Schadenstolerante Gefüge für hochbeanspruchte Komponenten des Maschinenbaus
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Teilprojekts „Schadenstolerante Gefüge für hochbeanspruchte Komponenten des Maschinenbaus“ im DFG-AiF-Gemeinschaftsvorhaben „Innovative Konzepte zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit hochbeanspruchter Bauteile“ HiPerComp (High Performance Components) wurden unterschiedliche Werkstoffkonzepte zur Erzielung schadenstoleranter hochfester Stähle entwickelt und erprobt. Über 25 Stähle wurden im Labormaßstab hergestellt, unter industrienahen Bedingungen prozessiert und bezüglich ihrer Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften unter monotoner Belastung umfassend charakterisiert. Die Charakterisierung des statischen Verfestigungsverhaltens sowie die Erstellung von Mikrostruktur-Eigenschaftskorrelationen spielten dabei eine zentrale Rolle. Es wurden erfolgsversprechende Legierungsvarianten ausgewählt, die von den Projektpartnern am IWT Bremen und WKK Kaiserslautern wärmebehandelt und unter zyklischer Beanspruchung weiter charakterisiert wurden. Basierend auf die Ergebnisse wurden die Stähle iterativ optimiert. Zum Schluss wurden Stähle ausgewählt, die ein hohes Potential für Schadenstoleranz gezeigt haben um industriell hergestellt zu werden und in der Bauteilprüfung die daraus gefertigten Zahnräder und Wälzlagerinnenringe zu untersuchen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Elemente Al, Si, Cu und Nb erfolgreich zu der Bewirkung von Festigkeitssteigernden Mechanismen wie Kornfeinung, Ausscheidungshärtung, Mischkristallverfestigung und das Hervorrufen eines lokal auftretenden TRIP-Effekts auch im Bereich der Wälzlager, Vergütungs- und Einsatzstähle erfolgreich eingesetzt werden können. Einige der im Rahmen der Vorhabens entwickelten Werkstoffmodifikationen zeigten ein erhöhtes Verfestigungsvermögen sowie eine erhöhte Schadenstoleranz, wodurch eine Rissentstehung oder -Ausbreitung und der damit verbundene frühzeitige Komponentenausfall verzögert oder gar vermieden werden kann. Des Weiteren zeigten die durchgeführten Untersuchungen, dass bei der Werkstoffprüfung höchstfester Zustände zusätzliche Maßnahmen bezüglich der Probengeometrie getroffen werden müssten um die erfolgreiche Probenprüfung zu gewährleisten. Die durchgeführte skalenübergreifende Gefügeanalyse der kupferlegierten Stähle zeigte, dass der Nachweis der vermutlich kohärenten 2-4 nm großen Cu- Ausscheidungen innerhalb einer hochkohlenstoffhaltigen martensitischen Matrix nicht trivial ist und Bedarf für weitere Untersuchungen aufweist. Auch ihr Einfluss auf das Verfestigungsverhalten konnte nicht komplett enthüllt werden. Auch bei den Si-und Al-legierten Stählen aus dem TRIP-Konzept müssen weitere Untersuchungen erfolgen um den Einfluss der Morphologie des Restaustenits sowie der Belastungsart auf die Restaustenitstabilität besser verstehen zu können. Das Gesamtvorhaben „HiPerComp“ wurde mit dem 1. Preis im Wettbewerb „Stahlinnovationspreis 2015“ in der Kategorie „Forschung und Entwicklung“ ausgezeichnet. Hiervon gibt es Pressemitteilungen und Filme, die über die folgende Webseite aufgerufen werden können: http://www.stahl-online.de/. Zudem wird zum HiPerComp-Abschlusskolloquium 2015 im VDMA-Haus in Frankfurt ein detailliertes Berichtsheft mit projektübergreifender Darstellung der im Rahmen des Gesamtvorhabens verfolgten Ziele, Konzeptionen und erzielten Ergebnissen publiziert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Al-Alloying of 18CrNiMo7-6 for Increasing the Damage Tolerance of Gear Components”, Materials Science and Engineering 2012, 25.-27. September 2012, Darmstadt
M.D. Bambach, A. Stieben, H. Dickert, W. Bleck
- „New Concepts of Damage Tolerant Steels for High Performance Components”, TMS 2012, 11.-15. März 2012, Orlando
M. D. Bambach, H. Dickert, W. Bleck
- „Entwicklung von schadenstoleranten hochfesten Stählen“, lightweightdesign 6/2013,Springer Vieweg, ISSN 1865-4819 (2013): 18-22
M. D. Bambach, W. Bleck
- “18CrNiMo7-6 with TRIP-Effect for Increasing the Damage Tolerance of Gear Components - Part I: Alloy Design”, Materials Science Forum 783 (2014): 633-638
M. D. Bambach, A. Stieben, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.633) - “18CrNiMo7-6 with TRIP-Effect for Increasing the Damage Tolerance of Gear Components—Part II: Microstructure and Mechanical Properties”, Materials Science Forum 783 (2014): 639-643
M. D. Bambach, A. Stieben, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.783-786.639) - “Alloy design for Increasing the Damage Tolerance of Case Hardening and Bearing Steels”, Materials Science and Engineering 2014, 23.-25. September 2014, Darmstadt
M. D. Bambach, A. Stieben, W. Bleck
- “Cu-Alloying of 18CrNiMo7-6 for Increasing the Damage Tolerance of Gear Components”, 1st ESTAD & 31st JSI, 7.-8. April 2014, Paris
M. D. Bambach, A. Stieben, W. Bleck
- “Development of Damage Tolerant Steels for High Performance Components”, 29. Aachener Stahlkolloquium ASK 2014: Proceedings (2014): 143-153
M. D. Bambach, W. Bleck
- “Development of Damage Tolerant Steels for High Performance Components”, 29. Aachener Stahlkolloquium, 27.+28. März 2014, Aachen
M. D. Bambach, W. Bleck
- „Stahlentwicklung für das Schmieden - vom AFP-Stahl zum bainitischen Stahl“, Stahltag 2014, 06.11.2014, Düsseldorf
W. Bleck, M. D. Bambach, V. Wirths
- „Development of Damage Tolerant Engineering Steels”, 4th International Conference of Engineering Against Failure (ICEAF IV), 24-26 June 2015, Skiathos, Griechenland
W. Bleck, M.D. Bambach
- „On the Microstructure and Properties of a High Al-alloyed 100Cr6 Steel”, Steel Research International (2015)
M. D. Bambach, A. Stieben, W. Bleck
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201500068) - “Tailoring the hardening behavior of 18CrNiMo7-6 via Cu alloying”, Steel Research International, 87,5, May 2016, Pages 550-561
M. D. Bambach, W. Bleck, H. Kramer, M. Klein, D. Eifler, T. Beck, H. Surm, H.- W. Zoch, F. Hoffmann, A. Radulescu
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/srin.201500129)
