B-legierte Werkzeugstähle - Thermodynamische Berechnungen und metallkundliche Untersuchungen zum Verhalten der Legierungselemente Mn und Mo in dem quaternären System Fe-Cr-C-B

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Arne Röttger
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 232707733

Das Element Bor bietet als Hartphasenbildner eine wirtschaftliche Möglichkeit die tribo-mechanischen Eigenschaften von Werkzeugstählen zu verbessern. Dabei wird die Hartphasenbildung durch die gezielte Bildung harter Boride von der martensitischen Härtung durch C entkoppelt. In diesem Kontext ist das Metalldiborid vom Typ M2B zu nennen. Im Vergleich zu dem Karbid vom Typ M7C3, das in konventionellen Werkzeugstählen genutzt wird, besitzt das M2B Borid eine höhere Härte und Bruchzähigkeit. Gemäß den Ergebnissen der ersten Projektphase fördern hohe B/(C+B)-Verhältnisse die Bildung der Phase M2B. Weiterhin kann das Legierungselement Cr genutzt werden, um die Phase M2B zu stabilisieren und die mikromechanischen Eigenschaften wie Härte und Bruchzähigkeit weiter zu steigern. Nachteilig stellt sich jedoch die erstarrungsbedingte Bildung der Karboboride vom Typ M3(C,B) oder M23(C,B)6 in den Legierungssystemen Fe-C-B und Fe-C-B-Cr dar. Diese im Vergleich zu den Metalldiboriden weicheren Karboboride binden die Legierungselemente C und Cr ab. Dadurch wirkt die Bildung von Karboboriden der martensitischen Härtung durch C entgegen und reduziert durch die Abbindung von Cr zugleich die Härte der Metalldiboride. Eigene Voruntersuchungen und Ergebnisse aus der Literatur weisen darauf hin, dass die Legierungselemente Mn und Mo die Phase M2B ohne die Bildung unerwünschter Karboboride in den Systemen Fe-C-B und Fe-Cr-C-B stabilisieren können.Forschungsbedarf besteht somit bezüglich der Wirkung der Legierungselemente Mo und Mn in den Systemen Fe-C-B und Fe-Cr-C-B. Im Fokus der Untersuchung von B-legierten Werkzeugstählen stehen dabei die Erstarrungsreihenfolge, die Gefüge- und Phasenausbildung, die Phasenumwandlungen im Festen und die mikromechanischen Eigenschaften der einzelnen Hartphasen. Durch metallkundliche Untersuchungen an Laborschmelzen, gekoppelt mit iterativ durchzuführenden thermodynamischen Berechnungen soll diese Wissenslücke im Fortsetzungsantrag geschlossen werden. Weiterhin soll untersucht werden, inwiefern sich das Element B an der Bildung von sekundären Ausscheidungen während eines Anlassens im Sekundärhärtemaximum beteiligt. Diese Sekundärhärte beruht in konventionellen Werkzeugstahlkonzepten auf der Bildung von Mo-, Cr- oder V-reichen Sonderkarbiden. Es soll untersucht werden, ob die hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Elementes B in der Eisenmatrix trotz der geringen Löslichkeit die Bildung von Anlassboriden-/Anlasskarbodoriden ermöglicht. Die Erkenntnisse sollen schlussendlich dazu verwendet werden, ein auf dem System Fe-C-B basierendes Werkzeugstahlkonzept abzuleiten. Dabei wird ein Gefüge, bestehend aus einer martensitischen Metallmatrix mit möglichst sphärisch eingeformten Boriden vom Typ M2B, angestrebt. Zuletzt soll diese Fe-C-B-X Legierung im Vergleich zu einer konventionellen Fe-Cr-C Referenzlegierung durch tribo-mechanische Untersuchungen charakterisiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen