Der Einsatz von Stellitelegierungen, welche auf dem kritischen Element Kobalt basieren, ist im Bereich vieler Warmverschleißanwendungen der derzeitige Stand der Technik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Legierungskonzepte zur Substitution von Stellitelegierungen untersucht.
Dabei hat sich gezeigt, dass Legierungen mit rein mischkristallverfestigter kfz-Fe Matrix, keine ausreichende Warmverschleißbeständigkeit besitzen.
Durch Ausscheidungshärtung konnten die Eigenschaften von Fe-Legierungen deutlich gesteigert werden. Dies konnte auf die, geringere plastische Deformation der ausscheidungsgehärteten kfz-Fe Matrix zurückgeführt werden. Eine auf Grundlage dieser Erkenntnisse entwickelte Legierung, zeigt, bei geringeren Rohstoffkosten, eine höhere Warmhärte als die Stellitelegierungen und eine vergleichbare Warmverschleißbeständigkeit.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass hartphasenfreie CrNi-Legierungen eine vielversprechende Alternative für den Ersatz Stellitelegierungen darstellen.
Aktualisiert: 2023-03-30
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Diese Arbeit dient der Evaluierung von Einflussfaktoren der additiven Fertigung auf das lokale Gefüge sowie die Kavitationserosionsbeständigkeit des korrosionsbeständigen austenitischen Stahls 316L. Dazu wird die Mikrostruktur-Eigenschaftskorrelation von mittels Selektivem Laserschmelzen (SLM) und Generativem Laserauftragschweißen (LMD) gefertigten Gefügen näher beleuchtet. Die Beurteilung der Kavitationserosionsbeständigkeit erfolgt basierend auf der Beobachtung des erosiven Schadensbildes, der numerisch gestützten und experimentellen Erhebung der plastischen Verformung, der Ausbildung von Eigenspannungen sowie anhand des erosiven Masseverlustes während der Ultraschallkavitationsprüfung. Ausgehend von den Ergebnissen ist ein potenzieller Einsatz mittels SLM sowie LMD hergestellter Komponenten in kavitationsbeanspruchten Umgebungen hinsichtlich der lokalen Gefügeeigenschaften ohne signifikante Leistungseinbußen möglich, sofern eine vorherige Optimierung der Oberflächenrauheit erfolgt.
Aktualisiert: 2023-02-16
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In dieser Arbeit findet erstmalig eine Heißisostatische Presse (HIP) mit Schnellabkühlung Anwendung zur integrierten Wärmebehandlung einer schmelzmetallurgisch hergestellten einkristallinen Ni-basis Superlegierung. Es ist ein wissenschaftliches Verständnis zum Einfluss elementarer HIP-Prozessparameter auf Strukturbildungsprozesse erarbeitet worden. Geeignete Parameter liefern nahezu defektfreie Mikrostrukturen die in ersten Versuchen teilweise deutlich verbesserte Kriech- und Ermüdungseigenschaften aufweisen. Weiterhin ist eine HIP-Rejuvenation vorgestellt worden. Mit dieser gelang es, eine bereits über längere Zeit durch Kriechen beanspruchte Probe inklusive der üblichen Degeneration der Mikrostruktur mit einer vollständig erneuerten Mikrostruktur unter Beibehaltung der Einkristallinität auszurüsten. Abschließend sind auch für mittels Elektronenstrahlschmelzen gefertigte Ni-basis Superlegierungen HIP-Strategien erarbeitet worden, die optimierte Mikrostrukturen einstellen.
Aktualisiert: 2023-02-16
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In dieser Arbeit wurden die Entstehung und die Eigenschaften von Mikroseigerungen, sowie die Einflüsse seigerungsbedingter Variationen der Materialeigenschaften auf das Verformungsverhalten und die wasserstoffinduzierte Schädigung austenitischer CrNi-Stähle untersucht. Es zeigte sich, dass Seigerungen einen erheblichen Einfluss auf die lokale Austenitstabilität haben und lokale Variationen der Austenitstabilität die Bildung von verformungsinduziertem α-Martensit kontrollieren. Der entstehende α-Martensit bietet günstige Bedingungen für die Bildung und das Wachstum wasserstoffinduzierter Risse und erhöht dadurch die Versprödungsanfälligkeit.
