Wie Einschlüsse die Stahlleistung und -festigkeit beeinflussen

Einfluss von Einschlüssen auf die Eigenschaften von Stahl

Stahl ist ein vielseitiges Material mit sehr breiten Anwendungen. Er ist für viele Anwendungen wegen seiner zahlreichen Vorteile interessant: hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Langlebigkeit, Vielseitigkeit, Recyclingfähigkeit und vor allem seine wirtschaftliche Tragfähigkeit im Vergleich zu anderen Konstruktionswerkstoffen. Neben seinen gängigen Verwendungen ist er auch der Werkstoff der Wahl für viele Industriekomponenten in kritischen Anwendungen. Diese kritischen Anwendungen stellen sehr strenge Anforderungen an die Stahleigenschaften. Solche Anforderungen variieren in ihren spezifischen Bedürfnissen von Leichtbau, hoher Festigkeit, hoher Zähigkeit, Fähigkeit hohen Drücken standzuhalten, Fähigkeit unter Null Temperaturen standzuhalten, hervorragende Schweißbarkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, und häufiger als nicht wird eine Kombination solcher Eigenschaften benötigt.

Die Vielseitigkeit von Stahl erlaubt es dem Ingenieur, die Eigenschaften durch Modifizierung der Chemie und/oder der Mikrostruktur anzupassen. Trotz der Tatsache, dass sich mehrere Entwicklungen in Bezug auf diese beiden Variablen vollzogen haben, bestimmt ein weiterer entscheidender Aspekt, der die Leistung im Einsatz von Stahl bestimmt, wie frei von Verunreinigungen er ist (manchmal als Reinheit bezeichnet). Die Stahlreinheit wird durch die nichtmetallischen Einschlüsse (oder einfach Einschlüsse) bestimmt, die in ihm eingebettet sind. Um die Leistung von Stählen zu verbessern, müssen Einschlüsse kontrolliert werden, da Einschlüsse ein kritisches Problem von Stählen für strukturelle Anwendungen sind und je nach ihrer Größe, Form und Verteilung den mechanischen Eigenschaften sehr schädlich sein können.

Grundlagen zu Einschlüssen

Einschlüsse sind chemische Verbindungen, die aus einer Kombination eines metallischen Elements (Eisen, Mangan, Silicium, Aluminium, Calcium etc.) und eines nichtmetallischen Elements (Sauerstoff, Schwefel, Stickstoff, Kohlenstoff etc.) bestehen. Die häufigsten Einschlüsse umfassen Oxide, Sulfide, Oxy-Sulfide, Phosphate, Nitride, Carbide und Karbonitride. Je nach ihrer Natur und den Abkühlbedingungen während der Erstarrungsphase können sie einen kristallinen oder glasartigen Zustand aufweisen. Einschlüsse bilden Phasen, die sich vom Stahl unterscheiden, obwohl einige eine höhere Fehlanpassung als andere aufweisen, abhängig von ihrer Kristallstruktur und Atomgrößen. Einschlüsse, die mehr als eine Verbindung enthalten, werden als komplexe Einschlüsse bezeichnet (Spinelle, Oxy-Sulfide, Karbonitride etc.).

In Bezug auf die Größe können Einschlüsse entweder Mikroeinschlüsse oder Makroeinschlüsse sein. Der Schwellenwert, der zur Unterscheidung zwischen Mikro- und Makroeinschlüssen verwendet wird, wird normalerweise mit 100 Mikrometern angenommen. In jüngerer Zeit jedoch, mit dem Fortschritt der Stahlerzeugungspraktiken zur Kontrolle der Einschlussgrößen, wurde eine andere Art vorgeschlagen, sich auf Mikroeinschlüsse zu beziehen, nämlich der Durchmesser unterhalb ihrer Schwebegrenze, der einen Wert im Dutzend-Mikrometer-Bereich für moderne Stahlprozesse hat. Mikroeinschlüsse sind aufgrund ihrer geringen Größe am häufigsten und neigen dazu, gleichmäßiger im flüssigen Stahl verteilt zu sein, und werden daher als weniger schädlich angesehen. Makroeinschlüsse sind aufgrund ihrer größeren Größe für die Versagensinitiierung in Endprodukten oder Fehler an Halbzeugen verantwortlich.

