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T1 - Sekundärmetallurgische Aspekte der Herstellung hoch manganhaltiger Stähle

AU - Wiener, Jakob

N1 - nicht gesperrt

PY - 2010

Y1 - 2010

N2 - Hoch manganhaltige Stähle stellen aufgrund ausgezeichneter mechanischer Eigenschaftskombinationen einen der größten Trends in der Werkstoffentwicklung von Eisenlegierungen dar. Diese voll- oder teilaustenitischen Stähle beinhalten bis zu 30wt% Mangan und in vielen Legierungsvarianten erhöhte Aluminiumgehalte bis 12%. Parallel zur werkstoffseitigen Entwicklung ist es notwendig, die metallurgischen Grundlagen der Herstellung, die aufgrund der außergewöhnlichen Legierungslage wenig bis gar nicht untersucht sind, zu erforschen. Die vorliegende Arbeit zielt auf wesentliche Aspekte der Sekundärmetallurgie in Bezug auf hoch manganhaltige Stähle ab. Einer der Schwerpunkte der experimentellen Tätigkeit beinhaltet Löslichkeitsuntersuchungen von Sauerstoff. Dabei sind das Gleichgewicht Fe-Mn-O bis 20% Mn neu untersucht und der Wechselwirkungsparameter erster Ordnung nach dem Wagner Formalismus sowie die Gleichgewichtskonstante KMn-O und , begleitet von metallografischen Untersuchungen, bestimmt worden. Die Untersuchungen der Sauerstofflöslichkeit im System Fe-Al-O und Fe-Mn-Al-O erfolgten in einem im Zuge dieser Arbeit neu entwickelten Versuchslayout zur Bestimmung von Gleichgewichten im Hochtemperaturbereich. Ein wesentliches Ergebnis ist, dass im Bereich hoher Aluminiumgehalte kein Anstieg der Sauerstofflöslichkeit festgestellt werden kann. Diese Erkenntnis steht im Widerspruch zum bisherigen Stand des Wissens und stellt eine wesentliche Neuerung in Bezug auf Desoxidationsgleichgewichte hochlegierter Schmelzen dar. Da mit steigendem Mangangehalt die Stickstofflöslichkeit in flüssigen Eisenschmelzen steigt, ist auch diesem Element eine entscheidende Bedeutung beizumessen. Neben der bekannten Methode, durch eine Vakuumbehandlung Stickstoff abzubauen, wird in dieser Arbeit die Möglichkeit des Abbaus von Stickstoff über die Schlackenreaktionen untersucht. Bei ausreichend niedrigen Sauerstoffaktivitäten in der Metallschmelze, die durch hohe Aluminiumgehalte erreicht werden, ist es möglich, Stickstoff über die Schlackenphase abzusenken. Dies geschieht noch bevor der Stickstoffgehalt in der Schmelze über die Nitridbildung gesteuert wird. Neben den metallografischen Untersuchungen der Oxide aus den Gleichgewichtsversuchen werden nitridische nichtmetallische Einschlüsse behandelt. Die Nitride AlN, TiN und ZrN werden in dieser Arbeit morphologisch charakterisiert. Dabei zeigt sich, dass für die Ausbildung der unterschiedlichen Formen der Bildungszeitpunkt und die Übersättigungsverhältnisse maßgeblich sind.

AB - Hoch manganhaltige Stähle stellen aufgrund ausgezeichneter mechanischer Eigenschaftskombinationen einen der größten Trends in der Werkstoffentwicklung von Eisenlegierungen dar. Diese voll- oder teilaustenitischen Stähle beinhalten bis zu 30wt% Mangan und in vielen Legierungsvarianten erhöhte Aluminiumgehalte bis 12%. Parallel zur werkstoffseitigen Entwicklung ist es notwendig, die metallurgischen Grundlagen der Herstellung, die aufgrund der außergewöhnlichen Legierungslage wenig bis gar nicht untersucht sind, zu erforschen. Die vorliegende Arbeit zielt auf wesentliche Aspekte der Sekundärmetallurgie in Bezug auf hoch manganhaltige Stähle ab. Einer der Schwerpunkte der experimentellen Tätigkeit beinhaltet Löslichkeitsuntersuchungen von Sauerstoff. Dabei sind das Gleichgewicht Fe-Mn-O bis 20% Mn neu untersucht und der Wechselwirkungsparameter erster Ordnung nach dem Wagner Formalismus sowie die Gleichgewichtskonstante KMn-O und , begleitet von metallografischen Untersuchungen, bestimmt worden. Die Untersuchungen der Sauerstofflöslichkeit im System Fe-Al-O und Fe-Mn-Al-O erfolgten in einem im Zuge dieser Arbeit neu entwickelten Versuchslayout zur Bestimmung von Gleichgewichten im Hochtemperaturbereich. Ein wesentliches Ergebnis ist, dass im Bereich hoher Aluminiumgehalte kein Anstieg der Sauerstofflöslichkeit festgestellt werden kann. Diese Erkenntnis steht im Widerspruch zum bisherigen Stand des Wissens und stellt eine wesentliche Neuerung in Bezug auf Desoxidationsgleichgewichte hochlegierter Schmelzen dar. Da mit steigendem Mangangehalt die Stickstofflöslichkeit in flüssigen Eisenschmelzen steigt, ist auch diesem Element eine entscheidende Bedeutung beizumessen. Neben der bekannten Methode, durch eine Vakuumbehandlung Stickstoff abzubauen, wird in dieser Arbeit die Möglichkeit des Abbaus von Stickstoff über die Schlackenreaktionen untersucht. Bei ausreichend niedrigen Sauerstoffaktivitäten in der Metallschmelze, die durch hohe Aluminiumgehalte erreicht werden, ist es möglich, Stickstoff über die Schlackenphase abzusenken. Dies geschieht noch bevor der Stickstoffgehalt in der Schmelze über die Nitridbildung gesteuert wird. Neben den metallografischen Untersuchungen der Oxide aus den Gleichgewichtsversuchen werden nitridische nichtmetallische Einschlüsse behandelt. Die Nitride AlN, TiN und ZrN werden in dieser Arbeit morphologisch charakterisiert. Dabei zeigt sich, dass für die Ausbildung der unterschiedlichen Formen der Bildungszeitpunkt und die Übersättigungsverhältnisse maßgeblich sind.

KW - hoch manganhaltige Stähle

KW - Desoxidation

KW - Nitride

KW - AlN

KW - TiN

KW - ZrN

KW - Stickstoff in Schlacken

KW - high manganese steels

KW - deoxidation

KW - nitrogen in slags

KW - nitrides

KW - AlN

KW - TiN

KW - ZrN

M3 - Dissertation

ER -