Untersuchungen zur Wasserstoffversprödung austenitischer CrMnCN-Stähle zeigten, dass diese trotz eines stabilen austenitischen Gefüges eine hohe Versprödungsanfälligkeit aufweisen. Dies konnte mit dem Verformungsverhalten dieser Stähle, welches auf planarem Versetzungsgleiten und der Bildung von Zwillingen basiert, begründet werden.
Aktualisiert: 2023-01-19
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Die vorliegende Arbeit schafft ein tieferes Verständnis für den Zusammenhang der Mikrostruktur einer härtbaren Fe-Basislegierung und ihrem Widerstand gegen Spanabtrag. Modellwerkstoffe und Modellversuche wurden ausgewählt, um die komplexe spanende Fertigung auf einfachere Systeme im Labormaßstab zu abstrahieren. Dadurch konnte das Verformungsverhalten bei Spanabtrag, sowohl einphasiger (ferritisch, martensitisch) als auch mehrphasiger (+Restaustenit, +Karbidphase) Gefüge, über mehrere Skalen von Dehnraten, Temperaturen und verformten Volumina untersucht werden. Ein energetischer Ansatz wurde genutzt, um die Verformungswiderstände verschiedener Gefüge über die Skalen hinweg zu transponieren. Mithilfe von Eigenspannungsmessungen konnte der Einfluss von konsekutiven Spanabnahmen auf oberflächennahe Eigenspannungsprofile und Prozesskräfte nachgewiesen werden.
Aktualisiert: 2023-01-19
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Im maschinellen Tunnelbau kann der Verschleiß von Abbauwerkzeugen zu hohen Mehrkosten führen. Dies begründet das wachsende Interesse an umfassenden Untersuchungen, mit denen die Verschleißvorgänge analysiert werden können. Diese Arbeit befasst sich mit der tribologischen Charakterisierung der werkstoffabhängigen Verschleißmechanismen, die an Abbauwerkzeugen für Tunnelvortriebsmaschinen im Lockergestein auftreten. Mit Hilfe von neu entwickelten experimentellen Untersuchungsmethodiken konnten die Verschleißvorgänge skalenübergreifend abgebildet werden. Es wird veranschaulicht, wie die mikrostrukturellen Schädigungsprozesse das makroskopische Verschleißverhalten der Abbauwerkzeuge beeinflusst. Die Ergebnisse verdeutlichen den Einfluss des tribologischen Systems und erläutern die Problematik bezüglich aktueller Ansätze zur Beschreibung des Verschleißes. Abschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse im Kontext möglicher Verschleißprognosen für zukünftige Tunnelvortriebe diskutiert.
Aktualisiert: 2019-08-08
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Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer abrasionsbeständiger Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMCs) mit höherer Kosten- und Materialeffizienz sowie besserer Verfügbarkeit der eingesetzten Rohstoffe. Dies wurde erreicht durch Entwicklung von MMCs bestehend aus Eisenbasismatrices und ionisch-kovalenten Hartstoffen, wobei auf den Hartstoff Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid (AlZrO) fokussiert wurde. Die Herstellung dieser Verbundwerkstoffe gelang durch Erarbeitung von zwei Lösungswegen zur Verbesserung des Benetzungsverhaltens. Zum einen kann die Metallmatrix gezielt mit Aktivelementen legiert werden und zum anderen die Hartstoffe mit einer dünnen Schicht Titannitrid mittels CVD beschichtet werden. Die neuen MMCs wurden mittels SLPS verdichtet und das Benetzungsverhalten sowie die dabei ablaufenden Grenzflächenreaktionen analysiert. Zudem wurden technologische Bauteile aus den neuen Werkstoffen hergestellt und so die Herstellbarkeit und Einsatzfähigkeit der neuentwickelten MMCs demonstriert.
