Abschreck- und Umformdilatometer
Final Report Abstract
An einer Außenstelle der Bergischen Universität Wuppertal in Solingen ist 2014 der Lehrstuhl für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe als neuer Forschungsstandort entstanden. Der fachliche Schwerpunkt liegt in den Bereichen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und konzentriert sich vor allem auf anwendungsnahe Forschung zu metallischen Werkstoffen. Das im Rahmen des Großgeräteantrags INST 218/74-1 FUGG neu beschaffte Abschreck- und Umformdilatometer kam zur Beantwortung wissenschaftlicher Fragestellungen in mehreren Forschungsvorhaben zum Einsatz. Die wichtigsten Ergebnisse aus den Arbeiten der vergangenen drei Jahre werden nachfolgend kurz umrissen: Das Forschungsvorhaben „Ressourceneffiziente Produktion formgeschliffener metallischer Produkte mit nachfolgendem Up-Cycling der Prozessabfallstoffe“ beschäftigt sich mit der Rezyklierung von Schleifschlämmen und insbesondere den darin enthaltenen metallischen Schleifspänen, die in der Metallbearbeitung in großen Mengen anfallen. Das Dilatometer wurde zur Charakterisierung des Umwandlungsverhaltens von Rezyklat aus einem hochlegierten Werkzeugstahl verwendet, dessen Verdichtung zuvor über einen Sinterprozess erfolgte. Auf diese Weise wurde untersucht, ob sich die während des Recyclingprozesses nicht vollständig zu vermeidende Aufkohlung des Werkzeugstahls positiv im Sinne einer Absenkung der Martensit-Starttemperatur ausnutzen lässt, um die im Rahmen des Forschungsvorhabens geplante, additive Fertigung mit den Mikrospänen als Rohstoff zu verbessern. Eine Veröffentlichung dieser Ergebnisse in einer Fachzeitschrift befindet sich aktuell in Bearbeitung. In einem anderen Kontext erfolgten Kurzzeitwärmebehandlungen an Feinstblechen aus martensitischem Chromstahl. Diese werden in dem der Fragestellung zugrunde liegenden industriellen Prozess innerhalb weniger Sekunden austenitisiert und abgeschreckt, sodass der resultierende Lösungszustand der austenitischen Matrix bei Härtetemperatur nicht nur vom Ausgangszustand des Werkstoffs, sondern vor allem von den Parametern der Wärmebehandlung abhängt. Eine besondere Herausforderung lag dabei in der Probenherstellung, da die Feinstbleche eine Dicke von 70 bis 100 µm aufweisen. Die Standardprobenform für Dilatometerversuche im Abschreckmodus besteht aus einem Voll- oder Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser von 4 mm. Im Zuge der Untersuchungen wurde daher ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem Feinstblechstreifen reproduzierbar und prozesssicher zu Hohlzylindern mit einem Außendurchmesser von 4 mm gebogen werden können. Auf diese Weise konnte das sehr dünne Probenmaterial für Untersuchungen im Dilatometer vorbereitet werden. Die geringe resultierende Probendicke und damit das geringe Probenvolumen ermöglichten es, mit sehr hohen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten arbeiten zu können. Auf diesem Weg konnten potentielle Optimierungen des Fertigungsprozesses „Wärmebehandlung von Feinstblech“ erarbeitet werden. Während diese Ergebnisse bereits publiziert wurden, stellen sie zudem die Grundlage für ein weitergehendes Forschungsvorhaben dar, innerhalb dessen die zeit- und temperaturabhängige Einstellung eines metastabilen Lösungszustands mehrphasiger Stähle simuliert und mit experimentellen Daten verifiziert werden soll. Das mit dem Dilatometer zugängliche Umwandlungsverhalten bildet in diesem Rahmen die experimentelle Grundlage des Forschungsvorhabens. