Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
Mit der KorroPad-Prüfung können lochkorrosionsanfällige Oberflächen einfach, schnell und kostengünstig nachgewiesen werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter, Anwender und Forscher eine interessante Alternative zu zeitintensiven Auslagerungsversuchen und elektrochemischen Untersuchungsmethoden, die normalerweise bei der Charakterisierung nichtrostender Stähle zur Anwendung kommen. Mit der KorroPad-Prüfung können aber auch werkstoff und gefügebedingte Einflussfaktoren sichtbar gemacht werden, die Lochkorrosionsanfälligkeit verursachen. Um dies zu veranschaulichen, wird die Nachweisgrenze des KorroPads an Referenzlegierungen mit abgestuftem Chromgehalt aufgezeigt.
Darauf aufbauend wird dargestellt, wie die Sensibilisierung nichtrostender Stähle durch Chromverarmung mit einer gezielten Verschärfung der KorroPad-Prüfung nachgewiesen werden kann.
Mit der KorroPad-Prüfung können lochkorrosionsanfällige Oberflächen einfach, schnell und kostengünstig nachgewiesen werden. Das KorroPad ist damit für Hersteller, Verarbeiter, Anwender und Forscher eine interessante Alternative zu zeitintensiven Auslagerungsversuchen und elektrochemischen Untersuchungsmethoden, die normalerweise bei der Charakterisierung nichtrostender Stähle zur Anwendung kommen. Mit der KorroPad-Prüfung können aber auch werkstoff- und gefügebedingte Einflussfaktoren sichtbar gemacht werden, die Lochkorrosionsanfälligkeit verursachen. Um dies zu veranschaulichen, wird die Nachweisgrenze des Korro-Pads an Referenzlegierungen mit abgestuftem Chromgehalt aufgezeigt. Darauf aufbauend wird dargestellt, wie die Sensibilisierung nichtrostender Stähle durch Chromverarmung mit einer gezielten Verschärfung der KorroPad-Prüfung nachgewiesen werden kann.
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 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.
Im Vortrag wird ein innovativer Ansatz zur Herstellung von Referenzmaterialien für systematische Grundlagenuntersuchungen und Methodenentwicklungen vorgestellt. Dieser Ansatz basiert auf der Verwendung eines Lichtbogenschmelzofens (Arc-Melter), der zur Legierungsvariation bei nichtrostenden Stählen verwendet wurde. In Abhängigkeit vom Chromgehalt wurden zunächst Ergebnisse der elektrochemisch potentiodynamischen Reaktivierung (EPR) und der KorroPad-Prüfung vorgestellt, die neue Einblicke zur Nachweisgrenze beider Verfahren liefern. Anschließend wurde der Einfluss vom Schwefelgehalt auf die Lochkorrosionsbeständigkeit dargestellt und dabei gezeigt, dass die in den Normen festgeschriebenen Grenzwerte deutlich zu hoch sind. Darüber hinaus wurden zukünftig geplante Arbeiten vorgestellt, die mit diesem Ansatz möglich sind.
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.
The influence of isothermal ageing on microstructure, sensitisation and pitting corrosion resistance of the lean duplex stainless steel (LDSS) X2CrNiN23-4 was investigated with various electrochemical methods. The aging at 600 °C (from 0.1 h up to 20 h) lead to the formation of precipitations at the ferrite-ferrite (α/α) and ferrite-austenite (α/γ) grain boundaries, inducing sensitisation due to chromium depletion. The degree of sensitisation was evaluated with the double loop electrochemical potentiokinetic reactivation method (DL-EPR) according to ASTM G108 and correlated with critical pitting potentials (Epit) as well as critical pitting temperature (CPT) measured in an electrolyte according to ASTM G48 using electrochemical noise. Up to an ageing time of 1 h, the sensitisation did rise significantly, stabilising at a nearly constant level with a slight drop at 20 h. This behaviour correlated perfectly with the potentiodynamically determined pitting potentials Epit and sensitisation. The CPT showed a higher sensitivity at short ageing times compared to the DL-EPR and Epit. Finally, the KorroPad method was applied to visualise the sensitisation induced reduction of pitting corrosion resistance. The “KorroPad” is an agar-based gel-electrolyte containing 0.1 mol/l sodium chloride (NaCl) and 0.1 mol/l potassium ferricyanide III (K3[Fe(CN)6]), invented at the Federal Institute of Materials Research and Testing in Berlin (Germany) to detect surfaces of stainless steel prone to pitting corrosion. The standard configuration of the KorroPad showed no differentiation for the various aging conditions. Increasing the concentration of both NaCl and potassium ferrocyanide III to 0.5 M shifts the detection limit of the KorroPad method to stainless steels with higher corrosion resistance, producing the same trends detected by standard electrochemical pitting corrosion values (Epit, CPT) and sensitisation (DL-EPR). By that, the KorroPad method was successfully adjusted to the lean-duplex stainless steel X2CrNiN23-4, enabling short-time testing to detect sensitization.
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.