Aktualisiert: 2019-08-08
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation des Härtens von Stahlbauteilen. Zunächst wurden Subroutinen programmiert, um Wärmebehandlungsvorgänge in der kommerziellen FE-Software Abaqus abbilden zu können. Die Subroutinen wurden erfolgreich validiert und zeigten ihr Potential zur Vorhersage von Bauteileigenschaften sowie zur Erweiterung mit Hinblick auf Verschleißsimulationen wärmebehandelter Bauteile. Nach der Validierung wurde das Subroutinensystem genutzt, um eine Sensitivitätsanalyse des Härtens von Navy C-Ringen durchzuführen. Der Einfluss jedes Materialparameters wurde untersucht und bewertet. Schließlich wurde die schadensfreie Herstellbarkeit von Brechhämmern in Sandwichverbundbauweise für den Einsatz in der Mineralzerkleinerung untersucht. Dabei wurden mit Abschrecksimulationen die Einflüsse von Schichtaufbau, Hammergeometrie und Abschreckbedingungen analysiert. Anschließend wurde die Möglichkeit zur Fertigung mittels Supersolidus Flüssigphasensintern betrachtet.
Aktualisiert: 2019-02-14
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Die mechanische Charakterisierung von Werkstoffen und Einzelphasen in mehrphasigen Werk-
stoffen ist ein wichtiger Bestandteil der Werkstoffwissenschaft und -technik und steht im
ersten der zwei zentralen Themenbereiche dieser Arbeit im Vordergrund. Vor dem Hinter-
grund neue, auf gegebene Beanspruchungskollektive zugeschnittene Werkstoffkonzepte zu
entwickeln, ist die genaue Kenntnis wichtiger Eigenschaften wie mechanischer, thermischer
oder korrosiver unerlässlich. Im Bereich der mechanischen Eigenschaften stoßen aufgrund
zunehmender Miniaturisierung, schwer charakterisierbarer Phasen und komplexer Verbund-
werkstoffe (z.B. Schichtsysteme) Standard-Charakterisierungsmethoden wie der Zugversuch
oftmals an ihre Grenzen. Ebenfalls können einzelne Gefügebestandteile, die bisweilen in der
Größenordnung von wenigen μm oder gar nm vorliegen, mittels herkömmlicher Prüfverfahren
schwer oder gar nicht charakterisiert werden.
Aktualisiert: 2019-02-01
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Die vorliegende Arbeit besteht aus drei Schwerpunkten: Erstens wurden stickstoffhaltige Martensite entwickelt, charakterisiert und im industriellen Maßstab umgesetzt. Der Fokus lag auf der Löslichkeit von Stickstoff in Stahlschmelzen. Auf Basis von thermodynamischen Berechnungen ergaben sich Legierungsstrategien für unterschiedliche Herstellungsrouten. Die entwickelten Stähle weisen eine hohe Härte und Korrosionsbeständigkeit auf und übertreffen die Eigenschaften von Referenzstählen z. T. deutlich. Zweitens wurde das Korrosionsverhalten nichtrostender Martensite durch Korrosions-Anlass-Diagramme charakterisiert, in denen Härte und Korrosionsbeständigkeit korreliert werden. Solche Diagramme dienen zur Ermittlung einer optimalen Wärmebehandlung, um Härte und Korrosionsbeständigkeit gleichzeitig anzupassen. Drittens wurde das Ausforming als spezielle Herstellungsroute für Stähle mit hoher Korro-sionsbeständigkeit und Härte erprobt. Hier ergab sich anwendungsbezogen weiterer Forschungsbedarf.
