Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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UHPC (engl. ultra-high-performance concrete) bietet außergewöhnliche Eigenschaften, die sich durch eine optimierte Wärmebehandlung weiter verbessern lassen. Wie bei normalen Beton beschleunigt eine Wärmebehandlung den Aushärteprozess und reduziert das Schrumpfen. Durch Ausbildung eines dichteren Gefüges wird weiterhin die Druckfestigkeit und die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen erhöht.
Die Art der Wärmebehandlung wird durch die Parameter: Temperatur, Druck, Wasserdampfsättigung und Dauer definiert und hat einen entscheiden Einfluss auf die Phasenentwicklung und damit auf die makro- und mikroskopischen Eigenschaften des UHPCs. Auch die Dauer und Art der Vorlagerung des UHPCs vor der thermischen Behandlung sind von Bedeutung.
Ziel der vorgestellten Untersuchung war der Vergleich und die Optimierung verschiedener Wärmebehandlungsarten mit Blick auf die Druckfestigkeits- und Phasenentwicklung. Dafür wurden UHPC-Zylinder und Prismen hergestellt und ungeschützt bzw. in Folie eingeschweißt bei 90 °C im Ofen, im Heißwasserbad, sowie alternativ bei 185 °C und 1.1 MPa im Autoklaven wärmebehandelt. Zusätzlich wurde die Vorlagerungs- und die Behandlungszeit systematisch variiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine praxisnahe Wärmebehandlung im Ofen (kurze Vorlagerungs- und Behandlungszeit, Verdunstungsschutz durch Einschweißen in Folie) zwar zu einer stark erhöhten Frühfestigkeit führt, aber die Langzeitfestigkeit wird nicht signifikant erhöht. Erst längere Behandlungszeiten verbunden mit intensiviertem Schutz gegen das Austrocknen führen darüber hinaus zu deutlich erhöhten Langzeitfestigkeiten. Nach der Autoklavierung dagegen wurden Festigkeitszuwächse von bis zu 30 % gemessen.
Die röntgenographisch nachgewiesene Phasenentwicklung wird in beiden Behandlungsarten durch die Limitierung des zur Verfügung stehenden Wassers bestimmt. Bei der Wärmebehandlung im Ofen wird das durch den Ettringitzerfall freigesetzte Wasser für die puzzolanische Reaktion der Mikrosilika verbraucht, reicht aber für eine weitere Reaktion der Klinkerphasen nicht aus. Bei der hydrothermalen Behandlung dagegen zeigen die Veränderungen im Phasenbestand sowohl eine Intensivierung der puzzolanischen als auch der hydraulischen Reaktion. Der für autoklavierte Baustoffe charakteristische Tobermorit konnte jedoch nicht im Probeninneren, sondern nur als Belag auf der Probenoberfläche nachgewiesen werden. Ursächlich hierfür ist vermutlich wiederum das zu geringe Wasserangebot im Gefüge des UHPC.
UHPC (engl. ultra-high-performance concrete) bietet außergewöhnliche Eigenschaften, die sich durch eine optimierte Wärmebehandlung weiter verbessern lassen. Wie bei normalen Beton beschleunigt eine Wärmebehandlung den Aushärteprozess und reduziert das Schrumpfen. Durch Ausbildung eines dichteren Gefüges wird weiterhin die Druckfestigkeit und die Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen erhöht.
Die Art der Wärmebehandlung wird durch die Parameter: Temperatur, Druck, Wasserdampfsättigung und Dauer definiert und hat einen entscheiden Einfluss auf die Phasenentwicklung und damit auf die makro- und mikroskopischen Eigenschaften des UHPCs. Auch die Dauer und Art der Vorlagerung des UHPCs vor der thermischen Behandlung sind von Bedeutung.
Ziel der vorgestellten Untersuchung war der Vergleich und die Optimierung verschiedener Wärmebehandlungsarten mit Blick auf die Druckfestigkeits- und Phasenentwicklung. Dafür wurden UHPC-Zylinder und Prismen hergestellt und ungeschützt bzw. in Folie eingeschweißt bei 90 °C im Ofen, im Heißwasserbad, sowie alternativ bei 185 °C und 1.1 MPa im Autoklaven wärmebehandelt. Zusätzlich wurde die Vorlagerungs- und die Behandlungszeit systematisch variiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine praxisnahe Wärmebehandlung im Ofen (kurze Vorlagerungs- und Behandlungszeit, Verdunstungsschutz durch Einschweißen in Folie) zwar zu einer stark erhöhten Frühfestigkeit führt, aber die Langzeitfestigkeit wird nicht signifikant erhöht. Erst längere Behandlungszeiten verbunden mit intensiviertem Schutz gegen das Austrocknen führen darüber hinaus zu deutlich erhöhten Langzeitfestigkeiten. Nach der Autoklavierung dagegen wurden Festigkeitszuwächse von bis zu 30 % gemessen.
Die röntgenographisch nachgewiesene Phasenentwicklung wird in beiden Behandlungsarten durch die Limitierung des zur Verfügung stehenden Wassers bestimmt. Bei der Wärmebehandlung im Ofen wird das durch den Ettringitzerfall freigesetzte Wasser für die puzzolanische Reaktion der Mikrosilika verbraucht, reicht aber für eine weitere Reaktion der Klinkerphasen nicht aus. Bei der hydrothermalen Behandlung dagegen zeigen die Veränderungen im Phasenbestand sowohl eine Intensivierung der puzzolanischen als auch der hydraulischen Reaktion. Der für autoklavierte Baustoffe charakteristische Tobermorit konnte jedoch nicht im Probeninneren, sondern nur als Belag auf der Probenoberfläche nachgewiesen werden. Ursächlich hierfür ist vermutlich wiederum das zu geringe Wasserangebot im Gefüge des UHPC.
Mittels Wärmebehandlung lassen sich die hervorragenden Eigenschaften von UHFB nochmals verbessern. Die für eine optimale Umsetzung relevanten Randbedingungen werden aktuell in der Fachwelt diskutiert. In dieser Veröffentlichung werden die Ergebnisse eines Forschungsprojekts vorgestellt, das die Wirkung verschiedener Einflussgrößen bei der Wärmebehandlung auf die Eigenschaften von UHFB zum Thema hatte. Dabei wurden die Art des Schutzes gegen das Austrocknen, die Vorlagerungszeit und die Haltezeit variiert. Um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen, wurde der Phasenbestand mittels Röntgendiffraktometrie untersucht. Die höchsten Druckfestigkeiten des UHFB ließen sich bei einer Wärmebehandlung mit Wasserlagerung erzielen, da hierbei eine weitere Hydratation begünstigt wird. Vergleichsweise niedriger waren die Steigerungen bei einer Behandlung mit Schutz vor Austrocknung, während eine ungeschützte Behandlung zu deutlich geringeren Festigkeiten führte. Die Vorlagerungszeit beträgt im Idealfall einige Tage, um die Ausbildung eines offenbar günstigen Ausgangsgefüges sicherzustellen. Die Haltezeit sollte möglichst ausgedehnt sein, weil die Hydratation entsprechend lange gefördert wird. Im oberflächennahen Bereich war unter bestimmten Bedingungen eine Zonierung zu beobachten, deren Ursachen und Folgen, insbesondere in Bezug auf die Dauerhaftigkeit, weitere Forschung erfordern.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.