Einschlüsse beeinflussen mehrere Eigenschaften von Stählen, die für ihre Leistung in mechanischen und strukturellen Anwendungen relevant sind. Einige der schädlichen Effekte, die durch Einschlüsse im Gussstahl auftreten, können durch Warmumformung reduziert werden, da dieser Prozess Orientierungsänderungen und einen Aufbruch der Einschlüsse bewirken kann. Daher hilft die Untersuchung der verschiedenen Faktoren, die die Stahlqualität in Bezug auf seine Herstellung und Weiterverarbeitung beeinflussen, ihr Verhältnis besser zu verstehen, um eine konsistente Qualität zu gewährleisten, die den immer strengeren mechanischen Eigenschaftsanforderungen von Stahlkomponenten für anspruchsvolle Anwendungen entspricht. Das Verständnis, wie dies geschieht, hat sich in der jüngeren Vergangenheit weiterentwickelt. Erhebliche Fortschritte in der Quantifizierung dieses Verständnisses wurden erzielt.

Während großer Wert auf die Bedeutung der Stahlmikrostruktur gelegt wird, wird der Einfluss von Einschlüssen auf die Stahleigenschaften vergleichsweise vernachlässigt. In der Industrie besteht jedoch Aufmerksamkeit für die Bedeutung von Einschlüssen auf die Stahlleistung, und der Fokus liegt auf ständigen Studien und Verbesserungen. Dies ist besonders wichtig geworden, da Stahl durch verschiedene alternative Materialien und anspruchsvollere Anwendungen herausgefordert wird. Die Verbesserung mehrerer Eigenschaften wurde nur durch das Verständnis ihrer Beziehung zu Art, Größe und Verteilung der im Gefüge vorhandenen Einschlüsse möglich. In jüngster Zeit hat die Stahlindustrie erhebliche Prozessverbesserungen entwickelt, die zu einer viel besseren Kontrolle des Einschlussvolumenanteils, der Größe und Zusammensetzung geführt haben.

Die Anpassung von Einschlüssen zur Verbesserung von Eigenschaften und Leistung ist ein wichtiges Merkmal der Stahlerzeugung, und der Begriff „Einschluss-Engineering“, der in den 1980er Jahren geprägt wurde, wird weit verbreitet verwendet. Einschluss-Engineering beginnt mit der Definition der wünschenswerten Eigenschaften, die die Einschlüsse haben sollen. Dann werden durch die Definition angemessener Prozessbedingungen Produkte hergestellt, in denen diese wünschenswerten Einschlüsse vorwiegend gebildet werden. Die Kontrolle der Einschlussverteilung im Endprodukt, insbesondere derjenigen Einschlüsse, die nach Beginn der Erstarrung entstehen (sekundäre Einschlüsse), bleibt eine erhebliche Herausforderung.

Einschlüsse sind unvermeidliche chemische Verbindungen, die in der Stahlmatrix eingebettet sind und aus mindestens einer nichtmetallischen Komponente wie Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel bestehen. Diese Verbindungen können an verschiedenen Stufen des Stahlerzeugungsprozesses entstehen. Die Rolle des Stahlerzeugungsprozesses in Bezug auf die Einschlusskontrolle ist sehr wichtig, da die Einschlüsse an verschiedenen Stufen entlang des Prozessweges entstehen und modifiziert werden können. Weiterhin sind Einschlüsse schädlich, da sie die Homogenität der Struktur brechen, wenn sie erstarrt ist. Die Stufen der Sekundärmetallurgie, die eine wichtige Rolle für die Einschlusskontrolle spielen, umfassen Entoxidation, Entschwefelung, Vakuum-Entgasung und Argonrühren. Während dieser Operationen werden Legierungsmittel zugesetzt, gelöste Gase im Stahl reduziert und Einschlüsse entfernt und/oder chemisch verändert, um hochwertigen Stahl zu gewährleisten. Abb. 1 zeigt kritische metallurgische Reaktoren (Pfanne, Verteilerpfanne und Kokille) für die Einschlusskontrolle im Stranggießen von Stahl.

Nach Durchführung der Sekundärmetallurgie-Operationen wird der veredelte Stahl in die Stranggießmaschine überführt, um den flüssigen Stahl in Gussprodukte (Brammen, Blöcke, Knüppel etc.) zu gießen. Während des Gießens können verschiedene Wechselwirkungen zwischen Stahl und Einschlüssen auftreten. Reaktionen zwischen dem Gießpulver und dem flüssigen Stahl können stattfinden, und Einschluss von Gießpulver kann erfolgen. Das Design der Tauchgussröhre (SEN), der Flüssigstrom, elektromagnetisches Rühren und die Verwendung einer vertikalen oder gekrümmten Kokille sind einige der Hauptphänomene, die einen Einfluss auf den endgültigen Einschlussgehalt des Stahls haben. Abb. 2 zeigt Einschlussphänomene, die im Stranggießprozess aufgrund verschiedener Wechselwirkungen zwischen Stahl und Einschlüssen auftreten.