Aktualisiert: 2019-02-01
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Die vorliegende Arbeit ist Teil eines Forschungsprojektes, welches sich mit dem Flüssigphasensintern
vorlegierter Metallpulver auf Eisenbasis und dessen Beeinflussung
durch Gas-Festkörperinteraktion befasst. Im Fokus steht hierbei die Interaktion mit
Stickstoff. Allgemein wird Stickstoff im Stahl als schädigend angesehen, da er durch
die Bildung von Eisennitriden in niedriglegierten Stählen (Abschreckalterung) sowie
durch Blockade der Versetzungen in kaltverformten Stählen (Verformungsalterung)
versprödend wirkt [1]. Zudem kann Sticksto in der schmelzmetallurgischen Herstellung
zu prozesstechnischen Herausforderungen führen (z.B. Porenbildungen, Ausgasen).
In den im Rahmen dieser Arbeit untersuchten hochlegierten pulvermetallurgischen
Stählen aus vorlegierten Schmelzen hat Stickstoff jedoch eine positive Wirkung auf
die mechanischen oder physikalischen Eigenschaften des Stahls oder trägt zu einer
Vereinfachung des Verdichtungsprozesses bei.
Aktualisiert: 2019-02-14
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The aim of the work was to provide a basis for the development of B-alloyed tool steels. To this end, the effect of the elements B and Cr on the microstructure formation, the stability and the micromechanical properties of hard phases in hypoeutectic Fe-C-B and Fe-C-B-Cr alloys was analyzed. Additionally, interactions of the elements B and Cr with Mn, Mo, V or Nb were investigated. Laboratory alloys of the systems Fe-C-B and Fe-C-B-Cr with additions of the elements Mn, Mo, V or Nb were casted and characterized experimentally. Based on these results, two B-alloyed cold-work steels (CWS) were developed and processed by means of melt and powder metallurgical manufacturing. The novel B-alloyed CWS achieve the same or higher toughness, strength and wear resistance compared to conventional CWS of the Fe-Cr-C and Fe-Cr-V-C systems, while material cost for the B-alloyed CWS are significantly lower.
Aktualisiert: 2019-08-08
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Dank der neuartigen Methode des Schnellabschreckens in einer heißisostatischen Presse ist es möglich den Einfluss hoher isostatischer Drücke auf die Strukturbildungsprozesse während einer Wärmebehandlung zu analysieren. Der Druck, der in der HIP-Anlage vorherrscht, reicht aus, um bei isothermer Messung den Umwandlungsbeginn von Austenit zu Perlit bei X40CrMoV5-1 um circa 8 Minuten, das Umwandlungsende um fast 20 Minuten zu verschieben. Die Stähle 100V1 und CP2M zeigen in der kontinuierlichen Temperaturführung eine Verschiebung der Umwandlungen von Austenit zu Perlit, Bainit und Martensit zu niedrigeren Temperaturen. Die Analyse unter Druck neu gebildeter Niobkarbide zeigt, dass umso feinere Karbide gebildet werden, je höher der Druck bei der Karbidbildung ist. Auch wird gezeigt, dass es möglich ist eine Pulverschüttung innerhalb der HIP-Anlage aufzusticken, wenn der Pulverschüttung Si3N4-Pulver zugemischt wurde. Die Bildung von Vanadium- und Niobnitriden wurde bestätigt.
Aktualisiert: 2019-08-08
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Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die werkstofftechnische Charakterisierung des Gefüges und der damit verbundenen Eigenschaften von austenitischen und martensitischen Stählen, die mittels selektivem Laserschmelzen (SLM) verdichtet wurden. Beim selektiven Laserschmelzen handelt es sich um einen additiven Fertigungsprozess, der eine ressourceneffiziente Herstellung komplex geformter Bauteile mit hohem Individualisierungsgrad und geringer Nachbearbeitung erlaubt.
