Erstarrungsverhalten und Erstarrungsbeeinflussung von Stählen im System Fe-Mn-C(-Al)

Im SFB 761 „Stahl – ab initio“ werden in dem Teilprojekt B1 „Experimente zur Erstarrung“ grundlegende Daten und Phänomene der Erstarrung des hochlegierten Systems Fe-Mn-C-Al untersucht. Neben physikalischen Eigenschaften, die notwendig sind, um Erstarrungsphänomene zu beschreiben, werden Prozessparameter untersucht, die das Erstarrungsverhalten beeinflussen. Der Erfolg eines gewählten Prozessparameters wird anhand von Qualitätsmerkmalen des Blockgusses untersucht und bewertet. In dieser Arbeit wurde, speziell zur Qualitätsverbesserung und Prozessteuerung, ein steigendes Gießsystem entwickelt, das in die Vakuumanlage des Instituts für Eisenhüttenkunde der RWTH Aachen University eingesetzt werden kann. Es wurden Reaktionen der Schmelzen mit dem verwendeten Feuerfestmaterialien beobachtet, die zu erheblichen Qualitätseinbußen führten, jedoch durch eine entsprechende Keramikanpassung behoben werden konnten. Ein neues Eingusskonzept, als Ergebnis der Prozessauswertung, soll nun alle positiven Eigenschaften der Prozessparameter zur Qualitätsverbesserung kombinieren, während die negativen Einflüsse reduziert werden. Es werden verschiedene Aufschmelzaggregate verwendet, um unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten abbilden zu können, sowie metallurgische Fragestellungen wie Erstarrungstemperaturen und Phasenzusammensetzung der Stahlgruppe verifizieren zu können. Ein besonderes Aggregat stellt hierbei der auch in dieser Arbeit neu entwickelte Langsamerstarrungsofen dar. Mit Hilfe dieses Ofens können Proben bei einer sehr langsamen Geschwindigkeit von 3mm/h in vertikaler Richtung erstarren. Dieser Aufbau ermöglicht es nun, einzelne Kristalle aus einer Schmelze zu züchten, wobei durch die langsame Erstarrung die Diffusionsvorgänge im Werkstoff begünstigt werden. Die daraus gewonnenen Daten können zur Verifikation von berechneten Phasensystemen genutzt und es könnten monokristalline Zugproben für die Werkstoffprüfung produziert werden. In dieser Arbeit konnte weiterhin herausgestellt werden, dass besonders Aluminium einen deutlichen Einfluss auf das Erstarrungsgefüge ausübt. Während die Dichte des untersuchten Materials mit zunehmendem Aluminiumgehalt sinkt, steigt die Wärmeleitfähigkeit und das Erstarrungsintervall, wodurch dünne und nadelige Kristallstrukturen ausgebildet werden. Weiterhin nimmt die Vergießbarkeit der Stähle mit zunehmendem Aluminiumgehalt ab. Der Einfluss des Kohlenstoffs ist hauptsächlich bedingt durch das nahezu linear steigende Erstarrungsintervall. Dennoch zeigen sich auch weitere positive Eigenschaften des Kohlenstoffs, wie die Verbesserung des Reinheitsgrades aufgrund der desoxidierenden Wirkung des Kohlenstoffs über die Gasphase. Der Einfluss des Mangans ist im Vergleich zu den anderen betrachteten Elementen gering. Weder der Reinheitsgrad noch das Gefüge werden eindeutig beeinflusst. Durch das Auftreten von manganangereichertem Austenit, das sich bei höheren Mangan- und Kohlenstoff-konzentrationen bildet, wird das Material jedoch nachweisbar inhomogener und das Erstarrungsverhalten der Dendriten verändert sich. Abschließend wurde ein Vergleich von üblichen Programmen zur Berechnung physikalischer Kennwerte mit den gemessenen Werten durchgeführt. Dabei fiel auf, dass zwar auch Übereinstimmungen mit den Programmen und den eigenen Werten vorhanden sind, jedoch die Ergebnisse der Programme bei der Berechnung von Stahllegierungen mit hohem Aluminiumgehalt untereinander deutlich voneinander abweichen können.