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Vorhersage von Gefügebestandteilen und mechanischen Eigenschaften von austenitischem Stahlguss über die Thermische Analyse

Fritsche, Eric

Diese Arbeit hat zum Ziel, über eine praxisnahe Messmethode die metallurgischen, gießtechnischen, mechanischen sowie metallographischen Eigenschaften austenitischer Stahlgusssorten frühzeitig aus der schmelzflüssigen Phase zu bestimmen. Dies ist bedeutend für eine zeitnahe stabile und aussagefähige metallurgische Prozesssteuerung für jeden Gusswerkstoff. Dieses Ziel wurde anhand einer Stahlgusssorte in einem statistischem Versuchsplan L9 (DoE) mittels der Thermischen Analyse (TA), der Sauerstoffaktivitätsmessung (EMK) sowie der Fließfähigkeitsuntersuchung untersucht. Die Anwendung der Thermischen Analyse und der Sauerstoffaktivitätsmessung ist seit langer Zeit maßgeblich für die metallurgische Arbeit bei der Herstellung von Graugusssorten GJL, GJS und GJV bekannt und ist Stand der Technik. Jedoch beziehen sich die meisten Untersuchungen auf die schmelzflüssige Phase und die Keimbildung. Die Vorgänge in der festen Phase werden selten behandelt. Der Stahlguss ist in dieser Beziehung noch weitaus weniger erforscht. Es bestehen zwar Berechnungsmöglichkeiten, die auch hier unterstützend verwendet wurden, jedoch basieren diese Berechnungen auf statischen Analysen. Die TA ermöglicht das Betrachten der Erstarrung unter realen Bedingungen, d.h. mit lokalen Entmischungen, den Einflüssen der Form und den erstarrungsmorphologischen Eigenschaften. In der praktischen Durchführung der Versuche wurden aus Schmelzen mit gezielt eingestellten Analysen Proben gegossen, aus denen die oben beschriebenen Eigenschaften ermittelt werden konnten. Als Basis-Werkstoff diente der Gussstahl 1.4837, der z.B. als Werkstoff für die Hochtemperaturanwendung eines Abgasturboladergehäuses Einsatz findet. Daher lagen auch neben den Eigenschaften bei Raumtemperatur die Festigkeiten bei 1050°C im Zielfokus. Die Variationen der Elemente Molybdän, Niob und Wolfram ermöglichten die Erforschung eines praxisnahen, metallurgischen Fensters. Die Einflüsse der Elemente auf die Zieleigenschaften, insbesondere aber auf die Hochtemperatureigenschaften und die metallographischen Eigenschaften wie den Dendritenarmabstand, die Kornanzahl und den Karbidanteil, wurden mittels der TA deutlich sichtbar gemacht. Die Ergebnisse der Arbeit sind basierend auf der TA, den metallographischen und mechanischen Untersuchungen als berechenbare Funktion der jeweiligen Messwerte hinterlegt. Als Ergebnis der Arbeit ist festzustellen, dass es mit der Anwendung der TA möglich ist, für den oben genannten Stahlwerkstoff die Zieleigenschaften der Festigkeit und der Gefügezusammensetzung aus der schmelzflüssigen Phase zu bestimmen und somit ggf. eine direkte, Korrekturmaßnahme im Schmelz- und Gießprozess durchzuführen.

Target of this research was to investigate a relevant method to determine the metallurgical, process and mechanical properties of the microstructure of austenitic cast steel at an earliest possible state of the process. This is important for a short terminated and a significant metallurgical process control of any type of cast metal. The target has been investigated for austenitic cast steel. The measurements have been performed in order of a statistical trial plan L9 (DoE) with the thermal analysis (TA), active oxygen determination (EMK) and the fluidity test. The application of the thermal analysis and active oxygen measurement is already state of the art for metallurgical process control within the production of CI, SGI and CGI. But even though, the most investigations are focusing on the liquid phase and the nucleation. The solid phase is rarely examined by means of the thermal analysis. Investigations performed with the thermal analysis, regarding the solid phase morphology of cast steel, is virtually not done. There are existing simulation and calculation tools, which have been used supportive within this research work, but those are static regarding the chemical composition. So local decompositions, impact of mould walls and special characteristics of the materials solidification are not taken into account. In the experimental part of the investigation, heats with specified compositions have been cast into defined specimens to evaluate the properties mentioned above. As basis, the austenitic cast steel type 1.4837 has been used. It is used for high temperature applications as turbo charger housings. That is the reason why in addition to the mechanical properties at room temperature, also the mechanical properties at 1050°C have been in the focus of this work. The variations of Molybdenum, Niobium and Tungsten led to an investigation in a usable process window. The impact of the alloying elements regarding the targeted properties, especially at high temperatures and properties of the microstructure e.g. dendrite arm spacing, grain count and carbide content, have been visualized by means of the TA. The results have been formulated as functions based on data of the TA, analytical, micro structural and mechanical properties. As a result of the investigation, it can be pointed out, that it is possible for the used austenitic steel to evaluate the microstructure and mechanical properties out of the liquid state by means of the TA. This enables a corrective control mechanism for metallurgical process control.

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Fritsche, Eric: Vorhersage von Gefügebestandteilen und mechanischen Eigenschaften von austenitischem Stahlguss über die Thermische Analyse. 2016.

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