Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Der nichtrostende Duplexstahl 1.4062 (X2CrNiN22-2) hat sich im Bauwesen als Werkstoffalternative zu den nichtrostenden Austeniten etabliert. Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbehandlung der Schweißnaht beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflächen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strahlen mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. 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 Korund als Strahlmittel die Korrosionsbeständigkeit verändert. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der Salzsprühnebelprüfung, den kritischen Lochkorrosionspotentialen und der KorroPad-Prüfung korreliert.
Einfluss der Schweißnaht-Nachbehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit des Duplex-Stahls 1.4062
(2018)
Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen aus dem Duplex-Stahl 1.4062 wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Oberflächennachbehandlung der Schweißnaht beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich und geforderter Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstandenen Anlauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberfläche sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als gebeizte oder elektropolierte Oberflächen. Die Auswahl des Strahlmittels bestimmt auch die Prozesskosten, wobei das Strahlen mit Korund effektiver als das Strahlen mit Glasperlen ist. Ziel der Untersuchungen war es festzustellen, ob das Strahlen aus Sicht der Korrosionsbeständigkeit äquivalent zu anderen Nachbehandlungsverfahren ist. Diese Fragestellung wird im Vortrag beantwortet indem geschliffene, gebeizte, mit Korund gestrahlte und mit Glasperlen gestrahlte Schweißverbindungen vergleichend untersucht werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen von den Strahlmitteln und den gestrahlten Oberflächen werden mit den Ergebnissen der Salzsprühnebelprüfung, den kritischen Lochkorrosionspotentialen und der KorroPad-Prüfung korreliert.
Einfluss der Wärmebehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle
(2017)
Die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle (MNS) wird wesentlich durch die Legierungszusammensetzung und die Wärmebehandlung (WB) bestimmt. Verschiedene wissenschaftliche Arbeiten haben bereits gezeigt, dass der Anteil an Chromkarbiden im Gefüge von MNS sehr stark durch die WB (Austenitisierungstemperatur, Abkühlgeschwindigkeit und Anlasstemperatur) beeinflusst wird. Jedoch wurde der Zusammenhang zwischen den einzelnen Teilschritten sowie Parametern der WB und der Korrosionsbeständigkeit von MNS bisher nur unzureichend hergestellt. Die Literatur liefert außerdem gegensätzliche Aussagen über den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Korrosionsbeständigkeit von MNS. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit systematische Grundlagenuntersuchungen an vier technisch relevanten MNS (X20Cr13, X46Cr13, X50CrMoV15 und X30CrMoN15-1) durchgeführt, um den Einfluss der WB auf die Korrosionsbeständigkeit aufzuklären. Es werden umfangreiche experimentelle Ergebnisse hinsichtlich Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit (EPR, KorroPad, kritische Lochkorrosionspotentiale) vorgestellt und mit thermodynamischen Berechnungen (ThermoCalc) korreliert. Aus den Ergebnissen wird außerdem abgeleitet, wie Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt die Korrosionsbeständigkeit in Relation zur WB beeinflussen. Damit wird der Einfluss aller Wärmebehandlungsschritte und -parameter erstmals eindeutig und unabhängig voneinander für MNS beschrieben. Weiterführend wird erläutert, mit welchem Legierungskonzept und mit welcher WB MNS mit optimaler Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden können und wie dies experimentell an technischen Produkten nachweisbar ist.
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.
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.
Einfluss industrieller Korundschleifprozesse auf die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle
(2018)
Im Vortrag werden Ergebnisse des AiF Forschungsvorhabens "Optimierung industrieller Korundschleifprozesse zur Sicherstellung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle" vorgestellt, die den Einfluss verschiedener Schleifmittel auf die Korrosionsbeständigkeit geschliffener Oberflächen nichtrostender Stähle belegen. Es konnte ein signifikanter Einfluss durch die Verwendung von Granulatschleifbändern nachgewiesen werden, der die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen reduziert. Grund sind auf der Oberfläche zurückbleibende Materialaufplattungen von Eigenmaterial aus dem Schleifprozess. Es wurden unterschiedliche Korrosionsuntersuchungen durchgeführt und durch Oberflächenanalytik im Rasterelektronenmikroskop untermauert.
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.
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.
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.