of welded seams is influenced by the base material, the weld filler material, the welding process and also by the final surface treatment. The scale layer next to the weld seam can be removed by grinding, pickling, electro-polished or blasting depending on the application and the requested corrosion resistance. Blasted surfaces are often used in industrial practice due to the easier and cheaper manufacturing process compared to pickled or electro-polished surfaces. Furthermore blasting with corundum-grain is more effective than blasting with glass-beads which also lower the process costs. In recent years, stainless steel surfaces showed an unusually high susceptibility to pitting corrosion after grinding with corundum. For this reason, it is now also questioned critically whether the corrosion resistance is influenced by the applied blasting agent. This question was specifically investigated by comparing grinded, pickled, corundum-grain- and glass-bead-blasted welding seams. Results of the SEM analyses of the blasting agents and the blasted surfaces will be presented and correlated with the different performed corrosion tests (potential measurement, KorroPad-test and pitting potential) on welding seams with different surface treatments.
The novel heat treatment concept, “quenching and partitioning” (Q&P) has been developed for high strength steels with enhanced formability. This heat treatment involves quenching of austenite to a temperature between martensite start and finish, to receive a several amount of retained austenite. During the subsequent annealing treatment, the so called partitioning, the retained austenite is stabilized due to carbon diffusion, which results in enhanced formability and strength regarding strain induced austenite to martensite transformation. In this study a Q&P heat treatment was applied to a Fe-0.45C-0.65Mn-0.34Si-13.95Cr stainless martensite. Thereby the initial quench end temperature and the partitioning time were varied to characterize their influence on microstructural evolution. The microstructural changes were analysed by dilatometer measurements, X-ray diffraction and scanning electron microscopy, including electron back-scatter diffraction. Compression testing was made to examine the mechanical behaviour. It was found that an increasing partitioning time up to 30 min leads to an enhanced formability without loss in strength due to a higher amount of stabilized retained and reversed austenite as well as precipitation hardening.
The novel heat treatment concept of “Quenching and Partitioning” (Q&P) enables producing low alloyed martensitic steels with high strength and formability. Therefore austenite, retaining from a quenching temperature between Mf and Ms, is stabilised by carbon diffusion. This stabilised austenite transforms in martensite (TRIP effect) under mechanical loading. Current investigations on the Q&P heat treatment of martensitic stainless steels reveal a further enhancement of mechanical properties due to higher amounts of austenite. Thus a tensile strength of 1.800 MPa and a maximum elongation of 20 % are possible, while mechanical properties under compression are much higher due to a distinct SD effect.
The presentation aims to gain a further understanding of the Q&P heat treatment and the resulting mechanical properties for the steel X46Cr13, especially the mechanical behaviour under dynamic mechanical loading condition. Results of drop work and Split Hopkinson Pressure Bar test confirms the findings of quasi static compression test. Furthermore, Charpy impact tests show higher impact toughness compared to the common heat treatment of quenching and tempering (Q&T). Complementary investigations indicate a higher corrosion resistance of Q&P compared to Q&T.
The quenching and partitioning (Q&P) heat treatment enables a higher deformability of high strength martensitic steels. The Q&P heat treatment was applied on the martensitic stainless steel 1.4034 (X46Cr13) to study the influence of partitioning time. Therefore, extensive characterizations of the mechanical properties, focussing on the materials behaviour under different mechanical load scenarios, were performed. A comprehensive analysis of the microstructural evolution was per-formed for different heat treatment and mechanical loading states. A complete solution of chromium carbides was detected to be a first requirement for successful Q&P heat treatment. The comparison of common quenching and tempering with the Q&P heat treatment verifies the extensively enhanced materials strength whereat the formability is still acceptable. The microstructural reason was detected to be an increasing aus-tenite fraction due to austenite reversion at subgrain boundaries of martensite besides the stabilising of retained austenite. Further a distinctive strength differential effect was observed.
Härte und Korrosionsbeständigkeit sind die wichtigsten Qualitätsmerkmale von Schneidwaren. Diese werden nur durch eine optimal durchgeführte Wärmebehandlung des martensitischen nichtrostenden Stahls 1.4116 (X50CrMoV15) erreicht. In der industriellen Fertigung wird die Korrosionsbeständigkeit von Schneidwaren durch Wechseltauchversuche überprüft, die herstellerübergreifend eine große Schwankung der Korrosionsbeständigkeit belegen. In den letzten Jahren wurden neue elektrochemische Untersuchungsmethoden für die Werkstoffgruppe der martensitischen nichtrostenden Stähle entwickelt, welche die geringe Lochkorrosionsbeständigkeit von Schneidwaren auf das Phänomen der Chromverarmung zurückzuführen. Derzeit wird in der wissenschaftlichen und in der industriellen Gemeinschaft der Schritt des Anlassens als Hauptursache der Chromverarmung angesehen. Bei Schneidwaren sind die Anlasstemperaturen aber zu gering, um die auftretende Chromverarmung zu erklären. Aus diesem Grund wurden drei verschiedene Wärmebehandlungsparameter (Austenitisierungsdauer, Abkühlgeschwindigkeit und Anlasstemperatur) systematische untersucht, um deren Beitrag zur Chromverarmung darzustellen. Dazu wird die Untersuchungsmethode der elektrochemisch potentiodynamischen Reaktivierung (EPR) eingesetzt, die sehr sensibel auf Veränderungen im Gefüge reagiert und den Grad an Chromverarmung ermittelt. Außerdem wurde die KorroPad-Prüfung durchgeführt und kritische Lochkorrosionspotentiale ermittelt, um den Zusammenhang zwischen Chromverarmung und Lochkorrosionsbeständigkeit herzustellen. Die Ergebnisse aller Untersuchungen verdeutlichen wie eng das Prozessfenster ist, in dem Schneidwaren mit hoher Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden können.
Co-Cr-Mo-Werkstoffe sind im Bereich der Biomaterialien weit verbreitet und werden für Endoprothesen eingesetzt. Deren Lebensdauer ist jedoch durch tribologische und korrosive Dauerbelastung begrenzt. Um die Anzahl operativer Eingriffe am Patienten zu minimieren, ist es notwendig den Werkstoff hinsichtlich Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu optimieren. Hierfür ist ein umfassendes Verständnis der legierungsabhängigen Phasenbildung und –entwicklung während Herstellung und Wärmebehandlung notwendig. An einer speziellen Co-Cr-Mo Legierung werden verschiedene Untersuchungen zur Gefügecharakterisierung durchgeführt. Dabei werden die auftretenden Phasen thermodynamisch berechnet, mittels XRD nachgewiesen, die Phasenmorphologie durch EBSD analysiert, die Elementverteilung durch EDX-Analyse ermittelt und die Ergebnisse durch Farbätzen verifiziert. Das Ziel der Untersuchungen ist es, Optimierungspotentiale bei Herstellung und Wärmebehandlung zu identifizieren.