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Druckguss–ADI: Entwicklung einer druckgussfähigen ADI- Legierung und eines zugehörigen Druckgussverfahrens mit integraler Wärmeführung“ wurde die Bainitisierung einer Gusseisenlegierung (GJS500-7), ausgehend von einem sehr hohen Lösungszustand des Austenits, untersucht. Dafür wurden sowohl kontinuierliche als auch isotherme Messungen durchgeführt. Aus den Versuchen ließen sich geeignete Parameter für die Wärmebehandlung und die Implementierung in einen Fertigungsprozess ableiten. Diese Ergebnisse bilden den Grundstein für die nun folgende Legierungsentwicklung. Eine Publikation dieser Ergebnisse ist für das Quartal 01/2020 geplant. Zudem wurden Ms- und Mf-Temperaturen eines neu entwickelten nichtrostenden martensitischen Cr-Stahls innerhalb des Projektes „KorWearMat“ durch Dilatometerversuche gemessen und eine neuartige Wärmebehandlung („Gestufte Austenitisierung“) zur Optimierung der Zähigkeit und der Korrosionsbeständigkeit von Cr-Gussstählen entwickelt. Die Ergebnisse wurden bereits in mehreren Tagungsbeiträgen veröffentlicht, während sich eine Publikation in einer Fachzeitschrift aktuell im Reviewprozess befindet. Im Rahmen des von der DFG geförderten Projekts „Einfluss der lokalen chemischen Zusammensetzung auf die mikrostrukturelle Stabilität und lokale Verformungsmechanismen in Relation zur Wasserstoffversprödung von fcc Legierungen auf Fe-Basis“ wurden verschiedene Ansätze zur Bestimmung der Austenitstabilität von thermisch metastabilen austenitischen nichtrostenden Stählen geprüft und mit empirischen Gleichungen korreliert. Um belastbare Aussagen über die jeweiligen Berechnungsansätze zu treffen, erfolgte die Bestimmung der MS-Temperatur experimentell mittels Dilatometerversuchen im Cryo- Modus. Damit konnte zum Teil eine martensitische Umwandlung unterhalb der Raumtemperatur nachgewiesen werden, was wiederum mit empirischen sowie thermodynamischen Berechnungen korreliert wurde und folglich die thermische Instabilität der untersuchten Legierungen bestätigte. Schließlich konnten durch die Verwendung des Deformationsmodus ein Schmiedeprozess sowie die darauf folgenden Wärmebehandlungsschritte im Labormaßstab simuliert werden. Im Rahmen eines laufenden Promotionsvorhabens wird die Einbindung der Wärmebehandlung in die Abkühlphase nach dem Schmiedeprozess entwickelt, um eine Verkürzung der Prozesskette und eine Energieeinsparung zu ermöglichen. Dieses „Härten aus der Schmiedehitze“ muss den höheren Lösungszustand des Werkzeugstahls bei Schmiedetemperatur in gleicher Weise berücksichtigen wie den Einfluss des lokalen Umformgrades auf die Kinetik der Phasenbildung. Eine Verzögerung der in Werkzeugen unerwünschten Phasen Ferrit bzw. Ferrit + Zementit wirkt sich dabei positiv auf den Gesamtprozess aus. Die umformdilatometrischen Versuche bilden in diesem Kontext die experimentelle Grundlage zur Bestimmung von UZTU-Diagrammen, die wiederum in eine Simulation der Schmiede- und Wärmebehandlungsprozesse einfließen. Insgesamt ist festzuhalten, dass das Abschreck- und Umformdilatometer die experimentellen Möglichkeiten des Lehrstuhls für Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe erheblich erweitert und sich in mehreren Forschungsvorhaben als sehr nützliches und zuverlässiges Instrument erwiesen hat. Weitere Fragestellungen befinden sich derzeit in Bearbeitung und sollen das Potential des Gerätes weiter ausschöpfen.
Publications
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Bildungskinetik metastabiler Gefügezustände in legierten Vergütungsstählen, Posterbeitrag: Gefüge und Bruch, Ruhr-Universität Bochum
Schmidtseifer, N.; Wieczorek, L. & Weber, S.
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Handling of Blackplate in Metallographic Preparation and Heat Treatment Optimization via Quenching Dilatometry. Practical Metallography, 56(1), 34-47.
Schmidtseifer, N. & Weber, S.
