Experimental investigation and thermodynamic assessment of the ternary system Fe-Mn-S

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Abstract

In der modernen Stahlerzeugung ist Mangan (Mn) als vielseitiges Legierungselement für verschiedene Stahlsorten bekannt. Typische Mn-Gehalte sind bis zu 1,5 wt.-% in niedrig legierten Kohlenstoffstählen, circa 3 bis 6 wt.-% in Medium-Mn Stählen und mehr als 10 wt.-% in Hoch-Mn Stählen für Sonderanwendungen. Mn erhöht die Festigkeit und verbessert die Zähigkeit, Duktilität und Schweißbarkeit in bestimmten Legierungsbereichen. Darüber hinaus dient Mn dazu, Restschwefel (S) in Form von Mangansulfiden (Mn,Fe)S abzubinden. Im Gegensatz zu Mn wird S im Allgemeinen als Stahlschädling angesehen. S scheidet sich während der Erstarrung in der interdendritischen Restschmelze aus und verursacht Heißrisse. In Kombination mit Mn führt Schwefel während der Erstarrung beim Stranggießen zur Bildung von (Mn,Fe)S, was die Gefahr für Heißrisse vermindern kann. Im erstarrten Produkt führen (Mn,Fe)S jedoch zur drastischen Verringerung der Duktilität bei höheren Temperaturen und begünstigen dadurch Rissbildung an der Oberfläche. Um qualitätsrelevante Probleme zu beurteilen, ist die genaue Kenntnis der Thermodynamik des Fe-Mn-S Systems und die Vorhersage der (Mn,Fe)S-Stabilität im Stahl entscheidend. Das Ziel dieser Masterarbeit war die experimentelle Untersuchung und thermodynamische Beschreibung des ternären Systems Fe-Mn-S mit Schwerpunkt auf der Erstarrung von Stahl. Legierungen mit 0,5 wt.-% und 2 wt.-% Mn und bis zu 0,3 wt.-% S wurden mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC) auf Hochtemperatur-Phasengleichgewichte und (Mn,Fe)S-Ausscheidungen beim Abkühlen untersucht. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse und experimenteller Daten aus der Literatur wurde eine thermodynamische Modellierung nach der CALPHAD-Methodik (CALculation of PHase Diagrams) in den Teilsystemen Fe-Mn, Fe-Mn-C und Fe-Mn-S durchgeführt, um eine Datenbank für das quaternäre System Fe-Mn-S-C zu schaffen. Für die Flüssigphase wurde das Modified Quasichemical Model (MQM) in der Pair-Approximation verwendet, um die Gibbs-Energie Schmelze zu formulieren. Das MQM ermöglichte es, das für S-haltige flüssige Metallsysteme typische Short Range Ordering (SRO) zu berücksichtigen. Der Compound Energy Formalism (CEF) wurde für die Beschreibung der Festphasen, wie zum Beispiel Austenit, Ferrit und Karbide, verwendet. Einige Verbindungen wurden als stöchiometrische Verbindungen angenommen, um die Modellierung zu vereinfachen.

Details

Titel in ÜbersetzungExperimentelle Untersuchung und thermodynamische Beschreibung des ternären Systems Fe-Mn-S
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung22 März 2024
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2024