TY - THES

T1 - Charakterisierung der Mikro- und Nanostruktur eines hochlegierten, martensitischen Cr-Stahls

AU - Pferschy, Matthias

N1 - gesperrt bis 12-03-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Durch die fortschreitende Abkehr von fossilen Energiequellen hin zu nachhaltigeren Ressourcen wird Wasserstoff als alternative Form der Energiespeicherung betrachtet. Da jedoch die meisten Stähle unter Wasserstoffatmosphäre unerwünschte Versprödung zeigen, ist eine genaue Kenntnis der Mikrostruktur von Stählen unerlässlich, um diesem Problem entgegenzuwirken. Der martensitische Cr-Stahl X30CrMoN15-1, der in der Vergangenheit vor allem durch seine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit in Wälzlagern und tribologisch beanspruchten Bauteilen Anwendung fand, ist ein vielversprechender Werkstoff für den Einsatz in trockenlaufenden Kugellagern unter Wasserstoffatmosphäre Im Zuge dieser Masterarbeit wurden zwei Wärmebehandlungszustände des Stahls X30CrMoN15-1, welche sich lediglich in ihrer Anlasstemperatur unterschieden, hinsichtlich ihrer Mikro- und Nanostruktur untersucht und verglichen. Zur Charakterisierung der Matrixzusammensetzung, insbesondere des Restaustenitgehalts und etwaiger Ausscheidungen, kamen verschiedene Beugungsverfahren, wie Röntgenbeugung oder Elektronenrückstreubeugung, zum Einsatz. Durch Rasterelektronenmikroskopie und Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten der Ausscheidungsgehalt sowie deren Größenverteilung exakt bestimmt werden. Durch zusätzliche Atomsonden-Messungen sowie energiedispersive Röntgenspektroskopie konnten zusätzlich die chemischen Zusammensetzungen der Matrix und der Ausscheidungen bestimmt werden. Beide untersuchten Zustände zeigten eine sehr ähnliche Mikrostruktur mit einem hohen Restaustenitanteil von bis zu 30 %, sowie Ausscheidungen mit einem Phasenanteil bis 1,5 % in Form von trigonalen Karbonitriden mit einer Größe von einigen hundert Nanometern. Obwohl beide Mikrostrukturen in den beobachteten Größenskalen sehr ähnlich ausgebildet waren, führte das Anlassen bei höheren Temperaturen zu signifikant höheren Härtewerten Zusätzlich konnte durch HE-XRD-Messungen eine Verkleinerung der Gitterparameter von Martensit und Austenit vom Zustand 350°C zum Zustand 450°C ermittelt werden. Der Grund für die erhöhte Härte des Zustand 450°C ist demnach in Unterschieden kleinerer Größenordnungen wie Segregationen, Clusterbildungen oder Ausscheidungsbildung in Frühphasen zu vermuten. Insgesamt konnte eine gute Übereinstimmung der Phasenquantifizierung zwischen elektronenmikrokopiebasierten Methoden sowie röntgenbeugungsbasierten Methoden hergestellt werden.

AB - Durch die fortschreitende Abkehr von fossilen Energiequellen hin zu nachhaltigeren Ressourcen wird Wasserstoff als alternative Form der Energiespeicherung betrachtet. Da jedoch die meisten Stähle unter Wasserstoffatmosphäre unerwünschte Versprödung zeigen, ist eine genaue Kenntnis der Mikrostruktur von Stählen unerlässlich, um diesem Problem entgegenzuwirken. Der martensitische Cr-Stahl X30CrMoN15-1, der in der Vergangenheit vor allem durch seine hohe Härte und Verschleißbeständigkeit in Wälzlagern und tribologisch beanspruchten Bauteilen Anwendung fand, ist ein vielversprechender Werkstoff für den Einsatz in trockenlaufenden Kugellagern unter Wasserstoffatmosphäre Im Zuge dieser Masterarbeit wurden zwei Wärmebehandlungszustände des Stahls X30CrMoN15-1, welche sich lediglich in ihrer Anlasstemperatur unterschieden, hinsichtlich ihrer Mikro- und Nanostruktur untersucht und verglichen. Zur Charakterisierung der Matrixzusammensetzung, insbesondere des Restaustenitgehalts und etwaiger Ausscheidungen, kamen verschiedene Beugungsverfahren, wie Röntgenbeugung oder Elektronenrückstreubeugung, zum Einsatz. Durch Rasterelektronenmikroskopie und Rastertransmissionselektronenmikroskopie konnten der Ausscheidungsgehalt sowie deren Größenverteilung exakt bestimmt werden. Durch zusätzliche Atomsonden-Messungen sowie energiedispersive Röntgenspektroskopie konnten zusätzlich die chemischen Zusammensetzungen der Matrix und der Ausscheidungen bestimmt werden. Beide untersuchten Zustände zeigten eine sehr ähnliche Mikrostruktur mit einem hohen Restaustenitanteil von bis zu 30 %, sowie Ausscheidungen mit einem Phasenanteil bis 1,5 % in Form von trigonalen Karbonitriden mit einer Größe von einigen hundert Nanometern. Obwohl beide Mikrostrukturen in den beobachteten Größenskalen sehr ähnlich ausgebildet waren, führte das Anlassen bei höheren Temperaturen zu signifikant höheren Härtewerten Zusätzlich konnte durch HE-XRD-Messungen eine Verkleinerung der Gitterparameter von Martensit und Austenit vom Zustand 350°C zum Zustand 450°C ermittelt werden. Der Grund für die erhöhte Härte des Zustand 450°C ist demnach in Unterschieden kleinerer Größenordnungen wie Segregationen, Clusterbildungen oder Ausscheidungsbildung in Frühphasen zu vermuten. Insgesamt konnte eine gute Übereinstimmung der Phasenquantifizierung zwischen elektronenmikrokopiebasierten Methoden sowie röntgenbeugungsbasierten Methoden hergestellt werden.

KW - X30CrMoN15-1

KW - Kryobehandlung

KW - Karbonitrid

KW - korrosionsbeständiger Stahl

KW - Stickstoff

KW - Mikrostruktur

KW - Restaustenit

KW - X30CrMoN15-1

KW - cryogenic treatment

KW - carbonitride

KW - corrosion-resistant steel

KW - nitrogen

KW - microstructure

KW - retained austenite

U2 - 10.34901/mul.pub.2024.102

DO - 10.34901/mul.pub.2024.102

M3 - Masterarbeit

ER -