Betrachtet wurden in dieser Arbeit der austenitische Stahl X2CrNiMo17-12-2, die Warmarbeitsstähle X40CrMoV5-1 und X38CrMo7-2 sowie der Schnell-arbeitsstahl HS6-5-3. Der Fokus der Arbeit lag auf der Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses zur Bildung und Entwicklung der Mikrostruktur während des Fertigungsprozesses. Dabei wurde die gesamte Prozesskette des SLM-Verfahrens in einem ganzheitlichen Ansatz, beginnend mit dem Ausgangspulver über die SLM-Verdichtung bis hin zu einem notwendigen Post-Processing, betrachtet. Zunächst erfolgten die Charakterisierung des Pulvers in Bezug auf die Eignung für den SLM-Prozess und der Wiederverwendbarkeit sowie die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Laser und der losen Pulverschüttung. Anschließend wurden geeignete Prozessparameter zur Verdichtung ausgewählter Stahlpulver mittels SLM evaluiert. Diesen Untersuchungen schloss sich die Charakterisierung der Proben hinsichtlich der Gefüge- bzw. Defektausbildung und den damit verbundenen Werkstoffeigenschaften an. Da neben der chemischen Zusammensetzung auch das Herstellungsverfahren maßgeblich das Gefüge und die Eigenschaften von Werkstoffen beeinflusst, sind die SLM-Proben mit schmelzmetallurgisch (Gießen und Umformen) oder pulvermetallurgisch (Heiß-Isostatisches Pressen (HIP)) hergestellten Proben verglichen worden. Darüber hinaus wurde der Einfluss eines Post-Processing (HIP-Nachverdichtung oder Wärmebehandlung) auf die Gefügeausbildung und die damit verbundenen Werkstoffeigenschaften betrachtet.
Aktualisiert: 2018-08-03
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Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die werkstofftechnische Charakterisierung des Gefüges und der damit verbundenen Eigenschaften von austenitischen und martensitischen Stählen, die mittels selektivem Laserschmelzen (SLM) verdichtet wurden. Beim selektiven Laserschmelzen handelt es sich um einen additiven Fertigungsprozess, der eine ressourceneffiziente Herstellung komplex geformter Bauteile mit hohem Individualisierungsgrad und geringer Nachbearbeitung erlaubt.
Betrachtet wurden in dieser Arbeit der austenitische Stahl X2CrNiMo17-12-2, die Warmarbeitsstähle X40CrMoV5-1 und X38CrMo7-2 sowie der Schnell-arbeitsstahl HS6-5-3. Der Fokus der Arbeit lag auf der Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses zur Bildung und Entwicklung der Mikrostruktur während des Fertigungsprozesses. Dabei wurde die gesamte Prozesskette des SLM-Verfahrens in einem ganzheitlichen Ansatz, beginnend mit dem Ausgangspulver über die SLM-Verdichtung bis hin zu einem notwendigen Post-Processing, betrachtet. Zunächst erfolgten die Charakterisierung des Pulvers in Bezug auf die Eignung für den SLM-Prozess und der Wiederverwendbarkeit sowie die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen dem Laser und der losen Pulverschüttung. Anschließend wurden geeignete Prozessparameter zur Verdichtung ausgewählter Stahlpulver mittels SLM evaluiert. Diesen Untersuchungen schloss sich die Charakterisierung der Proben hinsichtlich der Gefüge- bzw. Defektausbildung und den damit verbundenen Werkstoffeigenschaften an. Da neben der chemischen Zusammensetzung auch das Herstellungsverfahren maßgeblich das Gefüge und die Eigenschaften von Werkstoffen beeinflusst, sind die SLM-Proben mit schmelzmetallurgisch (Gießen und Umformen) oder pulvermetallurgisch (Heiß-Isostatisches Pressen (HIP)) hergestellten Proben verglichen worden. Darüber hinaus wurde der Einfluss eines Post-Processing (HIP-Nachverdichtung oder Wärmebehandlung) auf die Gefügeausbildung und die damit verbundenen Werkstoffeigenschaften betrachtet.