Der gesamte Prozess der Einschlussentfernung im flüssigen Zustand besteht aus einem „Keimbildung-Wachstum-Entfernung“-Zyklus. Die Bildung von Einschlüssen kann in verschiedene Stadien unterteilt werden, abhängig von den Phänomenen, die in jedem von ihnen auftreten. Keimbildung tritt als Ergebnis der Übersättigung des flüssigen Stahls mit den Lösungsmitteln aufgrund einer Änderung der Temperatur oder der chemischen Zusammensetzung des Systems auf. Das Wachstum der Einschlüsse setzt sich fort, bis keine Übersättigung mehr besteht oder chemisches Gleichgewicht erreicht ist. Die Bewegung des flüssigen Stahls durch thermische Konvektion oder magnetisches Rühren bewirkt die Koaleszenz oder Agglomeration (flüssiger bzw. fester Einschlüsse). Einschlüsse mit höherer Oberflächenenergie neigen dazu, leichter zu verschmelzen als Einschlüsse mit niedrigerer Oberflächenenergie. Es ist einfacher, die größeren Einschlüsse zur Schlacke aufzusteigen, wo sie absorbiert werden, aber dieser Entfernungsprozess hängt vom Partikelradius ab. In Abb. 3 werden die Prozesse, Phänomene und Entwicklungsmechanismen von Einschlüssen in verschiedenen Phasen der Stahlerzeugung beschrieben.

Einschlüsse können kugelförmig, plättchenförmig, dendritisch oder polyedrisch sein. In Bezug auf ihre Form ist die kugelförmige am wünschenswertesten wegen ihrer isotropen Natur bezüglich ihrer Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften. Plättchenförmige oder dünne Filme liegen an Korngrenzen aufgrund der eutektischen Umwandlung während der Erstarrung. Diese sind am schädlichsten für die mechanischen Eigenschaften, da sie die Bindungen an den Korngrenzen schwächen. Dendritisch geformte Einschlüsse werden durch einen Überschuss an Aluminium verursacht. Diese Einschlüsse haben einen hohen Schmelzpunkt und können im flüssigen Stadium Verstopfungen verursachen. Im erstarrten Stahl können die scharfen Kanten und Ecken der Dendrite Konzentrationen innerer Spannungen verursachen und die mechanischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Die polyedrischen Einschlüsse haben eine geringere Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften als dendritische oder plättchenförmige Einschlüsse wegen ihrer eher kugelförmigen Form. Die Morphologie dendritischer Einschlüsse kann durch kleine Zugaben von Seltenen Erden (Cer, Lanthan) oder Erdalkalien (Calcium, Magnesium) in polyedrische Form modifiziert werden.

Für ein besseres Verständnis des Verhaltens von Einschlüssen ist es notwendig, den Übergang vom flüssigen in den festen Zustand sowohl für die Stahlmatrix als auch für die Einschlüsse zu verstehen. Die physikalischen Eigenschaften der umgebenden Matrix und des Einschlusses bei der Erstarrungstemperatur sind von Bedeutung, da sie verschiedene Szenarien darstellen können. Wenn der Einschluss flüssig ist (d. h. mit einem niedrigeren Schmelzpunkt) bei Stahlerstarrungstemperaturen, entwickelt sich ein kompressives Restspannungssystem, das Kohärenz zwischen Einschluss und Matrix sicherstellt. Andererseits, wenn der Einschluss fest ist, wenn der Stahl erstarrt, hängt die Spannungsentwicklung von den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beider Spezies ab. Wenn sich ein Einschluss weniger zusammenzieht als die Matrix, entwickelt sich eine kompressive Restspannung innerhalb des Einschlusses und eine resultierende Zugspannung in der Matrix um den Einschluss. Andererseits, wenn sich der Einschluss schneller zusammenzieht als die Matrix, werden Zugspannungen im Einschluss erzeugt und Entkohäsion von Einschluss und Matrix tritt in Form einer Pore auf.

