Untersuchungen zum Einfluss von Cer auf die Primärgefügeentwicklung von Stahl und die Bestimmung der Warmrissneigung mittels thermischer Analyse

Wurlitzer, Michel GND

Stahl ist der weltweit wichtigste Konstruktionswerkstoff. Nach der Erzeugung wird der flüssige Stahl im Strang-, Form-, oder Blockguss vergossen und erstarrt dabei in Abhängigkeit von den Abkühlbedingungen in der Regel kristallin. Je feiner dieses kristalline Primärgefüge ist, desto höher sind die mechanischen und auch gießtechnologischen Eigenschaften des Stahls. So werden unter anderem Porosität, Warmrisse sowie Seigerungen reduziert. Als metallurgische Lösung hat sich in diesem Zusammenhang die sogenannte Dispersoidmetallurgie entwickelt. Durch die gezielte Erzeugung oder Zugabe von nichtmetallischen Einschlüssen, den sogenannten Dispersoiden, sollen Keimstellen in der Stahlschmelze zur Verfügung gestellt und das Erstarrungsgefüge gefeint werden. Cer bzw. die Verbindungen des Cers haben sich in einigen Untersuchungen als besonders geeignet herausgestellt, da cerhaltige Dispersoide zum einen den Stahl feinen und zum anderen aufgrund ihrer geringen Härte eine geringe Kerbwirkung aufweisen. In den bisherigen Untersuchungen hat sich jedoch neben einer Kornfeinung auch eine Vergröberung des Primärgefüges nach einer Cerzugabe gezeigt. In der angefertigten Dissertation wurden die Mechanismen und Wechselwirkungen bei der Behandlung von Stahlschmelzen mit Cer mit Gießversuchen im Labor- und Industriemaßstab sowie durch thermodynamische Berechnungen und Phasenfeldsimulationen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Cerverbindungen in primär ferritisch und primär austenitisch erstarrenden Stählen kornfeinend sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Oberflächenspannung des flüssigen Stahls mit dem Anteil endogenen Gefüges korreliert. Die Oberflächenspannung wurde dafür mit einem mathematischen Modell, welches auf empirischen Daten basiert, und mit thermodynamischen Berechnungen bestimmt. Eine der wichtigsten Anforderungen an die gießtechnologischen Eigenschaften im Stahlguss ist eine geringe Warmrissneigung. Diese wird maßgeblich durch das Primärgefüge bestimmt. Jedoch hat sich im Rahmen der Untersuchungen herausgestellt, dass die bekannten Methoden zur Quantifizierung der Warmrissneigung im Stahl dieses nur unzulänglich berücksichtigen. Für Aluminiumlegierungen wird seit mehreren Jahren die thermische Erstarrungsanalyse zur Bestimmung verschiedener gießtechnologischer Eigenschaften verwendet. Unter anderem wird durch die Bestimmung des sogenannten Dendritenkohärenzpunktes eine Vorhersage der Warmrissneigung ermöglicht. Dies konnte bisher jedoch nur bedingt auf Stahl übertragen werden. Aus diesem Grund werden im zweiten Teil der Dissertation Untersuchungen vorgestellt, die auf bekannten experimentellen Versuchsaufbauten zur Bestimmung der Warmrissneigung basieren und mit Ergebnissen aus der thermischen Erstarrungsanalyse kombiniert werden. Es wurde ein Modell entwickelt, dass eine Möglichkeit zur Quantifizierung der Warmrissneigung durch die thermische Analyse in Form eines neu entwickelten CSC (Cracking susceptibility coefficient) aufzeigt.

Steel is one of the most important construction materials. After production, the liquid steel is cast continuously in copper molds or batchwise in sand molds or ingots. In general, the liquid steel solidifies crystalline depending on the cooling conditions. The finer the primary structure, the higher the mechanical and casting properties of the steel. In addition, porosity, hot cracks and segregations are reduced. The so-called dispersoid metallurgy has developed in this context as a metallurgical solution. Through the specific formation or addition of non-metallic inclusions, the dispersoids, more nucleation sites in the molten steel are made available, which results in a finer solidification structure. Some investigations have shown that cerium and its compounds are highly suitable. This is because cerium-containing dispersoids produce fine steel on the one hand and have a low notch effect due to their low hardness on the other. In the investigations that have been carried out in the past, however, not only grain refinement but also a coarsening of the primary structure after the addition of cerium has been shown. In the thesis the mechanisms and interactions in the treatment of steel melts with cerium were investigated by casting tests on a laboratory and industrial scale as well as by thermodynamic calculations and phase field simulations. It could be shown that cerium compounds are grain refining in primary ferritic and primary austenitic solidifying steels. In addition, it was shown that the surface tension of the liquid steel correlates with the amount of equiaxed microstructure. The surface tension was determined using a mathematical model based on empirical results and thermodynamic calculations. One of the most important requirements to the casting properties in steel casting is a low hot tearing tendency. This is mainly influenced by the primary structure. However, the investigations have shown that the known methods for quantifying the hot cracking tendency in steel do not adequately take this into account. For aluminium alloys, thermal solidification analysis has been successfully used for several years to determine various casting properties. For example, the determination of the so-called dendrite coherence point enables a prediction of the hot tearing tendency. Up to now, however, its application to steel has been limited. For this reason, the second part of the thesis presents investigations based on known experimental set-ups for determining the hot tearing tendency and combined with results from thermal solidification analysis. A model has been developed which shows a possibility to quantify the hot tearing tendency by thermal analysis in the form of a new developed CSC (Cracking susceptibility coefficient).

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Wurlitzer, Michel: Untersuchungen zum Einfluss von Cer auf die Primärgefügeentwicklung von Stahl und die Bestimmung der Warmrissneigung mittels thermischer Analyse. 2019.

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