Aktualisiert: 2018-11-01
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Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von verschleiß- und korrosionsbeständigen Hartverbundwerkstoffen
bzw. MMCs unter Berücksichtigung ressourcenschonender Aspekte.
Um dieses Ziel umzusetzen, wurden drei unterschiedliche Ansätze verfolgt. Im ersten
Ansatz sollte untersucht werden, ob es möglich ist, TiC aus Abfallprodukten der
MMC-Herstellung, wie z.B. Spanmaterial, durch einen chemischen Recyclingprozess zurückzugewinnen
und für die Herstellung von neuen MMCs zu nutzen. Der zweite Ansatz
betrachtete die Optimierung der TiC-Eigenschaften durch ein gezieltes Auflegieren während
des Herstellungsprozesses. Ziel war es, die Eigenschaften des TiC auf ein wirkendes
tribologisches System anzupassen und damit die Verschleißeigenschaften zu optimieren.
Der letzte Ansatz basiert auf der Verwendung von TiC bzw. RecyTiC als Hartstoff
in verschleißbeständigen Auftragschweißungen. Des Weiteren sollte die Möglichkeit untersucht
werden, ob Verschleißschutzschichten mit einer doppelten Dispersion aus den
Hartstoffen TiC/RecyTiC und WSC schweißtechnisch erzeugt werden können.
Aktualisiert: 2019-02-28
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Ziel dieser Arbeit war es, technisch anwendbare, numerische Methoden zur Bestimmung der effektiven Leitfähigkeit mehrphasiger Stähle zu entwickeln und zu verifizieren. Dazu wurden Werkstoffe mit modellhaftem Charakter hinsichtlich ihrer effektiven physikalischen Eigenschaften und ihres Gefüges charakterisiert. Zusätzlich wurden die Eigenschaften einzelner Phasen an synthetisierten Proben ermittelt, sodass der direkte Vergleich zwischen den berechneten und den gemessenen makroskopischen Eigenschaften möglich war.
Am Beispiel des unlegierten Vergütungsstahls C45E wurde mit Hilfe von Gleichgewichtsberechnungen und Diffusionssimulationen der Lösungszustand nach dem isothermen Auslagern bei 700°C nach Zeiten von 2 s bis 2 Wochen berechnet. Mit der Anwendung von bekannten empirischen Einflussfaktoren wurde daraus die zeitabhängige Wärmeleitfähigkeit des Stahls berechnet und mit Messwerten verglichen. Dadurch konnten Erkenntnisse über die Kinetik der Zementitausscheidung von sehr kurzen bis zu gleichgewichtsnahen Zeiten gewonnen werden. Hier zeigte sich, dass die Wärmeleitfähigkeit stark vom Lösungszustand der Matrixphase abhängig ist und hochsensibel auf Ausscheidungsvorgänge und den damit einhergehenden Wechselwirkungen reagiert. Dennoch konnte mit der Kombination von Simulationen und empirischen Faktoren der Verlauf der Leitfähigkeit qualitativ und quantitativ annähernd beschrieben werden.
Im zweiten Teil wurden die makroskopischen Eigenschaften eines kupferinfiltrierten Kaltarbeitsstahls betrachtet und auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der einzelnen Phasen zurückgeführt. Hier zeigte sich wieder ein starker Einfluss des Lösungszustandes der Kupferphase auf die Wärmeleitfähigkeit, wodurch diese ebenfalls durch die Ausscheidung von Eisen durch Wärmebehandlungen beeinflussbar ist. Ähnlich stark wirkt sich jedoch die Topologie der beteiligten Phasen aus. Der vorliegende Durchdringungswerkstoff wurde daher anhand einer Computertomographie seiner Mesostruktur charakterisiert. Durch FEM-Simulationen der digitalisierten Topologie und dem Abgleich mit den realen Messdaten konnten so Einflüsse der Topologie auf die effektive Wärmeleitfähigkeit identifiziert werden. Zusätzlich konnte so die Grenzflächenleitfähigkeit zwischen den beiden Hauptkomponenten eingegrenzt werden.