Einschlüsse machen einen sehr kleinen Teil des erstarrten Stahls aus und sind normalerweise fein dispergiert. Sie sind schädlich, da sie die Homogenität der Struktur brechen. Das Verformungsverhalten von Einschlüssen während der Warmumformung von Stahl ist von großer Bedeutung für die Eigenschaften des Endprodukts. Sowohl die Stahlmatrix als auch die Einschlüsse sind normalerweise Mehrphasenstrukturen, aber zum Vergleich kann Stahl als homogene Phase betrachtet werden, da die Strukturen der Einschlüsse gröber sind im Vergleich zu Stahlmikrostrukturen.

Interne Spannungen können durch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung von Einschluss und Matrix entstehen. Der Effekt der Stahlmatrix, die über und um die Einschlüsse fließt, erzeugt die Verformung der Einschlüsse, und der Verformungsgrad nimmt mit der Streckung der Einschlüsse ab als Ergebnis der Reibung an der Grenzfläche in Walzrichtung. Wenn ein Einschluss eine starke Grenzflächenbindung hat, wird der Einschluss gestreckt und bleibt während der Warmumformung ungebrochen. Andererseits, wenn ein Einschluss eine schwache Grenzflächenbindung hat, interagiert er nicht mit dem Stahlfluss und Diskontinuitäten können entstehen. Aus dieser Sicht können Einschlüsse kategorisiert werden als: (i) inhärent plastische Einschlüsse (wie Mangansulfid), (ii) nicht-kristalline glasartige Einschlüsse, die sich starr verhalten, aber bei einer charakteristischen Temperatur plastisch werden (wie einige glasartige Silicate), und (iii) kristalline ionische Feststoffe (wie Calciumaluminate, Aluminatoxide und einige kristalline Silicate), die keine Plastizität zeigen und sich spröde verhalten.

Mehrere Elemente, die in der Stahlzusammensetzung akzeptabel sind, haben eine hohe Affinität für Sauerstoff und können daher als Entoxidationsmittel verwendet werden, wodurch nichtmetallische Entoxidationsprodukte gebildet werden, wenn sie dem flüssigen Stahl zugesetzt werden. Beispiele sind Silicium, Mangan und Aluminium. Entoxidationsprodukte können zu wichtigen Oxid-Einschlüssen werden. Im Fall von Schwefel hingegen haben nur Elemente mit geringer Löslichkeit in Eisen (wie Calcium und Mangan) oder Seltene Erden eine ausreichend hohe Affinität für Schwefel, um nichtmetallische Sulfide bei Flüssigstahltemperaturen zu bilden. Daher muss der größte Teil des Schwefels im Stahl durch Schlackenveredelung aus der Lösung entfernt werden, und der Rest durch Fällungsreaktionen, die hauptsächlich während der Erstarrung auftreten. Das häufigste während der Erstarrung ausfallende Sulfid ist Mangansulfid.

Basierend auf diesen Beobachtungen ergeben sich zwei mögliche Klassifikationen für Einschlüsse: (i) Verwendung ihrer chemischen Zusammensetzung (Oxide, Sulfide etc.), oder (ii) Betrachtung des Zeitpunkts ihrer Bildung im Bezug zum Beginn der Erstarrung, wie primär (vor Beginn der Erstarrung) und sekundär (nachdem fester Stahl in der Kokille zu bilden beginnt). Auch Einschlüsse, die aus dem Stahlerzeugungsprozess stammen, werden als „endogen“ klassifiziert, und solche, die aus „externen“ Quellen stammen (Fragmente von Feuerfeststoffen, eingeschlossene Schlacke etc.), werden als „exogen“ klassifiziert. Selten jedoch überlebt ein „exogenes“ Volumen an Material lange genug im Stahl, ohne umfangreiche Reaktionen mit dem flüssigen Stahl zu erleiden. Diese Reaktionen erzeugen Änderungen in den Einschlüssen. Daher kann diese Klassifikation manchmal verwirrend sein.

Schließlich ist eine gängige Klassifikationsmethode für Einschlüsse mit der Einschlussgröße verbunden, wodurch Einschlüsse als Makro- und Mikroeinschlüsse klassifiziert werden können. Eine sinnvolle Grenzgröße ist, dass ein Einschluss ein Makroeinschluss ist, wenn er groß genug ist, um sofortiges Versagen des Produkts entweder während der Verarbeitung oder des Gebrauchs zu verursachen. Alle anderen Einschlüsse werden als Mikroeinschlüsse klassifiziert. Daher ist dies, obwohl wichtig, eine schwierige Klassifikation zur Anwendung.

