Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger...

3. Thermo-Calc Anwendertreffen am 16.-17. Juni 2005 in Aachen

Metallurgie

Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle

Günter [email protected]

Lehrstuhl für Metallurgie, Montanuniversität LeobenFranz-Josef-Strasse 18, Telefon: +43 (3842) 402-2207, http://www.metallurgy.ac.at

Christian-Doppler Labor für Metallurgische Grundlagen von StranggießprozessenFranz-Josef-Strasse 15, Telefon: +43 (3842) 42189-21, http://www.stranggiessen.at

Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 2

MetallurgiePräsentationsübersicht

• Motivation

• Beispiel I – Nichtmetallische Einschlüsse

– Versuchsdurchführung

– Thermodynamische Betrachtungen• Klassifizierung• Einfluss der Behandlungsdauer• Einfluss der Erstarrungsgeschwindigkeit

• Beispiel II – Erstarrungssimulation mit Thermo-Calc und DICTRA

– Validierung der Ergebnisse • DTA-Untersuchungen

• Ausblick


Metallurgie

Masseentwicklung in der "Kompakt-Klasse"

650

750

850

950

1050

1150

1250

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

Zeit

Mas

se, [

kg]

80

95

110

125

140

155

170

CO

2-Em

issi

on, [

g/km

]

Citroen

Opel

Golf

Ford

Fiat

Renault

Peugeot

Toyota

Seat

Honda

Daten: Europ. Aluminium

Vereinigung, 2003

Ziel 2008

Ziel 2012

Ziel:Angestrebte Reduktion

der Emissionen

Günter Gigacher, D:\Dissertat ion\Werkstoffe im Automobil\Werkstoffe.xls

Motivation


MetallurgieMotivation

Werkstoffverteilung in deutschen PKW

7468

6355

1923

27 29

7 9 1016

45

30

102000

20

40

60

80

1975 1985 1995 2005

Zeit

Mas

se-%

0

20

40

60

80

Höh

erfe

ster

Sta

hl, [

%]

StahlKunststoffeNE-MetalleHöherfeste Stähle

Daten: VDI, 2004

- 26%

+ 53%

+ 129%

Günter Gigacher, D:\Dissertat ion\Werkstoffe im Automobil\Werkstoffe.xls


Metallurgie

Entwicklungtrends - Karosseriestähle

0 7500 15000 22500 30000 37500 45000

TWIP

TRIP

Dual Phasen

Höherfeste IF

Komplex Phasen

Partial Martensitisch

Bake Hardening

Mikrolegierte

Stäh

le

Zugfestigkeit x Bruchdehnung [MPa x %]Günter Gigacher, D:\Dissertat ion\Werkstof fe im Automobil\Werkstof fe.xls

1992 / verformungsinduzierte Zwillingsbildung

1990 / verformungsind. Martensitbildung

1981 / Gefügehärtung

1986 / Mischkristall



1984 / C,N-Diffusion

1976 / Ausscheidung

Entwicklungsbeginn / wichtigster Verfestigungsmechanismus

Grobdispers FeindispersGrobdispersGrobdispers FeindispersFeindispers

Austenit

Martensit

Austenit mit Zwillingen

Austenit

Martensit

Austenit mit Zwillingen

MartensitFerrit

MartensitFerrit

Ferrit

Martensit

Ferrit

Martensit

Interstitielles Atom

Matrix Atom

Substitutions Atom

Interstitielles Atom

Matrix Atom

Substitutions Atom

Motivation



Bru

chde

hnun

g A

80[%

]

0

10

20

30

40

50

60

0 400 600 1000200 800 1200

Zugfestigkeit [MPa]

Isotrope StähleHöherfeste IF-StähleBake-hardening StähleKohle-Mangan StähleMikrolegierte Stähle

TRIP StähleDualphasen StählePartiell martensitische

Stähle TRIP

DP

PM

ULC-StähleLC-Stähle

HSLA

BH

HSIFIsotrop

ULC(IF)

LC

CMn

70

TWIP

HochmanganhaltigeStähle

TRIP

LIPTWIP

TRIP

LIP



TRansformation Induced Plasticity (RestAustenit Stähle)

