Entwicklung neuer pulvermetallurgischer Stähle für Anwendungen unter Verschleiß

214 Pages·2009·7.02 MB·German

by  Huth, Stephan Alexander

Entwicklung neuer pulvermetallurgischer Stähle für
Anwendungen unter Verschleiß- und
Korrosionsbeanspruchung
Dissertation
zur
Erlangung des Grades
Doktor-Ingenieur
der
Fakultät für Maschinenbau
der Ruhr–Universität Bochum
von
Dipl.-Ing. Stephan Alexander Huth
aus Essen
Bochum 2009
Dissertation eingereicht am: 18.08.2009
Tag der mündlichen Prüfung: 28.09.2009
Erster Referent: Prof. Dr.-Ing. W. Theisen
Zweiter Referent: Prof. em. Dr.-Ing. H. Berns
I
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand neben meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-
arbeiter am Lehrstuhl Werkstofftechnik der Fakultät Maschinenbau an der Ruhr-
Universität Bochum.
IchdankeherzlichHerrnProf.Dr.-Ing.WernerTheisenfürdieThemenstellungsowie
für die intensive Betreuung sowohl während der Erarbeitung des Themas als auch
während der Erstellung des Manuskripts, ohne die diese Arbeit in der vorliegenden
Form nicht hätte entstehen können.
Herrn Prof. em. Dr.-Ing. Hans Berns danke ich nicht nur für die freundliche Über-
nahmedesKoreferatssondernauchundvorallemfürseinstetesInteresseanmeinem
ThemaunddendarausresultierendenintensivenDiskussionen,diemeineArbeitent-
scheidend vorangebracht haben.
Danken möchte ich zudem allen Institutsmitgliedern, die mit zum Gelingen dieser
Arbeit beigetragen haben. Besonders hervorzuheben sind hier die Herren Benjamin
Korb und Andreas Mohr, die als studentische Hilfskräfte große Teile der experimen-
tellen Arbeiten übernommen haben. Ebenfalls hervorzuheben sind die Herren Dipl.-
Ing. Timo Eickelkamp und Dipl.-Ing. Nikolaj Krasokha, die mit ihrer gemeinsamen
Projektarbeit den Grundstein für die Analyse des Korrosions- und Verschleißverhal-
tens der neuen Werkstoffe gelegt haben. Besonders danken möchte ich zudem den
technischenAngestelltendesLehrstuhlsWerkstofftechnikFrauClaudiaBrügge,Frau
Cornelia Hasenfratz, Herrn Klaus Bambauer, Herrn Udo Föckeler und Herrn Lothar
GielenfürdietatkräftigeUnterstützungbeizahllosenExperimenten.Dankenmöchte
ichauchFrauCorinnaRademacherfürunzähligeStundenamRasterelektronenmikro-
skop sowie Herrn Peter Borowiak, der mir durch seine unermüdliche Hilfe besonders
indenanstrengendenletztenWochenvorAbgabederArbeitdenRückenfreigehalten
hat.HerrnDipl.-Ing.AliAghajanidankeichfürdieLast-Minute-Untersuchungenam
Durchstrahlungselektronenmikroskop. Die wissenschaftlichen Mitarbeiter des Lehr-
stuhlsderletztenJahrewarendurchihreDiskussionsbereitschaftsowieeinigeaußer-
dienstlichgemeinsamverbrachteStundeneinwichtigerBestandteilmeinerbisherigen
Zeit am Lehrstuhl und werden es hoffentlich auch bleiben, wofür ebenfalls herzlich
gedanktsei.BesondersdankenmöchteichHerrnDr.-Ing.HeikoMoll,dertrotzhoher
eigenerArbeitsbelastungsowohldasManuskriptalsauchmeinenPromotionsvortrag
gelesen/gehört und korrigiert hat.
II
EinigeArbeitenwurdenvonindustriellenPartnerndurchgeführt.SodankederFirma
Böhler Welding in Düsseldorf und hier besonders den Herren Apel, Dr.-Ing. Aydin,
Dr.Ing. Gollnick und Dr.-Ing. Unruh für die Herstellung des Pulvers. Der Köppern
Entwicklungs-GmbH in Hattingen und ihren Mitarbeitern Herrn Martin Kusch und
HerrnDipl.-Ing.FalkMartelldankeichfürdiefachmännischeHerstellungeinergroßen
Zahl an HIP-Kapseln.
Auch Mitarbeiter anderer Universitäten waren am Erfolg der Arbeit beteiligt. So
danke ich Frau Dr. rer. nat. Silvia Richter vom Gemeinschaftslabor für Elektro-
nenmikroskopie der RWTH Aachen für die WDX-Untersuchungen, Herrn Dipl.-Ing.
Christian Kronholz vom Lehrstuhl für Werkstofftechnologie der TU Dortmund für
die Niederdruck-HIP-Versuche sowie Herrn Dipl.-Ing. Thilo H. Beuke des Instituts
fürAngewandteMaterialtechnikderUniversitätDuisburg-EssenfürdieUmformver-
suche.
Der überwiegende Teil dieser Arbeit wurde von der Böhler Edelstahl GmbH & Co.
KG in Kapfenberg, Österreich finanziert. Nicht nur dafür, sondern auch für die her-
vorragende Zusammenarbeit über den gesamten Projektzeitraum möchte ich mich
sehr herzlich bedanken. Hervorzuheben sind hier die Herren DI Hubert Lenger, DI
Herbert Schweiger, Dr. Devrim Caliskanoglu und Dr. Ingo Siller, die mich vor allem
bei den regelmäßigen Projekttreffen durch ausführliche Diskussionen und ihr augen-
scheinlichgroßesInteresseinmeinerArbeitbestärktundvorangebrachthaben.Ganz
besonders herzlich danken möchte ich Herrn DI Jochen Perko, der als mein direkter
AnsprechpartnerbeiBöhlermirinvielenDingensehrschnellundsehrunkompliziert
geholfen und so unter vielem anderen die HIP-Behandlung der meisten Kapseln und
die ICP-Messung der Pulverzusammensetzungen ermöglicht hat. Außerdem bedan-
ke ich mich bei ihm für viele lange Diskussionen am Telefon und bei gemeinsamen
Treffen.
III
Inhaltsverzeichnis
Nomenklatur VII
1 Einleitung 1
1.1 Wissenschaftliche und technische Einordnung . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Ziel und Weg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Grundlagen und Methodik 5