Im letzten Teil wurden dann FEM-Modelle auf der Basis von repräsentativen Volumenelementen (RVE) entwickelt und getestet. Diese bestanden aus sich teilweise überschneidenden Sphäroiden in den bekannten KPP-, KRZ- und KFZ-Stapelfolgen. Diese Modelle wurden umfangreich hinsichtlich ihrer Topologie und ihrer effektiven Eigenschaften charakterisiert und ihre Eignung anhand der bereits analysierten Verbundwerkstoffe verifiziert. Zusammen mit der zuvor festgestellten Grenzflächenleitfähigkeit konnten damit genaue Vorhersagen der effektiven Wärmeleitfähigkeit bei Phasenverhältnissen zwischen 12 und 30% getroffen werden.
Aktualisiert: 2018-11-01
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Die abrasive Warmverschleißbeständigkeit von metallischen Werkstoffen spielt in der Technik eine zunehmend wichtigere Rolle. Warmgehende Arbeitsmaschinen und Anlagen stellen immer höhere Anforderungen an die verwendeten Konstruktionswerkstoffe. Diese sollen, bei hoher Temperatur, steigenden mechanischen und tribologischen Belastungen standhalten oder, bei gleichbleibender Belastung, zunehmende Temperaturen ertragen. In beiden Fällen ist eine Steigerung der Leistungsfähigkeit von metallischen Werkstoffen notwendig, um geforderte Entwicklungen und Produktivitätssteigerungen zu realisieren. Unter Berücksichtigung dieses technologischen Hintergrunds wird in der vorliegenden Arbeit das abrasive Warmverschleißverhalten von metallischen Werkstoffen auf Fe-, Ni- und Co-Basis betrachtet.
Das Ziel der Arbeit war es, die Erkenntnisse von tribologischen Betrachtungen dazu zu nutzen um ein, an die Anforderungen des abrasiven Warmverschleißes optimal angepasstes, werkstofftechnisches Konzept zu entwickeln. Die Umsetzung dieses Vorhabens erfolgte durch eine Korrelation des Verschleißverhaltens mit den Verformungs- und Verfestigungsmechanismen sowie den zugrundeliegenden metallphysikalischen Hintergründen metallischer Legierungen. Als Ergebnis dieses Ansatzes konnten optimierte Werkstoffkonzepte auf Grundlage einer austenitischen Eisenbasis entwickelt werden, welche das Potential aufweisen im Bereich erhöhter Temperaturen mit Nickel- bzw. Kobaltbasiswerkstoffen zu konkurrieren und gleichzeitig, durch die Verwendung von kostengünstigen Eisenbasiswerkstoffen, einen ökonomischen Vorteil bieten.
Im Detail lassen sich die gewonnenen Erkenntnisse in drei Schwerpunkte unterteilen:
Der erste Schwerpunkt befasst sich mit den mikrostrukturellen und mechanischen Mechanismen der Abrasion von Fe-, Ni- und Co-Basiswerkstoffen. Diese Betrachtungen stellen das tribologische Verhalten von metallischen Werkstoffen als Funktion der Temperatur dar und heben die relevanten Werkstoffeigenschaften (z.B. die Stapelfehlerenergie) für einen hohen Verschleißwiderstand hervor. Auf Basis dieser Ergebnisse sind Rückschlüsse über den Einfluss der Konstitution eines Werkstoffs auf dessen Widerstand gegen eine abrasive Verschleißbeanspruchung bei erhöhter Temperatur möglich.
Im zweiten Schwerpunkt werden die temperaturabhängigen, metallphysikalischen Hintergründe des abrasiven Verschleißverhaltens der betrachteten Werkstoffe analysiert und mit den Werkstoffeigenschaften verknüpft. Durch diese Verknüpfung ist es möglich die Leistungsfähigkeit verschiedener Werkstoffe auf einzelne bzw. das Zusammenwirken von Werkstoffkennwerten zu beziehen.
