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Organisationseinheit der BAM
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
DIN 50100 definiert die Bedingungen für den Schwingfestigkeitsversuch, der zur Ermittlung von Kennwerten dient, die das Verhalten metallischer Werkstoffe und Bauteile bei zyklischer Beanspruchung mit einer konstanten Lastamplitude beschreiben (Wöhlerversuch). Die Norm umfasst die Versuchsdurchführung, die Versuchsauswertung sowie die Dokumentation von lastgeregelten Wöhlerversuchen im Zeit- und Langzeitfestigkeitsbereich. Mit DIN 50100 soll erreicht werden, dass die Wöhlerlinien verschiedener Prüfstellen miteinander vergleichbar und die wesentlichen Randbedingungen der Versuchsdurchführung dokumentiert werden. Da die Ergebnisse von Schwingfestigkeitsversuchen streuen, ist die Treffsicherheit für die Schätzung der Kennwerte von der Anzahl der Versuche einer Versuchsreihe abhängig. In Abhängigkeit von einer geforderten Treffsicherheit wird durch die DIN 50100 der erforderliche Stichprobenumfang vorgegeben.
Die Legierungselemente (Chrom und Kohlenstoff) und die Wärmebehandlung bestimmen Korrosionsbeständigkeit und Härte martensitischer nichtrostender Stähle. Verschiedene wissenschaftliche Arbeiten haben bereits gezeigt, dass die Korrosionsbeständigkeit sehr stark vom Anteil an Chromkarbiden im Gefüge bestimmt wird. Der kombinierte Einfluss von Kohlenstoffgehalt und der Abkühlgeschwindigkeit beim Härten wurde mit Fokus auf die Korrosionsbeständigkeit bisher nur unzureichend untersucht. Die Literatur liefert außerdem gegensätzliche Aussagen über den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit, was möglicherweise auf unterschiedliche Kohlenstoffgehalte zurückgeführt werden kann. In dieser Arbeit wird daher systematisch untersucht, ab welcher Abkühlgeschwindigkeit es bei den Werkstoffen X20Cr13 und X46Cr13 zu Karbidbildung und Chromverarmung kommt. Die Variation der Abkühlgeschwindigkeit erfolgte für die industriell relevante Härtetemperatur von 1050 °C mit dem Stirnabschreckversuch. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit wurden an den Stirnabschreckproben Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit (EPR, kritische Lochkorrosionspotentiale) untersucht und die Ergebnisse mit thermodynamischen Berechnungen (ThermoCalc) korreliert. Aus den Ergebnissen wird abgeleitet, unter welchen Bedingungen die Abkühlgeschwindigkeit die Korrosionsbeständigkeit beeinflusst.
Einfluss der Schweißnaht-Nachbehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit vom Duplexstahl 1.4062
(2017)
Der Duplexstahl 1.4062 (X2CrNi22-2) hat sich im Bauwesen als Werkstoffalternative zu den nichtrostenden Austeniten etabliert. Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Schweißnaht-Nachbehandlung beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich, geforderter Optik und Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstehenden An-lauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberflächen sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich schneller und kostengünstiger herzustellen sind als geschliffene, gebeizte oder polierte Oberflächen. Das Strahlen mit Korund ist außerdem effektiver als das Strahlen mit Glasperlen. In den letzten Jahren wurden korrosionsanfällige Oberflächen bei nichtrostenden Stählen beobachtet, wenn diese mit Korund geschliffen wurden. Daher wird nun auch beim Strahlen kritisch hinterfragt, ob die eingesetzten Strahlmittel die Korrosionsbeständigkeit beeinflussen. Diese Fragestellung wird beantwortet, indem geschliffene, gebeizte, polierte und mit verschiedenen Strahlmitteln gestrahlte Schweißverbindungen vom Duplexstahl 1.4062 im Vergleich zu gleichartig behandeltem Walzmaterial untersucht werden. Die Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen werden vorgestellt und mit den rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der gestrahlten Oberflächen korreliert.
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.
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.
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.