Verformung

Ferrit

Bainit Austenit

Ferrit

Bainit Austenit

MartensitMartensit

γ α-Martensit

Austenit

Verformung

Martensit

TRansformation Induced Plasticity (Austenitische Stähle)

γ ε-Martensit α-Martensit

TWinning Induced Plasticity

Verformung

Austenit mit ZwillingenAustenit

umwandlungsfrei


MetallurgieBeispiel I - NME

jaDimension, Morphologie, chemische

Analyse, Lage

Automatisierte REM/EDX Einschlussanalyse

neinDimension, Morphologie, chemische

Analyse

Elektronenmikroskopie

neinPhasen, Phasenagglomeration

Ramanspektroskopie

jaDimension, Morphologie, Verteilung

Lichtmikroskopiemit Bildanalytik

neinEinschlusstyp, Stabilitätsbereiche

Thermodynamik(Thermo-Calc)

quantitative Aussage

ErkenntnisMethode


Metallurgie

0,05

[Masse-%]

C BeschichtungSiAlMn

0,0-0,2-0,43315-20-25

ZrO2 in [mm][Masse-%][Masse-%][Masse-%]

Versuchsbasis

Einschlussklassifizierung

Charakterisierung (Morphologie, Zusammensetzung, Phasen)

Einfluss der Abkühlbedingungen

und der Behandlungszeit

Laborschmelzen im25kg Induktionsofen

Tauchversuche: SSCT-Test(submerged split chill tensile test)

Gießen von Blöcken

Versuchswalzwerk

Versuchsdurchführung


Metallurgie

T1, T2

Wärmeübergang ←

T3

Überhitzung ←

Induktionsofen

Flammgespritztes ZrO20.1 - 0.5 mm

Schmelze

Schema SSCT-Versuch

0 10 20 30 40

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Test

Bod

y S

ubm

erge

s in

to th

e Li

quid

Ste

el

T1

T2

T3

TEM

PER

ATUR

E, °C

TIME, s

auf NME untersuchter Bereich



MetallurgieVersuchsdurchführung

0 5 10 15 20 25 30900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

Obe

rflä

chen

tem

pera

tur,

°CZeit, s

Beschichtungsdicke00.2 mm0.4 mm

Prüfkörper

Beschichtung

Erstarrte StahlschaleGemessene

Schalendicke

Schalenstärke für X5 MnAlSi 15-3-3

Berechnete Temperaturen zwischen Schale und

Beschichtung


Metallurgie

Wärmestromdichten für verschiedene Beschichtungsstärken(SSCT-Versuch)

0

1

2

3

4

5

6

-5 0 5 10 15 20 25 30

Zeit, s

Wär

mes

trom

dich

te, M

W/m

²

unbeschichtet0,2 mm ZrO20,4 mm ZrO2

Tendenz, gemäßLiteraturangaben

Tendenz, gemäßLiteraturangaben

dünnbandähnlich

brammenähnlich



MetallurgieThermodynamische Betrachtungen

Einflüsse von O, N und S

Schmelze (MnO).(Al2O3) wird stabil

2(SiO2).3(Al2O3) wird stabil

ALN wird stabil

150 ppm

100 ppm50 ppm

Liquidus (FCC wird Stabil)

Liquidus (BCC wird stabil)

Solidus

FCCBCC BCC

+FCC

MnS wird stabil

100 ppm50 ppm10 ppm

[N]

[S]

200 ppm

100 ppm

10 ppm

[O]

C: 0,05%

Si: 3%

Al: 3%Berechnet mit ThermoCalc TCW3

Datenbank: TCFE3 / SSOL4


Metallurgie

Thesen aufgrund der Berechnungen

Spinell - und Nitridbildung ist im flüssigen Zustand derSchmelze zu erwartenMnS wird zwischen Solidus und Liquidus stabilSpinelle und Nitride können agglomerierenNitride und Sulfide sollten sich heterogen an Spinellenabscheiden

