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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.
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.
Der nichtrostende, aushärtbare Stahl 1.4542 (X5CrNiCuNb16-4) wird aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften und der hohen Korrosionsbeständigkeit in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt. Das Verhältnis zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit wird durch eine gezielte Wärmebehandlung eingestellt. Härte und Festigkeit werden durch die Bildung von fein verteilten Kupferausscheidungen bei der Warmauslagerung erreicht. Werden dabei auch Chromkarbide gebildet, reduziert sich gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit. Um den Einfluss der Warmauslagerung auf die Eigenschaften zu charakterisieren, wurden verschiedene Alterungszustände erzeugt und vergleichend untersucht. Dabei wurde außerdem der Einfluss einer starken Kaltumformung auf das Alterungsverhalten und die Korrosionsbeständigkeit untersucht. Zur Charakterisierung der Veränderungen wurden die Gefüge im REM untersucht und der magnetisierbare Anteil sowie die Vickershärte ermittelt. Zum Nachweis korrosionsanfälliger Zustände wurde die elektrochemisch potentiodynamische Reaktivierung (EPR) genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kaltverfestigung die Ausscheidungskinetik beschleunigt und die Korrosionsbeständigkeit durch die Warmauslagerung bei 600 °C deutlich reduziert wird.
Das innovative Wärmebehandlungskonzept des „Quenching and Partitioning“ (Q&P) ermöglicht die Herstellung hochfester, martensitischer Stähle mit hoher Verformbarkeit und Duktilität. Dabei wird Restaustenit im Prozessabschnitt des Partitionierens durch Kohlenstoffdiffusion stabilisiert. Dies ermöglicht die dehnungsinduzierte Phasenumwandlung von Austenit in Martensit und erhöht die Verformbarkeit, ohne dabei die Festigkeit zu reduzieren. Bisher wenig erforscht ist die Anwendung des Q&P-Prozesses bei korrosionsbeständigen Stählen. Die vorliegende Arbeit ergänzt erste Untersuchungen von YUANG und RAABE um wichtige werkstofftechnische Kennwerte sowie um die erreichbare Korrosionsbeständigkeit. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zur standardmäßig angewandten Wärmebehandlung die mechanischen und korrosiven Eigenschaften enorm durch den Q&P-Prozess gesteigert werden.
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das Kor-roPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexe elektrochemischer Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen aus Industrie und Forschung vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif- und Passivierungsprozessen, die Qualitätskontrolle der Wärmebehandlung und Oberflächenbearbeitung von Schneidwaren sowie die Optimierung der Schweißnaht-Nachbehandlung vorgestellt. Mit der KorroPad-Prüfung lassen sich aber auch werkstoff- und gefügebedingte Einflüsse auf die Lochkorrosionsbeständigkeit gezielt untersuchen. Dies wird an Beispielen aus aktuellen Forschungsprojekten dargestellt. Die abschließend dargestellte Charakterisierung vom Sensibilisierungsverhalten mit der KorroPad-Prüfung ist verdeutlicht das breite Anwendungsspektrum bei der Charakterisierung von nichtrostenden Stählen.
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. Insbesondere der Einfluss von Warmauslagerungsversuchen nach dem Abschrecken wird dabei charakterisiert. Die vom Gefüge bedingten Veränderungen der Korrosionsbeständigkeit werden durch verschiedene Methoden (EPR, KorroPad, Lochkorrosionspotentiale) ermittelt und interpretiert.
Der nichtrostende Lean-Duplexstahl 1.4062 (X2CrNiN22-2) verbindet die hohe Festigkeit des Ferrits mit der Duktilität und Zähigkeit des Austenits in einem zweiphasigen Gefüge mit sehr hoher Korrosionsbeständigkeit. Die höchste Korrosionsbeständigkeit wird erreicht, wenn das ferritisch-austenitische Gefüge frei von weiteren Sekundärphasen ist. Dies wird durch ein gezieltes Lösungsglühen bei 1050 °C mit anschließender Abschreckung in Wasser erreicht. Durch thermische Beeinflussung (z.B. beim Schweißen) können Sekundärphasen ausgeschieden und die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffs gesenkt werden. Dies wurde durch eine isotherme Warmauslagerung bei 500 °C bis 900 °C für 0,1 h bis zu 72 h simuliert. Die Veränderung der Korrosionsbeständigkeit wurde mit dem DL-EPR-Verfahren und durch die angepasste KorroPad-Prüfung ermittelt. Die ermittelten Anfälligkeitsbereiche wurden miteinander Verglichen und in zwei Sensibilisierungsschaubildern zusammengefasst.
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.
Mit der KorroPad-Prüfung kann die Lochkorrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle auf sehr einfache, schnelle und kostengünstige Weise eingeschätzt werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter und Anwender nichtrostender Stähle eine interessante Alternative zu zeitintensiven Langzeitversuchen und komplexen elektrochemischen Untersuchungsmethoden. Die prinzipiellen Funktionsweise der KorroPad-Prüfung wird im Vortrag beschrieben, um anschließend verschiedene Anwendungen aus Industrie und Forschung vorzustellen. Exemplarisch werden dazu die Bewertung von Schleif- und Passivierungsprozessen, die Qualitätskontrolle der Wärmebehandlung und Oberflächenbearbeitung von Schneidwaren vorgestellt. Mit der KorroPad-Prüfung lassen sich aber auch werkstoff- und gefügebedingte Einflüsse auf die Lochkorrosionsbeständigkeit gezielt untersuchen. Dies wird an Beispielen aus aktuellen Forschungsarbeiten dargestellt.
Aufgrund guter mechanischer und chemischer Eigenschaften sowie einer hohen Biokompatibilität sind CoCrMo-Legierungen als Implantatwerkstoffe seit Jahrzehnten fester Bestandteil medizintechnischer Anwendungen. Diese Eigenschaften resultieren bekanntermaßen aus chemischer Zusammensetzung, atomarem Aufbau und dem Gefüge. Letzteres wird durch Legierungszusammensetzung, Herstellungsprozess und Wärmebehandlungen bestimmt. In der Vergangenheit wurden bereits Erkenntnisse zum Einfluss der Mikrostruktur auf mechanische bzw. chemische Eigenschaften von CoCrMo gewonnen. Ebenso wurde in der Literatur das Korrosionsverhalten von CoCrMo im Beisein von Körperflüssigkeiten betrachtet. Bisher fehlt es jedoch an vergleichenden Untersuchung, die das Korrosionsverhalten verschiedener Phasen- bzw. Gefügezustände in verschiedenen Körpermedien betrachten. In dieser Arbeit werden bei einer ausgewählten CoCrMo Legierung verschiedene Gefügezustände durch plastische Verformung und Wärmebehandlung erzeugt und vergleichend untersucht. Das Korrosionsverhalten wird anhand elektrochemischer Untersuchungen in verschiedenen körperflüssigkeitsnahen Lösungen im Vergleich zu Titan charakterisiert und der Einfluss von bestimmten Zusätzen (HCL und H2O2) ermittelt.