Stickstoffkontrolle bei der Laborprobenherstellung und der thermischen Analyse

Stickstoffkontrolle bei der Laborprobenherstellung und der thermischen Analyse

Kurzbeschreibung und Motivation:

Chromlegierte Stähle zeigen eine hohe Stickstofflöslichkeit in der Schmelze und im Feststoff und sind je nach Legierungskonzept auch oft auch gezielt stickstofflegiert. Stickstoff als Legierungselement stabilisiert den Austeniten und bildet mit Mikrolegierungselemente wie Al, Ti, Nb Ausscheidungen in der Form von Nitriden und/oder Carbonitriden. Die genaue Kontrolle des Legierungselement Stickstoff ist dabei essentiell um die gewünschten Werkstoffeigenschaften einzustellen.

Das Fe-10Cr-Stickstoff Phasendiagramm zeigt deutlich die unterschiedlichen Löslichkeiten im Festkörper und in der Schmelze, sowie den starken Einfluss von Stickstoff aus die Liquidus- u. Soliduslinie, dessen Steigungen wiederum relevant sind für die Erstarrung des Stahles. In der Forschung ist das gezielte Aufsticken von Laborkleinschmelzen und das konstant Halten des Stickstoffgehaltes während der thermischen Analyse bis 1.550°C eine besondere Herausforderung.

Derzeit gibt es am Lehrstuhl für Eisen- u. Stahlmetallurgie noch keine systematische Vorgehensweise um gezielt und reproduzierbar Proben mit z.B. Fe-10%Cr-200ppm Stickstoff herzustellen und bei über 1.500°C  im Labor zu untersuchen, ohne dass es zu einem Stickstoffverlust (z.B. unter reiner Argon-Atmosphäre) oder zu einer Aufstickung (unter reiner N2-Athmospähre) kommt.

Dies gilt es im Rahmen dieser Bachelorarbeit zu ändern!

Die Inhalte und die Vorgehensweise der Arbeit ist wie folgt:

Vorgehensweise und Inhalte:

  • Literaturrecherche über Stickstoff in Stählen (Fokus Cr-legierte Güten)
  • Thermodynamische Berechnungen der Stickstofflöslichkeit und der Phasenumwandlungen mittels FactSage und ThermoCalc
  • Laborprobenherstellung mittels Hochfrequenz-Umschmelzanlage (HFU) von Fe-Cr-N Legierungen mit unterschiedlichen Stickstoff-Trägern (Cr-N) und Atmosphären (Ar, N2).
  • Durchführung von Simultanen-Thermischen-Analysen (DTA-TG) von den Fe-Cr-N Laborlegierungen mit unterschiedlichen Zeit-Temperatur-Gasprogrammen und unterschiedlichen Gasmischungen (100%Ar, 100%N, pAr/pN2-Gasmischungen) und Untersuchung der Phasenumwandlungstemperaturen.
  • Kontrolle der Oxidation und der Entkohlung der Proben während der STA-Messungen, wenn bei N2 haltigen Atmosphären keine Zirkon Getter zur Abbindung des Reststauerstoffgehalts im Ofenraumgas verwendet werden können.
  • Stickstoff Analyse der HFU-Laborproben und der DTA-Proben mittels LECO-Elementanalyse
  • Auswertung und Zusammenstellung der Ergebnisse und Erstellen einer „best practice“

Advisors

Peter Presoly

Dipl.-Ing. Dr.mont.
Post Doc - Thermal Analysis and Thermodynamics

Christian Bernhard

Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.mont.
Vice-Head of Institute - Secondary Metallurgy and Casting
2020-06-18T11:35:24+02:00