Thermodynamische Betrachtungen


MetallurgieThermodynamische Betrachtungen

Einflüsse von O, N und S

Schmelze (MnO).(Al2O3) wird stabil

2(SiO2).3(Al2O3) wird stabil

ALN wird stabil

150 ppm

100 ppm50 ppm

Liquidus (FCC wird Stabil)

Liquidus (BCC wird stabil)

Solidus

FCCBCC BCC

+FCC

MnS wird stabil

100 ppm50 ppm10 ppm

[N]

[S]

200 ppm

100 ppm

10 ppm

[O]

C: 0,05%

Si: 3%

Al: 3%

Spinell - MnS - AlN

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Wellenzahl [cm-1]

Inte

nsitä

t [-]

Raman-Spektrum

Schlussfolgerungen:• MnO . Al2O3- und AlN-Bildung in der Schmelze

• MnS-Ausscheidung im 2-Phasengebiet

• Reihenfolge: Spinell AlN MnS

• Vergesellschaftung (Heterogene Ausscheidung)

Ergebnisse für TWIP-Stahl:

X 5 MnAlSi 25-3-3; 0,4 mm beschichtet

Spinell

AlN

MnS

MnS-Saum

Spinell

AlN


MetallurgieKlassifizierung

Al2O3 . MnO mit AlN

Gefundene Einschlusstypen

AlN und MnS

AlN

MnS

Al2O3 . MnO

Al2O3 . MnO mit MnS - Saum

Al2O3 . MnO mit AlN und

MnS

Erwartete Einschlusstypen

MnS

AlN

MnO . Al2O3

Untersuchter

Bereich

(ca. 100 mm²)

+

automatisierte REM/EDX Einschlussanalyse

+

Lichtmikroskopie

+

Ramanspektroskopie

SSCT-Test



X 5 MnAlSi 25-3-3;

0,4 mm beschichtet

Al2O3 . MnO

Al2O3 . MnO mit AlN


AlN und MnS

AlN

MnS

Al2O3 . MnO



MnS



X 5 MnAlSi 25-3-3;

0,4 mm beschichtet


Al2O3 . MnO mit AlN


AlN und MnS

AlN

MnS

Al2O3 . MnO



MnS



X 5 MnAlSi 25-3-3;

0,4 mm beschichtet

MnS AlN

Al2O3 . MnO mit AlN


AlN und MnS

AlN

MnS

Al2O3 . MnO



MnS



X 5 MnAlSi 25-3-3;

0,4 mm beschichtetFeMnNAl

1,120,3447,9250,62

[Atom-%][Atom-%][Atom-%][Atom-%]

Al2O3 . MnO mit AlN


AlN und MnS

AlN

MnS

Al2O3 . MnO



MnS


Metallurgie

5,1

10,4

5,7

18,6

2,63,6

2,7

4,9

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

mittlereEinschlussflächemittlererEinschlussradius

Einfluss der Behandlungsdauer

X5 MnAlSi 2

0-3-3

0,4 m

m besch

ichtet

Kurze B

ehan

dlungszeit

49 M

inutenX5 M

nAlSi 20-3

-3

0,4 m

m besch

ichtet

Lange B

ehan

dlungszeit

90 M

inutenX5 M

nAlSi 15-3

-3

0,4 m

m besch

ichtet

Kurze B

ehan

dlungszeit

45 M

inutenX5 M

nAlSi 15-3

-3

0,2 m

m besch

ichtet

Lange B

ehan

dlungszeit

127 M

inuten

Eins

chlu

ssflä

che

in [µ

m²]

Eins

chlu

ssra

dius

in [µ

m]

7840

3609

5188

2626

Einschlussanzahl


Metallurgie

All Types

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dcircle [µm]

Freq

uenc

y

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

All Types

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dcircle [µm]

Freq

uenc

y

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


X5 MnAlSi 15-3-30,4 mm beschichtet

Kurze Behandlungszeit45 Minuten


Lange Behandlungszeit127 Minuten


Metallurgie

Type: Spinell+Nitride

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dcircle [µm]

Freq

uenc

y

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Type: Spinell+Nitride

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dcircle [µm]

