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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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 3
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 4
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 5
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
1995 / Gefügehärtung
1995 / Gefügehärtung
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 6
MetallurgieMotivation
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 7
MetallurgieMotivation
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 8
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 9
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 10
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
Versuchsdurchführung
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 11
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 12
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
Versuchsdurchführung
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 13
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 14
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 15
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 16
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 17
MetallurgieKlassifizierung
X 5 MnAlSi 25-3-3;
0,4 mm beschichtet
Al2O3 . MnO
Al2O3 . MnO mit AlN
Gefundene Einschlusstypen
AlN und MnS
AlN
MnS
Al2O3 . MnO
Al2O3 . MnO mit MnS - Saum
Al2O3 . MnO mit AlN und
MnS
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 18
MetallurgieKlassifizierung
X 5 MnAlSi 25-3-3;
0,4 mm beschichtet
Al2O3 . MnO mit MnS - Saum
Al2O3 . MnO mit AlN
Gefundene Einschlusstypen
AlN und MnS
AlN
MnS
Al2O3 . MnO
Al2O3 . MnO mit MnS - Saum
Al2O3 . MnO mit AlN und
MnS
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 19
MetallurgieKlassifizierung
X 5 MnAlSi 25-3-3;
0,4 mm beschichtet
MnS AlN
Al2O3 . MnO mit AlN
Gefundene Einschlusstypen
AlN und MnS
AlN
MnS
Al2O3 . MnO
Al2O3 . MnO mit MnS - Saum
Al2O3 . MnO mit AlN und
MnS
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 20
MetallurgieKlassifizierung
X 5 MnAlSi 25-3-3;
0,4 mm beschichtetFeMnNAl
1,120,3447,9250,62
[Atom-%][Atom-%][Atom-%][Atom-%]
Al2O3 . MnO mit AlN
Gefundene Einschlusstypen
AlN und MnS
AlN
MnS
Al2O3 . MnO
Al2O3 . MnO mit MnS - Saum
Al2O3 . MnO mit AlN und
MnS
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 21
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 22
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
Einfluss der Behandlungsdauer
X5 MnAlSi 15-3-30,4 mm beschichtet
Kurze Behandlungszeit45 Minuten
X5 MnAlSi 15-3-30,2 mm beschichtet
Lange Behandlungszeit127 Minuten
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 23
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
Einfluss der Behandlungsdauer
X5 MnAlSi 15-3-30,4 mm beschichtet
Kurze Behandlungszeit45 Minuten
15% Spinell + Nitride
X5 MnAlSi 15-3-30,4 mm beschichtet
Lange Behandlungszeit127 Minuten
40% Spinell + Nitride
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 24
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 25
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
X5 MnAlSi 25-3-30,4 mm beschichtet
Breitere MnS-Säume
X5 MnAlSi 25-3-30,2 mm beschichtet
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 26
Metallurgie
• Erwartete NME nachgewiesen (Spinell, MnS, AlN)
• Klassifizierung (Vergesellschaftung der drei Typen)
• Behandlungsdauer
• Erstarrungsbedingungen
Zusammenfassung
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 27
MetallurgieBeispiel II - Erstarrungssimulation
• Erstarrungsintervall
• Festkörperanteil vs. Temperatur
• Mikroseigerung
• Strukturparameter
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 28
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 29
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
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 30
MetallurgieZusammenfassung
• Erstarrungsintervall – gute Übereinstimmung
• Festkörperanteil vs. Temperatur – gute Übereinstimmung
• Mikroseigerung – qualitativ gute Übereinstimmung (Mn, C, Al, Si)
• Strukturparameter – wichtige Eingangsgröße für die Simulation
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 31
MetallurgieAusblick
• Verzunderung von LIP-Stählen– Oxide– Stabilitätsbereiche– Wirken unterschiedlicher Atmosphären
Gießen
Walzen
Beschichten
Erstarrungsverhalten hochmanganhaltiger Stähle G. Gigacher Seite 32
Metallurgie
Danke für Aufmerksamkeit!
Glück Auf!