Die Korrelation von metallphysikalischen Kennwerten, mechanischen Eigenschaften und dem tribologischen Verhalten werden im dritten Schwerpunkt dazu genutzt, ein Werkstoffkonzept mit einem hohen abrasiven Warmverschleißwiderstand abzuleiten. Diese Verknüpfung von mechanischen Kennwerten und analysierten Werkstoffcharakteristika macht es möglich, einzelne Eigenschaften eines Werkstoffs gezielt zu optimieren.
Aktualisiert: 2018-11-01
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Aufgrund der zunehmenden Klimaerwärmung kommt der Entwicklung ressourcenschonender Fertigungsverfahren eine immer größere Bedeutung zu. In der vorliegenden Arbeit wurden auf der Basis von Phasen- und Grenzflächenanalysen Möglichkeiten zur Ressourcenschonung in drei unterschiedlichen Fertigungs-, bzw. Fügeprozessen identifiziert.
Im ersten Schwerpunkt der Arbeit wird aufgezeigt, wie der Werkzeugverschleiß beim Warmumformen höchstfester, Al-Basis beschichteter Stahlbleche durch eine Optimierung des Schichtkonzeptes verringert werden kann. Dazu wurden die an den Stahl/Schicht-Grenzflächen bei der Warmumformung ablaufenden Phasenumwandlungen analysiert und die in den Schichten in Abhängigkeit der Prozessparameter ausgebildeten intermetallischen AlXFeY-Phasen identifiziert und charakterisiert. Auf dieser Grundlage erfolgte eine Anpassung des Temperaturprofiles im Warmumformprozess. Dies ermöglichte eine gezielte Umwandlung der Schicht in die Phase AlFe, die aufgrund ihrer niedrigeren Härte und höheren Zähigkeit im Vergleich zu anderen intermetallischen AlXFeY-Phasen einen geringeren Werkzeugverschleiß bewirkt.
Im zweiten Schwerpunkt wurde ein neues Schweißverfahren eingesetzt, um die beschichteten, höchstfesten Stahlbleche mit Aluminium- und Magnesium-Leichtmetalllegierungen stoffschlüssig zu fügen. Dies soll ein direktes Verbinden dieser Werkstoffe in Automobilkarosserien ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen der Arbeit ein Laserschweißlötprozess eingesetzt und die Notwendigkeit einer Oberflächenkonditionierung der beschichteten Stahlbleche untersucht. Es erfolgte eine Analyse der beim Schweißlöten ablaufenden Grenzflächenreaktionen und der in den gefügten Werkstoffen ausgebildeten Wärmeeinflusszonen. Auf dieser Grundlage konnten Prozessparameter identifiziert werden, die das Fügen von Stahl/Aluminium- und Stahl/Magnesium-Fügeverbindungen mit hohen Verbundfestigkeiten ermöglichen.
Im dritten Schwerpunkt der Arbeit wurde ein Kondensatorentladungsschweißverfahren eingesetzt, um hochverschleißbeständige, hartstoffhaltige Werkstoffe in sehr kurzer Prozesszeit und ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen mit Stahlsubstraten zu fügen. Dies ermöglicht ein ressourcenschonendes Fügen dieser Werkstoffe für Werkzeuge zur Bearbeitung mineralischer und metallischer Güter. Auch bei den mit diesem Verfahren hergestellten Fügeverbindungen erfolgte eine Analyse der Grenzflächenreaktionen und Untersuchung der in den gefügten Werkstoffen ausgebildeten Wärmeeinflusszonen. Die darauf abbauend identifizierten Prozessparameter ermöglichten die Herstellung von Fügeverbindungen mit Verbundfestigkeiten vergleichbar zu Lötverbindungen, welche aufgrund des Einsatzes von Zusatzwerkstoffen einen höheren Ressourceneinsatz erfordern.
Aktualisiert: 2019-01-22
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Aktualisiert: 2018-08-03
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