Freq

uenc

y

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0



Kurze Behandlungszeit45 Minuten

15% Spinell + Nitride


Lange Behandlungszeit127 Minuten

40% Spinell + Nitride


Metallurgie

8,2

4,8

3,22,5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

mittlereEinschlussflächemittlererEinschlussradius

Einfluss der Erstarrungsgeschwindigkeit

Eins

chlu

ssflä

che

in [µ

m²]

Eins

chlu

ssra

dius

in [µ

m]

X5 MnAlSi 2

5-3-3

0,4 m

m besch

ichtet

Brammen

X5 MnAlSi 2

5-3-3

0,2 m

m besch

ichtet

Dünnbramme


Metallurgie

Type: Spninell+Sulfid

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dcircle [µm]

Freq

uenc

y

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Einfluss der Erstarrungsgeschwindigkeit


Breitere MnS-Säume


Schmälere MnS-Säume

Type: Spinell+Sulfid

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Dcircle [µm]

Freq

uenc

y

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


Metallurgie

• Erwartete NME nachgewiesen (Spinell, MnS, AlN)

• Klassifizierung (Vergesellschaftung der drei Typen)

• Behandlungsdauer

• Erstarrungsbedingungen

Zusammenfassung


MetallurgieBeispiel II - Erstarrungssimulation

• Erstarrungsintervall

• Festkörperanteil vs. Temperatur

• Mikroseigerung

• Strukturparameter


Metallurgie

Erstarrungsintervallbestimmung(Differential-Thermoanalyse vs. Berechnung)

1260

1280

1300

1320

1340

1360

0,8 0,85 0,9 0,95 1

Festkörperanteil, fs

Tem

pera

tur,

°C

Gleichgewicht30 K/min2 K/minScheilMesspunkte

Legierung:Fe-39%Mn

DTA-Analyse:STA 409-PG - NetzschSchutzgas - Ar 5.0 (50ml/min)Einwaage: ca 350 mgKühlrate: 2 bzw. 30 K/min

Berechnung:ThermoCalc- TCW3Datenbank: TCFE3DICTRA23Datenbanken: MOB2, TCFE3Kühlrate: 2K/minSDA: 200µmKühlrate: 30K/minSDA: 100µm

Günter Gigacher, F:\Bakk\fe_40.xls

ThermoCalc - Gleichgewicht

ThermoCalc - Scheil-Modul

DICTRA - Berechnungen

Beispiel II - Erstarrungssimulation


Metallurgie

Erstarrungsintervallbestimmung(Differential-Thermoanalyse vs. Berechnung)

y = 0,9909x + 11,892R2 = 0,985

1280

1300

1320

1340

1360

1380

1280 1300 1320 1340 1360 1380

Temperaturen berechnet, °C

Tem

pera

ture

n ge

mes

sen,

°C

2 K/min10 K/min30 K/min

Legierung:Fe-39%MnDTA-Analyse:STA 409-PG - NetzschSchutzgas - Ar 5.0 (50ml/min)Einwaage: ca 350 mgKühlrate: 2, 10 bzw. 30 K/minBerechnung:ThermoCalc- TCW3Datenbank: TCFE3DICTRA23Datenbanken: MOB2, TCFE3Kühlrate: 2K/minSDA: 200µmKühlrate: 5K/minSDA: 180µmKühlrate: 30K/minSDA: 100µm

Günter Gigacher, F:\Bakk\fe_40.xls

Beispiel II - Erstarrungssimulation


MetallurgieZusammenfassung

• Erstarrungsintervall – gute Übereinstimmung

• Festkörperanteil vs. Temperatur – gute Übereinstimmung

• Mikroseigerung – qualitativ gute Übereinstimmung (Mn, C, Al, Si)

• Strukturparameter – wichtige Eingangsgröße für die Simulation


MetallurgieAusblick

• Verzunderung von LIP-Stählen– Oxide– Stabilitätsbereiche– Wirken unterschiedlicher Atmosphären

Gießen

Walzen

Beschichten


Metallurgie

Danke für Aufmerksamkeit!

Glück Auf!

Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger...

Documents

Transcript of Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger...