Metallurgische Behandlung von Stahlschmelzen und deren Erstarrung im System Fe-Mn-C

Die technischen Anforderungen an Eisenbasislegierungen wachsen ständig. Diesen Anforderungen müssen die Hersteller und Wissenschaftler durch neue Werkstoff - entwicklungsmethoden und Werkstoffsysteme gerecht werden. Der SFB 761 „Stahl ab initio“ geht mit dem Werkstoffsystem Fe - Mn - C einen neuen Weg der methodischen Werkstoffentwicklung. Jedoch ist über dieses hochmanganhaltige Legierungssystem im Bereich der Schmelz - und Erstarrungsmetallurgie bislang wenig publiziert. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit Laborexperimente am Institut für Eisenhüttenkunde im System Fe - Mn - C durchgeführt. Im Fokus stehen Mangan - Verluste infolge des hohen Dampfdrucks, das Verhalten der Gase Wasserstoff und Stickstoff, die Volumendefizite, die während der Erstarrung beim Blockguss auftreten, sowie die Gefügeentwicklung, Seigerungen und Einschlussbildung für unterschiedliche Abkühlbedingungen und Element - konzentrationen.

Die Manganverluste, die sich durch eine Formel berechnen lassen, können mit niedrigen Schmelzentemperaturen und geringen Konvektionen verringert werden. Geringe Konvektionen stehen aber im Widerspruch zu einer technischen Entgasung der Elemente Wasserstoff und Stickstoff. Eine Entgasung ist jedoch bei den hohen [Mn] - Konzentrationen notwendig, da [H] und [N] eine erhöhte Löslichkeit im System Fe - Mn - C zeigen. Dies kann durch die neuen Wechselwirkungsparameter des Wasserstoffs eH Mn und Stickstoffs eN Mn mit Mangan sowie durch die neuen Temperaturkonstanten AT und BT des Wasserstoffs erklärt werden. Mittels gießtechnischer Maßnahmen wie den Einsatz von Lunkerpulver, Hot Top - Platten und eines 12 % - igen negativen Konus kann das Volumendefizit, welches beim Blockgießen im System Fe - Mn - C verstärkt auftritt, minimiert werden. Durch unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten und Variation der Legierungselemente, Mangan und Kohlenstoff, verändern sich das Mikro - und Makrogefüge, die Seigerungskoeffizienten sowie die Dichte und mittleren Durchmesser der tertiären Einschlüsse. In den Experimenten zeigt sich der sekundäre Dendritenarmabstand als eine entscheidende Steuergröße zur Lenkung des Gefüges sowie zur Verringerung von Seigerungen.

Die vorliegende Arbeit zeigt einen Weg das hochmanganhaltige Legierungssystem im Labormaßstab zu schmelzen, zu vergießen und zu erstarren, um diesen, auch mit Hilfe der Erstarrungssimulation, auf industriellen Maßstab zu übertragen.