2.1 Thermodynamische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Pulvermetallurgie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Metallographische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Wärmebehandlung und Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6 Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Legierungsentwicklung 23
3.1 Gefüge metallischer Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Kunststoffformenstähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Einfluss der Monokarbidbildner V, Ti und Nb . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1 Verwendung in kleinen Gehalten . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Verwendung in hohen Gehalten für Werkzeugstähle. . . . . . . 32
3.4 Die Rolle von Stickstoff und Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5 Wahl geeigneter Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.1 Im Gleichgewicht auftretende Phasen. . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.2 Wirkung einzelner Legierungselemente . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5.3 Abgeleitete Legierungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
IV Inhaltsverzeichnis
4 Herstellverfahren und Gefügeentwicklung 47
4.1 Einleitung: Notwendigkeitdes Diffusionslegierens undfrühere Methoden 47
4.2 Experimentelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.1 Verdüste Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2 Diffusionslegieren mit Graphit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3 Aufstickversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.4 Homogenisieren der Gefüge durch Walzen . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.1 Gefüge verdüster Pulver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.2 Gefüge nach HIP ohne Metalloidzugabe . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.3 C-Einbringung durch Pulvermischung mit Graphit . . . . . . . 70
4.3.4 N-Einbringung durch Gasaufsticken in N . . . . . . . . . . . . 98
2
4.3.5 Homogenisierung der Gefüge durch Walzen . . . . . . . . . . . 101
5 Technologische Eigenschaften der entwickelten Stähle 103
5.1 Härte-Anlass-Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.1 Versuchsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.1.2 Ergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2 Korrosion im sauren Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.1 Versuchsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Ergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3 Abrasiver Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.1 Versuchsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3.2 Ergebnisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 Diskussion 125
6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2 Gefügeentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.2.1 Prozesse während des Diffusionslegierens. . . . . . . . . . . . . 126
6.2.2 Einflüsse auf die Karbidgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.3 Einflüsse auf niobkarbidfreie Bereiche . . . . . . . . . . . . . . 136
6.2.4 Bildung und Umwandlung von NbN . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.2.5 Metal-Matrix Composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.3 Zuverlässigkeit der thermodynamischen Berechnungen . . . . . . . . . 141
6.4 Technologische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Inhaltsverzeichnis V
6.4.1 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
6.4.2 Korrosionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.4.3 Verschleißverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.5 Gesamtbewertung der Werkstoffkonzepte. . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7 Zusammenfassung und Ausblick 169
7.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Tabellen 175
Literaturverzeichnis 187
VI
VII
Nomenklatur
Symbole
h Spezifische Enthalpie [J/(kg·K)]
i Stromdichte [µA/cm2]
I Korrosionsstrom [A]
korr
i Passivstromdichte [µA/cm2]
p
i Passivierungsstromdichte [µA/cm2]
Pas
m Masse [kg]
M molare Masse [g/mol]
M Martensit Finish Temperatur [°C]
f
M Martensit Start Temperatur [°C]
s
n Oxidationszahl [-]
t Zeit [s]
T Temperatur [°C]
T Austenitisierungstemperatur [°C]
A
U Spannung, Potential [V]
U Aktivierungspotential [mV]
A
U Durchbruchspotential [mV]
D
U Passivierungspotential [mV]
P
U Ruhepotential [mV]
R
γ Oberflächenenergie [J/m2]
surf
σ Oberflächenspannung [N/m2]
VIII Nomenklatur
Phasen
α Ferrit
γ Austenit
η Laves-Phase
µ µ-Phase
Abkürzungen
At.-% Atom-%
EDX energiedispersive Röntgenanalyse
engl. englisch
HAADF High Angle Annular Dark Field-Kontrast im TEM
HIP Heiß-Isostatisches Pressen
ICP Inductively Coupled Plasma Atomspektrometrie
IL In-Lens-Detektor im Rasterelektronenmikroskop
kfz kubisch flächenzentriert
krz kubisch raumzentriert
LWT Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum
Ma.-% Masse-%
MMC Metallmatrix-Verbundwerkstoff
Vol.-% Volumen-%
RE Rückstreuelektronendetektor im Rasterelektronenmikroskop
REM Rasterelektronenmikroskop
SE Sekundärelektronendetektor im Rasterelektronenmikroskop
TEM Durchstrahlungselektronenmikroskop
WDX wellenlängendispersive Röntgenanalyse
X190 X190CrVMo20-4; kommerziell erhältlicher PM-Kunststoffformenstahl