Einige Eigenschaften von Einschlüssen haben eine Schlüsselbedeutung dafür, wie sie das Verhalten von Stählen beeinflussen. Dazu gehören Plastizität oder Härte als Funktion der Temperatur, thermischer Ausdehnungskoeffizient (CTE), Kristallisationsverhalten (im Fall glasartiger Einschlüsse) und in geringerem Maße die Löslichkeit metallischer Lösungsmittel. Einschlüsse haben ionische, kovalente oder gemischte Bindungscharakter. Als solche sind sie im Allgemeinen bei Raumtemperatur spröde und haben keine starke Bindung zur metallischen Matrix. Mit steigender Temperatur werden einige Einschlüsse plastischer.

Mehrere Messungen von Härte und Plastizität von Einschlüssen zeigen, dass die beobachteten Änderungen zu komplex sind, um sie auf einfache Weise zu beschreiben. Eines der am weitesten verbreiteten Konzepte zur Beschreibung des Verformungsverhaltens bleibt die „relative Plastizität“ von Einschlüssen. Dieses Konzept ist besonders nützlich, wenn es an genauer Kenntnis der Eigenschaften der Einschlüsse mangelt. Das Konzept der relativen Plastizität, das in den 1960er Jahren eingeführt wurde, gibt das Verhältnis der wahren Verformung der Einschlüsse zur wahren Verformung des Stahls an. Abhängig von Temperatur und Einschlusszusammensetzung variieren die relativen Plastizitäten der Einschlüsse, und die Einschlüsse können sich verformen, brechen oder gemischtes Verhalten zeigen. Dies ist in Abb. 4 dargestellt.

Wie in Abb. 4 gezeigt, führt die Kombination aus geringer Bindungsfestigkeit zur Matrix und Matrixverformung zur Porenbildung und Trennung (oder Entkohäsion). Auch harte Einschlüsse brechen typischerweise und verteilen sich im Stahl unter diesen Bedingungen neu. Dies wurde am Beispiel von Aluminiumoxid diskutiert. Das Verständnis des Bruchs und der Neuverteilung von Aluminiumoxid wird durch die Tatsache weiter verkompliziert, dass Aluminiumoxid-Einschlüsse während der Verarbeitung im flüssigen Zustand häufig clusterbilden. Die Vorhersage des Verhaltens harter Einschlüsse oder Einschlüsse, die bei niedrigeren Temperaturen weniger plastisch werden, war eine Herausforderung.

Es gibt jedoch grundlegende Parameter, die benötigt werden, um das mechanische Verhalten von Einschlüssen quantitativ zu beschreiben und damit ihre Auswirkungen auf die Stahleigenschaften. Einschlüsse, die bei der Umformungstemperatur plastisch sind, verformen sich, wenn Stahl umgeformt wird. Dies führt zur Streckung der Einschlüsse entlang der Hauptumformrichtungen. Dies führt in mehreren Fällen zu Formanisotropie in den Einschlüssen. Dies resultiert in Anisotropie der von den Einschlüssen beeinflussten Eigenschaften. Kürzlich wurde die Beziehung zwischen Hochtemperaturplastizität und Schmelzpunkt von Oxid-Einschlüssen bestätigt, indem der berechnete Flüssigustemperatur der Einschlüsse mit ihrem gemessenen Aspektverhältnis korreliert wurde.

In einigen Modellierungsarbeiten zur Einschlussverformung während der Warmumformung wird die plastische Verformung der Einschlüsse mit ihrem viskosen Fluss assoziiert und eine vernünftige Vorhersage der Anisotropie erreicht. In einer quantitativen Studie wurde gezeigt, dass das Verhältnis der Fließspannung des Einschlusses zu der der Matrix die Streckung der Einschlüsse definiert. Das Verhalten von Kompositeinschlüssen, die Aluminiumoxid von Mangansulfid umgeben haben, ist in Abb. 4(d) dargestellt. Die Ergebnisse bestätigten die experimentellen Beobachtungen, die zeigen, dass der Aspektverhältnis der Aluminiumoxid/Mangansulfid-Einschlüsse substantially abnimmt, wenn der Schwefelgehalt unter 60 ppm (Teile pro Million) fällt. Diese Ergebnisse sind von besonderer Bedeutung für moderne hochreine, reine Stähle.

