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