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Organisationseinheit der BAM
Sensibilisierungsverhalten vom stickstofflegierten, austenitischen, nichtrostenden Stahl 1.4456
(2017)
Austenitische nichtrostende Stähle kommen seit vielen Jahren in den verschiedensten industriellen Zweigen zum Einsatz (Pharma-, Medizin- und Lebensmittelindustrie, Bauwesen, Energie- und Antriebstechnik). Druckaufgestickte nichtrostende Austenite mit ca. 19 Gew.-% Mangan und 0,8 Gew.-% Stickstoff, sind als nickelfreie Variante seit einigen Jahren großtechnisch auf dem Markt verfügbar. In diesen Stählen wird die austenitische Matrix ohne die Legierungszugabe von Nickel sichergestellt, während gleichzeitig die korrosive Beständigkeit und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Wie bei allen nichtrostenden Stählen beeinflussen die chemische Zusammensetzung und die Wärmebehandlung entscheidend das Gefüge und die Eigenschaften. Durch Lösungsglühen, Abschrecken und gezieltes Kaltverfestigen können bei diesen Stählen hervorragende mechanische Kennwerte erreicht werden (Rm von 900 MPa bis 2.000 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J). In der Regel dient das Lösungsglühen der Beseitigung unerwünschter Ausscheidungsphasen (Cr2N, M23C6 und Sigma-Phase) und der homogenen Verteilung der Legierungselemente im Austenit, was auch die Voraussetzung für eine hohe Korrosionsbeständigkeit darstellt. Wird die homogene Verteilung der Legierungselemente (Cr, Mo und N) durch suboptimale Wärmebehandlungs-, Verarbeitungs- oder Einsatzbedingungen beeinträchtigt, kann die korrosive Beständigkeit nicht auf Dauer gewährleistet werden. Daher ist die genaue Kenntnis vom Sensibilisierungsverhalten dieser hochstickstofflegierten Stähle unerlässlich.
Am stickstofflegierten Werkstoff 1.4456 (X8CrMnMoN18-18-2) wird das Sensibilisierungsverhalten am lösungsgeglühten Zustand durch die gezielte Variation der Warmauslagerungsparameter untersucht. Dabei wird im Temperaturbereich von 500 °C bis 900 °C die Glühdauer systematisch variiert, um zu ermitteln, wann Ausscheidungen im Gefüge auftreten und ob diese die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Die verschiedenen Sensibilisierungszustände werden mit dem EPR Verfahren, der KorroPad-Prüfung und dem REM vergleichend untersucht. Zur besseren Interpretation der experimentellen Ergebnisse werden auch thermodynamische Berechnungen genutzt, welche die Existenzbereiche der verschiedenen Ausscheidungsphasen vorhersagen. Damit kann die Veränderung der Korrosionsbeständigkeit mit dem Auftreten der verschiedenen Phasen korreliert und die Anwendbarkeit der experimentellen Methoden für stickstofflegierte Stähle nachgewiesen werden.
Gefüge und Eigenschaften nichtrostender Stählen werden maßgeblich von ihrer chemischen Zusammensetzung und der Wärmebehandlung bestimmt. Eine spezielle Werkstoffgruppe der austenitischen nichtrostenden Stähle enthält ca. 19 Gew.-% Mangan und 0,8 Gew.-% Stickstoff, um das austenitische Gefüge ohne das Legieren mit Nickel sicherzustellen. Die herausragenden mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe (Rm von 900 2.000 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J) werden nach der Wärmebehandlung (Lösungsglühen und Abschrecken) durch gezielte Kaltverfestigung eingestellt. Das Lösungsglühen beseitigt vorhandene Kaltverfestigung und unerwünschte Ausscheidungsphasen (Cr2N, M23C6 und Sigma-Phase) und bewirkt die homogene Verteilung der Legierungselemente (insbesondere Stickstoff) im Austenit. Dies ist zur Erzielung der Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung. Im Poster werden systematische Untersuchungen zur Korrosionsbeständigkeit dieser vielversprechenden Werkstoffklasse vorgestellt und die Interaktion zwischen Legierungszusammensetzung, Wärmebehandlung, Gefüge und Korrosionsbeständigkeit dargestellt. Die vom Gefüge bedingten Veränderungen der Korrosionsbeständigkeit werden durch verschiedene Methoden ermittelt und interpretiert.
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.
Hardness and pitting corrosion resistance are the major quality criteria of cutlery. Both are achieved by the heat treatment (austenitization, quenching and tempering) of the normally used martensitic stainless steels. The established quality control method regarding the pitting corrosion resistance is an alternating immersion test in 1 % NaCl solution at 60 °C according to DIN EN ISO 8442. This standard test shows a high deviation, which limits any optimization of the heat treatment process. New approaches for corrosion testing of martensitic stainless-steels were developed and used in the last years to connect the weak pitting corrosion resistance of martensitic stainless-steels with the phenomenon of chromium depletion. The tempering temperatures used in the industrial heat treatment of cutlery are too low to explain the appearance of chromium depletion. For this reason, a systematic investigation of three heat treatment parameters (austenitization time, cooling speed and tempering temperature) were performed on the martensitic stainless-steels X50CrMoV15 (1.4116) to detect their contribution to chromium depletion. The electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR), which is very sensitive to any change of the microstructure, was used to quantify the degree of chromium depletion. The KorroPad indicator-test was applied to correlate low pitting corrosion resistance to the presence of chromium depletion. The results of all investigations allow conclusions about the very small process window, which is necessary to achieve cutlery with high pitting corrosion resistance.
Nickel-free, nitrogen alloyed austenitic stainless-steels, with about 19 wt.-% Mn and 0,8 wt. % N, are an interesting alternative to classic CrNi austenitic stainless steels due to their superior mechanical properties (Rm > 900 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J) in the solution annealed condition. The formation of chromium-rich nitrides during suboptimal heat treatment, processing or application leads to an inhomogeneous distribution of alloying elements in the microstructure, which reduces the corrosion resistance. Consequently, an accurate knowledge of the sensitization behavior is indispensable for the use of nickel-free, high-nitrogen austenitic stainless steels. The relationship between artificial aging, phase formation and corrosion resistance was investigated on the alloys X8CrMnN18-19 (1.3815) and X8CrMnMoN18-19-2 (1.4456), both alloyed with 0,8 wt.-% Nitrogen, in the present work. The microstructural evolution was studied by LM and SEM while the corrosion resistance was characterized with the electrochemical potentiodynamic reactivation (EPR) and the KorroPad indicator-test. Both alloys showed increased corrosion susceptibility within critical aging parameters. Finally, a sensitization diagram was described successfully for both alloys showing the positive effect of molybdenum.
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-polishing or blasting depending on the requested corrosion resistance. Blasted surfaces are often used in the industrial practice due to the faster 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 results of different corrosion tests (KorroPad-testing and pitting potentials).
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.