Die durch die Einschlussformänderung eingeführte Anisotropie kann durch weitere Wärmebehandlung nicht eliminiert werden. Die Verformung von Einschlüssen und Segregationen ist normalerweise für das „faserige“ Erscheinungsbild verantwortlich, das bei der makrografischen Untersuchung von Stählen beobachtet wird. Eine eventuelle Kristallisation der Einschlüsse während der Stahlverarbeitung kann die Vorhersage des Ausmaßes ihrer Verformung und der Variation der Plastizität mit der Temperatur verkomplizieren. Einschlüsse, die ursprünglich „glasartig“ oder amorph sind, haben sich gezeigt, dass sie kristallisieren, wenn sie Behandlungen bei Temperaturen im Bereich der Warmumformungstemperaturen von Stählen unterzogen werden. Die kristallisierten Einschlüsse haben ein anderes rheologisches Verhalten (oder relative Plastizität) im Vergleich zu den „glasartigen“ Einschlüssen. Dies kann besonders wichtig sein, wenn die Plastizität der Einschlüsse kritisch ist.

Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von Einschlüssen unterscheiden sich von denen des Stahls. Die Unterschiede im CTE können Restspannungen um Einschlüsse beeinflussen. Einschlüsse, die von einem Zugspannungsfeld umgeben sind, das mit den tessellierten (ein Muster sich wiederholender Formen, insbesondere Polygone, die eng ohne Lücken oder Überlappungen zusammenpassen, bezeichnend oder gekennzeichnet) Spannungen assoziiert ist, können schädlicher sein. Dies kann besonders unter Ermüdungsbedingungen relevant sein. Diese Spannungen gelten auch als relevant für die Zerspanbarkeit. Man glaubt, dass die Bildung von Spannungsfeldern, Hohlräumen und Poren in der Stahlmatrix um die Einschlüsse einen günstigen Effekt auf die Zerspanbarkeit hat. Einschlüsse mit höherem CTE als der Stahl trennen sich von der Matrix beim Abkühlen von Stahlverarbeitungstemperaturen. Dies kann auch Probleme bei der metallografischen Probenvorbereitung und Schwierigkeiten bei der Größenbestimmung verursachen.

Wenn automatische Methoden verwendet wird, wird ein Grauwert-Schwellenwert festgelegt, um zwischen Oxiden und Sulfiden zu unterscheiden. Abhängig vom gewählten Schwellenwert kann der dunkle Bereich zwischen Matrix und Einschluss unterschiedlich zum gemessenen Einschlussgröße beitragen. Erhebliche Unterschiede bestehen in der Verwendung des Ausdrucks „Einschlüsse“ in der Diskussion der Bruchmodellierung. Einige beinhalten Carbide, Karbonitride und andere Zweiphasenteilchen in der Definition von „Einschlüssen“. Wenn man den duktilen Bruchprozess betrachtet, scheint es wichtig, beide Teilchentypen zu berücksichtigen. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Unterschied der Festigkeit der Matrix-Einschluss-Grenzfläche, der Größe und Verteilung der verschiedenen Teilchentypen geschenkt werden.

Die Grenzfläche zwischen den Einschlüssen und Stahl hat im Allgemeinen sehr geringe oder keine Festigkeit. Andererseits wurde die Festigkeit der Grenzfläche zwischen Carbiden und Stahl beispielsweise auf 1.200 bis 2.000 MPa geschätzt. Dieser Unterschied hat große Bedeutung für die Auswirkung von Einschlüssen auf die Stahleigenschaften, insbesondere den Bruch. Die Unterscheidung zwischen Einschlüssen und Zweiphasenteilchen kann verschwimmen. In einigen Stählen wird Titan zur Bindung von Stickstoff verwendet, und Titannitrid-Einschlüsse können im flüssigen Zustand gebildet werden. Andererseits wird in Elektrostählen Mangansulfid als feiner Ausfall gebildet, um die Korngrenzbewegung zu kontrollieren. In einer Studie, bei der Aluminiumoxid-Teilchen in Stahl verwendet wurden, wurde die kontrollierende Rolle der Teilchengröße und des Volumenanteils bei der Beeinflussung der Korngrenzbewegung demonstriert.

Einfluss von Einschlüssen auf die Eigenschaften von Stahl

Der Einfluss von Einschlüssen auf die Eigenschaften von Stahl wird seit langem untersucht. Einschlüsse können aus dem Stahlerzeugungsprozess für Gussprodukte angepasst werden, um die Stahleigenschaften zu verbessern. Auch durch Kenntnis der erforderlichen Leistung von Umformprodukten können die Einschlüsse eines bestimmten Stahlgrades „engineered“ werden. Um die Verbesserung der Stahleigenschaften mittels Einschluss-Engineering ordnungsgemäß anzugehen, ist es wichtig, Kenntnisse über Phänomene und Verhalten von Einschlüssen entlang der gesamten Prozessroute zu haben, vom flüssigen Stadium bis zu den nachgelagerten Operationen nach dem Gießen und ihren Auswirkungen in Umformprodukten.

