Kombinatorische Verfahren zur Stahlentwicklung

Um die effiziente Weiterentwicklung von komplexen Stahlwerkstoffen zu ermöglichen, werden am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in der Gruppe „Kombinatorische Metallurgie und Prozesstechnik" metallurgische Hochdurchsatzmethoden entwickelt und eingesetzt, beispielsweise für hochmoderne Leichtbaustähle.

Hauke Springer *, Dierk Raabe

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, 40237 Düsseldorf, Germany - *Kontaktdaten: h.springer@mpie.de, +49-211-6792-796

Stahl ist der wichtigste Konstruktionswerkstoff aufgrund seines beispiellosen Spektrums von erzielbaren Eigenschaften, ermöglicht durch unterschiedlichste Mikro- und Nanostrukturen als Ergebnis von Legierungszusammensetzung und Prozessierung. Neueste Entwicklungen zielen auf das Erschließen neuartiger Eigenschaftskombinationen wie beispielsweise Dichte und Steifigkeit [1]. Die Weiterentwicklung eines so komplexen Werkstoffs wie Stahl ist jedoch zeitaufwendig, denn trotz der rasanten Fortschritte in der Werkstoffsimulation ist die Vorhersage von gleichgewichtsfernen Gefügen (z.B. Martensit) und insbesondere von resultierenden mechanischen Eigenschaften (z.B. Duktilität) noch immer nicht sicher möglich. Um dennoch eine effiziente Entwicklung zu ermöglichen, sind daher experimentelle, eigenschaftsgetriebene Hochdurchsatzmethoden unverzichtbar. Solche kombinatorischen Methoden müssen große Variationen von Zusammensetzung und Prozessierung (i.e. Umformung und Wärmebehandlung) abdecken können, aber dennoch – im Rahmen von üblichen Grenzen von Laboruntersuchungen – eine Übertragbarkeit auf industrielle Stahlproduktion sicherstellen. Ziel ist also ein hocheffizientes miniaturisiertes Laborstahlwerk.

Die am Max-Planck-Institut für Eisenforschung entwickelte Methode – Rapid Alloy Prototyping (RAP) getauft – basiert daher auf konventioneller Technik, die jedoch hocheffizient standardisiert und parallelisiert einen hohen Durchsatz ermöglicht [2]. Basierend auf thermodynamischen Berechnungen, werden aus einer Basisschmelze durch Zulegieren und sequenziellem Abguss fünf unterschiedliche Stahlsorten erzeugt. Diese Blöcke – durch spezielle Erstarrungslenkung weitestgehend frei von Seigerungen und Defekten – werden nun parallel warmgewalzt und homogenisiert. Nach Trennen der erhaltenen Blechabschnitte (jeweils 10 pro Legierung) können diese nun unterschiedlichen (Wärme)behandlungen unterworfen werden. Abschließend werden parallel und automatisiert Proben für Zug- und Härteprüfung sowie Konstitutionsanalyse entnommen. So können die Eigenschaften und Gefüge von 50 unterschiedlichen Zuständen inklusive thermomechanischer Behandlung typischerweise in nur fünf Tagen untersucht werden. Der Aufbau und Ablauf ist dabei modular und es können ebenso abweichende Geometrien (z.B. Rundstäbe) oder Untersuchungen (z.B. Kerbschlagbiegung) eingesetzt werden.

Das Bild  stellt einen beispielhaften Ausschnitt eines solchen RAP-Screenings dar, hier aus der Entwicklung von sogenannten Triplex Fe-Mn-Al-C Leichtbaustählen [3]. Klar ersichtlich ist die drastische Variation von Streckgrenze und Gesamtdehnung, hier abhängig von Al-Gehalt und jeweiliger Auslagerungstemperatur. So können beispielsweise schnell und effektiv relevante Zustände für höchstauflösende Charakterisierungen ausgewählt, die Parameter in der nächsten iterativen Schleife verfeinert oder auch eine größere Menge für umfangreichere Untersuchungen (z.B. Tiefziehverhalten) hergestellt werden („upscaling“). Weitere erfolgreiche Anwendungsbeispiele reichen von höchstfesten Stählen mit inhärenter Schweißeignung [4], umformbaren Magnesiumlegierungen bis hin zu Hoch-Entropie-Legierungen [5]. Die aktuelle Weiterentwicklung der RAP-Methode konzentriert sich auf weitere Beschleunigung durch Eliminierung der zeitaufwendigsten Schritte Umformung und Probenerzeugung. So werden derzeit die direkte Synthese prüffähiger Proben aus der Schmelze sowie die vollständige Automatisierung der Charakterisierung und Prüfung entwickelt.

Ergebnis eines RAP-Screenings von Fe-Mn-Al-C Leichtbaustählen. Die beschleunigte Ermittlung von Eigenschaften ermöglicht besipielweise den hocheffizienten Einsatz von höchstauflösenden Charakterisierungsmethoden. (Daten aus den [2; 3]).

Literatur:

[1]       Springer, H.; Aparicio-Fernandez, R.; Duarte, M.J.; Kostka, A.;  Raabe, D.: Acta Mater. 96 (2015), S.47/56.

[2]       Springer, H.; Raabe, D.: Acta Mater. 60 (2012), S4950/59.

[3]       Raabe, D.; Springer, H.; Gutiérrez-Urrutia, I.; Roters, F.; Bausch, M.;  Seol, J.B.; Koyama, M.; Choi, P.P.;  Tsuzaki, K.: J. Min. Met. Mater. Soc. 66 (2014), S.1845/56.

[4]       Springer, H.; Belde, M.M.; Raabe. D.: Mat. Design 90 (2016) 1100/09.

[5]       Pradeep, K.G.; Tasan, C.C.; Yao, M.J.; Deng, Y.; Springer, H.; Raabe, D.: Mat. Sc. Eng. A 648 (2015) 183/92.

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