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Stahlmetallurgie

Einleitung

Die ältesten uns bekannten Gebrauchsgegenstände aus Eisen sind etwa 6000 Jahre alt. Diese konnten damals nur mit sehr großem Aufwand in größeren Mengen hergestellt werden. In Europa haben die Kelten erstmals um 700 v. Chr. damit begonnen, Eisen zu verhütten.

Die Herstellung von Roheisen in Hochöfen gibt uns heute die Möglichkeit schnell und umfassend auf den Konstruktionswerkstoff „Eisen“ zuzugreifen. Begrifflichkeiten wie z.B. Eisen, Stahl, Baustahl und Edelstahl sind mit dieser Entwicklung ganz selbstverständlich in unseren Sprachgebrauch übergegangen.

Reines Eisen hat eine Dichte von 7,9 g/cm³ und hat eine stahlgraue bis schwarze Farbe; ist jedoch aufgrund seiner geringen Härte technisch kaum relevant. Da Eisen in gediegener Form nur sehr selten vorkommt, wird es im Verhüttungsprozess aus Eisenerz gewonnen. Das gewonnene Roheisen enthält 4 - 5 % C und ist ein Zwischenprodukt für die Herstellung von Gusseisen und Stahl. Gusseisen hat einen C-Gehalt von 2 – 6 % und Anteile von Silizium oder Mangan. In Anlehnung an das Aussehen der Bruchfläche unterscheidet man hier grundsätzlich zwischen grauem und weißem Gusseisen, bei denen der Kohlenstoff und Form von Graphit bzw. Zementit vorliegt. Um aus Roheisen Stahl mit C-Gehalten von 0,06 – 2,06 % zu gewinnen, wird das Roheisen im Konverter einer Sauerstoffeinblasung unterzogen, wobei der C in einer exothermen Reaktion verbrennt. Das Endprodukt Stahl ist im Gegensatz zu Gusseisen plastisch Verformbar (schmiedbar). Um den Stahl qualitativ hochwertig zu machen, müssen außerdem noch störende Begleitelemente wie P, S, Si und O2 entfernt bzw. auf niedrigere Restgehalte reduziert werden. Durch Legieren können die Eigenschaften des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.

Eine besonders wichtige Eigenschaft des Stahls ist seine Härtbarkeit, aufgrund allotroper Umwandlungen des Eisengitters. Dies wird intensiv in der Technik genutzt, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und im Material für die jeweilige Anwendung angepasste Eigenschaften zu erzeugen.

Gießtechnik und Legierungsentwicklung

Im Bereich der Stahlgießerei befinden sich 4 induktionsbeheizte Öfen, welche zum Gießen von hochschmelzenden Materialien wie z.B. Eisenwerkstoffen benutzt werden. Mit einem Hubtiegelofen und 2 Kipptiegelöfen sind Abgüsse von 15 bis zu 130kg Stahl bzw. Gusseisen möglich.

Späroguss

Ein Vakuumschmelzofen mit Chargierkammer steht hier ebenfalls zur Verfügung, um Legierungstechnik oder Gießtechnik mit reaktiven Metallen zu betreiben. Dabei ist ein Schmelzen unter Hochvakuum möglich, damit chemische Reaktionen mit atmosphärischen Gasen verhindert werden können. Über ein Kammersystem ist dabei die Zugabe von leicht abdampfenden Legierungselementen oder eine Temperaturmessung möglich. 

Forschungsinhalte

Legierungsentwicklung

Bild 1: schematisches Temperaturprofil
Bild 2.1 (links):Weiße Schicht in Randzone des konvexen Radius (32CrMoV12-28, 1 Schmiedezyklus)
Bild 2.2 (rechts): Feinkornzone im konvexen Radiusbereich (32CrMoV12-28, 1000 Schmiedezyklen)
Bild 3: Härteprofil des Gesenkes nach dem Schmieden
Bild 4: Dilatometermessungen der Legierungen

Die häufigste Schadensursache von Schmiedegesenken stellt der Verschleiß in den oberflächennahen Schichten dar, so dass in dessen Reduzierung der wichtigste Ansatzpunkt für Werkstoffweiterentwicklungen liegt. Der Verschleiß beim Einsatz konventioneller Warmarbeitsstähle resultiert primär aus der Bildung einer entfestigten Feinkornzone durch einen infolge des Temperaturverlaufes während des Schmiedens auftretenden zyklischen Weichglühprozess. Erreicht dieses Weichglühgefüge aufgrund des fortschreitenden Materialabtrages die Gesenkrandzone, tritt keine Wiederaufhärtung mehr ein, da die gegenüber dem Vergütungsgefüge erhöhte Ac1b-Temperatur des Weichglühgefüges nicht erreicht wird. Ziel dieses Projektes ist es, durch legierungstechnische Maßnahmen Warmarbeitsstähle mit verringerter Ac1b-Temperatur zu entwickeln und dadurch einen systemimmanenten Verschleißschutz durch eine beständig aufgehärtete Werkzeugrandzone zu erreichen. Die Verschleißbeständigkeit dieser modifizierten Warmarbeitsstähle, die zunächst auf Basis der ermittelten mikrostrukturellen und mechanisch-technologischen Eigenschaften bewertet wird, soll anhand von Schmiedeversuchen verifiziert werden.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass die Temperatur vom Rand des Gesenkes zur Mitte abnimmt (s. Bild 1).