Im Jahr 2009 veröffentlichte die Europäische Kommission eine Forschungsübersicht, die Studien umfasste, die an 4 großen Stahlproduzenten durchgeführt wurden, mit dem Ziel der Optimierung und Bewertung verschiedener Sekundärmetallurgie-Wege, um hochwertigen Bandstahl durch Kontrolle der Einschlüsse zu erreichen, wobei für die Herstellung von Massenmaterialien es eine Frage der Reproduzierbarkeit ist, während für Spezialstähle individuell angepasst wird. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen des Weges auf die Einschlusspopulationen und die Auswirkungen zu verstehen, die Einschlüsse auf die Stahleigenschaften haben.

Eine kürzlich durchgeführte Studie zum Einfluss von Einschlüssen auf die Stahleigenschaften wurde an kritischen Messungen in der modernen Stahlerzeugung durchgeführt, um den Einfluss der Prozessbedingungen auf die Produkteigenschaften von kohlenstoffarmen aluminiumgetöteten Stählen, mittelkohlenstoffhaltigen aluminiumgetöteten Stählen, fortgeschrittenen hochfesten Stählen und freischneidenden Stählen zu bewerten, alle unter Berücksichtigung der strengen Anforderungen an Stahleigenschaften für Automobilanwendungen, die niedrigen Einschlussgehalt und Calciummodifikation zur Sicherstellung höherer Umformbarkeit und verbesserter mechanischer Leistung von Automobilteilen umfassen.

Die Anforderungen an Reinheit in Bezug auf die Einschlüsse variieren von Produkt zu Produkt. Es kann keine universelle Definition von Reinheit in Bezug auf Einschlüsse geben. Die Anforderungen sind im Hinblick auf die Anforderungen der spezifischen Anwendung zu betrachten, für die der Stahl verwendet werden soll, und auch für viele andere Aspekte wie ihre Lage, Form und Verteilung in der Stahlkomponente.

Auswirkungen auf die Verarbeitung (Warm- und Kaltumformung und Formen)

Es ist manchmal zweckmäßig, den Einfluss von Einschlüssen während der Verarbeitung von dem während der Anwendung zu trennen, da die Bedingungen in der Verarbeitung normalerweise nicht diejenigen sind, die für die Stahlanwendung vorgesehen sind. Dies gilt auch, wenn man berücksichtigt, dass die meisten mit Einschlüssen verbundenen Probleme mit ihrer relativen Plastizität und ihrem Einfluss auf den duktilen Bruch des Stahls zusammenhängen. Einschlüsse, die einen beträchtlichen Teil des Materialquerschnitts während der Warm- oder Kaltumformung einnehmen oder in Bereichen liegen, wo die Verarbeitungsverformung hoch ist, können während der Verarbeitung zum Bruch führen. Daher ist die Kontrolle des Volumenanteils, der Größe und der Verteilung von Einschlüssen wichtig. Auch Einschluss-Engineering ist wichtig für die Ermüdungseigenschaften und dass eine vernünftige Vorhersage der Anisotropie erreicht wird.

Wichtige Bereiche, die Herausforderungen für weitere Fortschritte darstellen, sind: (i) die ordnungsgemäße Charakterisierung der Eigenschaften von Einschlüssen und ihrer Grenzflächen mit Stahl, (ii) eine angemessene Metrik zur Charakterisierung von Größe, Form und Verteilung der großen Mehrteilchenpopulation, und (iii) die Schwierigkeiten, die mit rechnerischen Methoden unter Berücksichtigung der Mehrteilchenpopulation verbunden sind.

Einfluss auf die Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit von Stahl kann durch den endgültigen Volumenanteil der Einschlüsse und auch durch die Morphologie und Orientierung der Einschlüsse beeinflusst werden. Die Orientierung der Einschlüsse bezüglich der Belastungsrichtung ist von Bedeutung, da bestimmte Einschlussniveaus die Duktilität des Materials beeinflussen. Im Fall kleinerer Querschnitte ist der Effekt von Einschlüssen höher aufgrund der Rolle der Einschlussgrößen als Keimbildungsstellen für Mikroporen entweder durch Entkohäsion mit der Matrix oder durch Bruch des Einschlusses, was die Duktilität des Stahls negativ beeinflusst. Die Einschlussvolumenanteile in den heutigen Stahlerzeugungspraktiken wurden erheblich reduziert, sodass ihr Einfluss auf die Zugfestigkeit in Standardprüfgrößen praktisch vernachlässigbar ist. In einer Studie, die Stähle mit verschiedenen Verunreinigungsniveaus untersuchte, um die Toleranzniveaus für Einschlüsse in ultrahochfesten Stählen zu bestimmen, wurde festgestellt, dass zwar elongiertes Mangansulfid die Duktilität und Biegefestigkeit reduziert, es jedoch keine nennenswerte Auswirkung auf die Festigkeit hat.

