Oxidationsphänomene bei Mittelmanganstählen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Krupp; Professor Dr. Andreas Undisz
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516364140

Mittelmanganstähle, auch als Advanced High Strength Steels der 3. Generation bezeichnet, weisen ein außerordentlich vielfältiges Potential für eine beanspruchungsangepasste thermomechanische Behandlung auf. Der aufgrund des hohen Mangananteils durch Luftabkühlung einstellbare Martensit wird während des interkritischen Glühens in Austenit umgewandelt, dessen Stabilität durch Elementumverteilung (partitioning) erhöht wird. Beim abschließenden Abkühlen entsteht ein Gefüge das neben einer hohen Duktilität auch ein ausgeprägtes Kaltverfestigungspotential bedingt. Die vergleichs¬weise hohe Mangankonzentration ist jedoch Fluch und Segen zugleich. Mangan weist eine hohe Affinität gegenüber Sauerstoff auf, was bei der Wärmebehandlung auch bei geringen Sauerstoffpartialdrücken zu einer Oxidschicht¬bildung führt, die ihrerseits die Haftung von Korrosionsschutzüberzügen gravierend verschlechtert. Die Kenntnisse zum Verzunderungsverhalten dieser Stähle während der thermomechanischen Behandlung bei den vergleichsweise kurzen Glühdauern von wenigen Minuten beruhen bisher weitgehend auf industriellen Erfahrungswerten, wohingegen das Langzeitoxidationsverhalten, insbesondere von Kraftwerksstählen, bereits quantitativ untersucht und weitgehend verstanden ist. Im Rahmen des Vorhabens soll daher die frühe Phase der Oxidation von Mittelmanganstählen bei Temperaturen zwischen 400°C und 900°C experimentell quantifiziert und hinsichtlich der relevanten Transport- und Phasenbildungsprozesse beschrieben werden. Zur Klärung der Bedeutung von Mn, Si und Al für die Oxidation und Phasenbildung werden zunächst hochreine Laborschmelzen mit präzis kontrollierter Zusammensetzung hergestellt und die Mikrostruktur gezielt eingestellt. Die Analyse der Oxidationskinetik, die lokale Identifikation gebildeter Oxidphasen und deren Morphologie sowie die lokale und integrale Bestimmung der Konzentrationsverteilung in Oxid und Metall bilden in Kombination die Grundlage für ein numerisches Modell auf Basis der Finite Differenzen und der CALPHAD-Methode, mit dem das Oxidationsverhalten dieser Stähle vorausberechenbar werden soll. Anhand der Ergebnisse der hochreinen Laborschmelzen wird eine begrenzte Zahl an Industrieschmelzen ausgewählt und mit den üblichen Begleitelementen hergestellt, um die Übertragbarkeit identifizierter Mechanismen zu prüfen. Anhand der Industrieschmelzen wird herausgearbeitet, inwieweit durch geeignete Prozessführung Mittelmanganstähle mit einer für das Schmelztauchbeschichten geeigneten Oberfläche geglüht werden können. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen Zugang geben, um die Bildung verschiedener Oxidphasen durch die Mikrostruktur eines Mittelmanganstahls bzw. die Temperaturführung bei Umgebungs-atmosphäre kosteneffizient zu steuern. Zusätzlich soll durch gezielte Kontrolle der Oxidphasen in den frühen Stadien der Oxidation die Zunderbildung verringert werden, womit der Materialverlust reduziert und die CO2-Bilanz verbessert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Robert Wonneberger