Am äußeren Rand sind die Temperaturen so hoch das die Ac1b-Temperatur des Werkstoffes überschritten wird. Nach jedem Zyklus wird die Oberfläche des Gesenkes mit Kühl-Schmiermittel-Emulsion besprüht, so dass dieser Bereich gehärtet wird. In Schliffbildern ist dieser neu aufgehärtete Bereich dadurch gekennzeichnet, das sich dessen Gefüge nicht oder nur schwer anätzen lässt. Es entsteht eine sog. weiße Schicht. (Bild 2.1) Die Härtewerte in dieser Schicht liegen über der Ausgangshärte des Materials. Im weiteren Verlauf des Temperaturprofils wird die Ac1b-Temperatur unterschritten. In diesem Bereich zwischen Austenitisierungs- und Anlasstemperatur wird das Gefüge einem zyklischen Weichglühprozess unterworfen. Aus diesem Grund unterschreitet die Härte des Gefüges, besonders nach mehreren Schmiedezyklen, die Ausgangshärte. Erreicht das Temperaturprofil die Anlasstemperatur verändert sich das Gefüge nicht mehr. Die Härte bleibt ab diesem Punkt konstant (s. Bild3).

Für den Schmiedeprozess ist bekannt, dass die erwähnten weißen Schichten bereits nach einem Schmiedezyklus entstehen, anschließend weiter anwachsen und ab einer bestimmten Zyklenzahl abnehmen bzw. verschleißen. Mit fortschreitendem Verschleiß dieser härteren Schicht tritt das darunter liegende, zyklisch weichgeglühte Gefüge an die Gesenkoberfläche (Bild 2.2). Sobald dieses Weichglühgefüge die Oberfläche erreicht hat, kann man vom Versagen des Gesenkes sprechen.

Dies liegt darin begründet, das die Ac1b-Temperatur des Materiales, durch das zyklische Weichglühen, auf so hohe Temperaturen verschoben wird, das die Schmiedewärme nicht mehr ausreicht um das Gefüge erneut zu härten.

Da Mangan zur Gruppe der sog. Austenitbildner gehört, wird das Ausgangsmaterial 1.2365 mit einem verschiedenen Anteilen an Mangan erschmolzen und vergossen. Mit den diversen Legierungen (Tab. 1) wurden Dilatometermessungen durchgeführt um die Verschiebung der Ac1b-Temperatur zu untersuchen. Die Proben mit 50K/min erwärmt und die Volumenänderung bei der Umwandlung von ±-Eisen zu ³-Eisen als Längenänderung aufgezeichnet. Bei Überschreiten der Ac1b-Temperatur vermindert sich die Länge merklich, d.h. hier beginnt die Gefügeumwandlung von ±-Eisen zu ³-Eisen. In Bild 4 wird ersichtlich, wie sich die Zugabe von Mangan auf die Verschiebung der ±/³-Umwandlung zu tieferen Temperaturen auswirkt. So bewirkt die Zugabe von 2% Mn eine Absenkung der Umwandlungstemperatur von über 60°C.

Tabelle 1: Legierungsanalyse

 

Elemente [m %]

Zusammensetzung

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

V

Fe

L0 (1.2365)

0,3

0,3

0,5

3,2

0,1

2,3

0,5

Rest

L1

0,3

0,3

2,0

3,0

0,04

2,4

0,4

Rest

L2

0,3

0,3

1,4

3,0

0,01

2,7

0,4

Rest

L3

0,3

0,3

1,0

2,6

0,01

2,5

0,4

Rest

Um aus modifizierten Legierung (2% Mn) Schmiedegesenke herstellen zu können wurde der Stahl umgeschmiedet, um ein feinkörniges und homogenes Material zu erhalten. Aus den so hergestellten Halbzeugen, werden die für die folgenden Untersuchungen notwendigen Modellgesenke spanend gefertigt. Die Werkzeuge werden anschließend zur Erhöhung der Festigkeit einer Wärmebehandlung unterzogen, um möglichst gleichmäßige Grundeigenschaften aller Werkzeuge zu erhalten. Dabei wird eine Härte von ca. 46 HRC angestrebt. In diesem Zustand ist die Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes gegenüber dem Ausgangszustand deutlich erhöht, wobei die Zähigkeit noch auf einem nutzbaren Niveau liegt.

Rapid Prototyping

Um besonders filigrane oder schwierige Teile mit hoher Oberflächenqualität gießen zu können werden z.B.  Wachsmodelle (Bild 7) für den Feinguss hergestellt. Diese Modelle werden mehrfach mit einer Keramikmasse eingeschlickert und anschließend ausgeschmolzen, so dass der einsprechende Hohlraum in einer Keramikmasse verbleibt.

Mit dem vorhandenen Wachsdrucker der Fa. SolideScape (Bild 5) können aus 3D-Daten alle denkbaren Teile hergestellt werden.

Dabei werden zwei verschiedene Wachse verwendet. Zum Einen das Modellwachs, welches später eingeschlickert wird und zum Anderen das Stützwachs, welches dazu dient Hinterschnitte im Modell auszufüllen (Bild 6). Dieses zweite Wachs hat einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt und kann nach dem Herstellprozess in einer erwärmten Flüssigkeit entfernt werden.

Bild 5: Wachsdrucker zur Erzeugung dreidimensionaler Wachsmodelle für den Feinguss
Bild 6: Druckvorgang – Drucken des Wachsmodells (blau) mit einer Stützschicht aus niedrig schmelzendem Wachs (violett)
Bild 7: Leibniz-Wachsmodelle zur Herstellung der Gussform (ca. 2cm x 2cm Größe)