Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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 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.
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.
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.
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.
Ageing at 600 °C (from 0.1 h up to 20 h) leads to the formation of precipitations at the ferrite-ferrite (α/α) and ferrite-austenite (α/γ) grain boundaries of the lean duplex stainless steel (LDSS) X2CrNiN22-2. This leads to sensitisation due to chromium depletion and decreased pitting corrosion resistance proven by the results of various electrochemical methods (DL-EPR and determination of CPT, Epit). These results were compared with the KorroPad method, which uses an agar-based gel-electrolyte for the detection of stainless steel surfaces prone to pitting corrosion. However, the standard configuration of the KorroPad showed no differentiation for the various ageing conditions. Therefore, modified versions of the KorroPad with two, five and ten times higher NaCl and potassium ferrocyanide III (K3[Fe(CN)6]) concentrations were successfully used to visualise the behaviour detected by DL-EPR, Epit and CPT. Therefore, the KorroPad method can also detect a microstructure related reduction of pitting corrosion resistance, which can drastically reduce the experimental effort to generate sensitisation diagrams for stainless steels.
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.
Durch eine breite Beteiligung von Schleifmittelherstellern, -anwendern und wissenschaftlichen Einrichtungen im projektbegleitenden Ausschuss (PA) konnte der vielschichtige Themenkomplex „Schleifen“ im Kontext zu den Projektzielen umfassend untersucht werden. Es wurden praxisrelevante Parameterfelder definiert, die eine erfolgreiche Aufklärung der Projektfragestellung ermöglichten.
Im Zuge der Untersuchungen wurde ein signifikanter Einfluss beim Einsatz von Granulatschleifbändern auf das Korrosionsverhalten geschliffener Oberflächen festgestellt. Damit zeigten geschliffene Oberflächen regelmäßig eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit als Oberflächen, die mit sonst gleichen Parametern mit einlagig gestreuten Bändern bearbeitet wurden.
Die durch einige Untersuchungsergebnisse aus vorangegangenen AiF-Vorhaben ursprünglich verfolgte These, dass Unterschiede in der Korrosionsbeständigkeit auf die Kornart der Schleifmittel Korund bzw. SiC zurückzuführen ist, konnte nur bedingt bestätigt werden. Bei den systematischen Untersuchungen innerhalb dieses Projektes erwies sich der Einfluss der Kornart im Vergleich zum Einfluss des Schleifbandtyps (Granulat bzw. einlagig gestreutes Korn) als weniger relevant.
Durch weiterführende Untersuchungen konnten auf Oberflächen, die mit Granulatschleifbändern bearbeitet wurden, große Materialaufplattungen aus Eigenmaterial festgestellt werden. Das Eigenmaterial wird dabei im Schleifprozess zunächst abgetragen und aufgrund der Topografie des Schleifbandes zeitweise auf den Bändern festgehalten. Später lösen sich diese Materialanhäufungen vom Band ab und können prozessbedingt durch Wärme- und Krafteinwirkung auf den bearbeiteten Oberflächen aufgeplattet werden. Durch REM und KorroPad Untersuchungen ließen sich Bereiche mit solchen Eigenmaterialaufplattungen eindeutig als wesentliche Ausgangspunkte für Korrosionsprozesse identifizieren. Das aufgeplattete Material ist stark verformt, thermisch beeinflusst und bildet eine Spaltgeometrie zur Bauteiloberfläche aus. Diese Veränderungen führen zur Störung der Passivschichtausbildung in diesen Bereichen und verursachen damit eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit der Oberflächen.
Durch gezielte Nachbearbeitungsprozesse ist es möglich, die Eigenmaterialaufplattungen von den Oberflächen zu entfernen. Im Rahmen des Vorhabens wurde dazu eine Nachbearbeitung mittels Schleifvlies geprüft, die zu einer Entfernung der Eigenmaterialaufplattungen und damit zu einer Wiederherstellung der erwarteten Korrosionsbeständigkeit führte. Wird der Endschliff von Oberflächen mit einlagig gestreutem Korn ausgeführt, sind ebenfalls keine korrosionsrelevanten Materialaufplattungen zu erwarten.
Die in einem vorhergehenden AiF Vorhaben IGF 17136 N/1 entwickelte Methode der KorroPad-Prüfung konnte auch hier erfolgreich für die Untersuchung der Auswirkung unterschiedlicher Prozessparameter auf die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen eingesetzt werden. Zudem erwies sich das EPR-SL-Verfahren als ein weiterer Ansatz, um die Passivschichtstabilität verschieden geschliffener Oberflächen vergleichend untersuchen zu können.
Mit den nun vorliegenden Erkenntnissen können kmU künftig durch Anpassungen und Optimierung von Schleifprozessen eine gute Korrosionsbeständigkeit der bearbeiteten Oberflächen sicherstellen. Die Optimierung der Prozessparameter und -schritte kann durch den Einsatz der KorroPad-Prüfung Inhouse erfolgen und somit die laufende Fertigung im Rahmen der Qualitätsprüfung überwacht und dokumentiert werden.
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.
Mit der KorroPad-Prüfung können lochkorrosionsanfällige Oberflächenbereiche 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 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.