Auswirkung auf die Zähigkeit

Bruchzähigkeit ist die Eigenschaft eines Materials, der Ausbreitung eines Risses zu widerstehen, und ist eine entscheidende Eigenschaft, die im Design mehrerer Ingenieurkomponenten verwendet wird. Die meisten Einschlüsse werden als Spannungskonzentratoren in der erstarrten Struktur betrachtet und können Versagen durch Bruch verursachen. Die Verteilung der leeren Keimbildungsteilchen wird als zwei Größenskalen umfassend betrachtet: (i) größere Einschlüsse, die bei relativ geringen Dehnungen Poren keimen, und (ii) kleinere Teilchen, die bei viel größeren Dehnungen Poren keimen. Die Keimbildung eines kleinen Risses geschieht normalerweise bei größeren Einschlussgrößen, und die Ausbreitung des Risses geschieht durch Verknüpfung von Mikroporen, die an kleineren Einschlüssen entstehen. Die Größe der leeren Keimbildungsteilchen liegt typischerweise zwischen 0,1 Mikrometer und 100 Mikrometer, mit Volumenanteilen von nicht mehr als wenigen Prozent, obwohl dieser kleine Prozentsatz eine große Rolle im Risswachstumswiderstand von Strukturmaterialien spielt. Die Bruchmodi in Stählen bestehen aus drei Hauptmechanismen:

• Spaltung (Cleavage) – Es ist ein transgranularer Bruchmodus, bei dem der Bruch durch kristallographische Ebenen innerhalb der Körner fortschreitet und die Bruchoberfläche als eine Reihe flacher Ebenen erscheint. In diesem Bruchmodus ist der Hauptweg zur Verbesserung der Zähigkeit die Kontrolle der mikrostrukturellen Einheit, die die Ausbreitungsebenen erzeugt, was in ferritischen Stählen die Ferritkorn-Größe und in Perlit und Bainit die vorherige Austenitkorn-Größe ist.
• Niedertemperatur-Interkristalliner Bruch – Es ist ein Bruchmodus, der entlang der Korngrenzen aufgrund von Mikrosegregation oder Ausscheidung von Zweiphasen entlang der Korngrenzen auftritt. In niedriglegierten Stählen wird Mangansulfid-Ausscheidung häufig als Ergebnis von Hochtemperaturbehandlungen normalerweise über der Rekristallisationstemperatur von Stählen (ca. 1.250 °C) gefunden. Diese Teilchen wirken als Keimbildungsstellen für interkristallinen Grübchenbruch.
• Grübchenbruch (Dimple Rupture) – Es ist ein Bruchtyp, bei dem Poren an Einschlüssen keimen und der Bruch auftritt, wenn diese Poren unter Verformungsbedingungen wachsen und koaleszieren (häufig als „Porenkoaleszenz“ bezeichnet). Mangansulfid ist bekannt dafür, sich von der Matrix sogar vor der Verformung zu lösen, während die meisten Oxid-Einschlüsse bei kleinen Dehnungen entkohäsieren. Dies hängt mit der Kohäsionsbindung durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zusammen. Die resultierende Oberfläche ist eine relativ gleichachsige Grübchenbruch-Oberfläche.

Die ersten beiden Modi treten normalerweise unter der duktil-spröden Übergangstemperatur auf, während der dritte oberhalb der Übergangstemperatur auftritt. Abbildung 5 zeigt die Keimbildung von Poren bei kleinen Dehnungen (5a), großen Dehnungen (5b) und den Bruch von Stahl (5c).

Duktiler und spröder Bruch sind die zwei Haupttypen von Versagen in niedriglegierten Stählen. Duktiler Bruch tritt auf, wenn das Material hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während spröder Bruch normalerweise bei niedrigen Temperaturen auftritt. Abb. 6 zeigt den Unterschied zwischen statischen und dynamischen Bruchmoduskurven, charakterisiert durch die Unterschiede in der angewendeten Dehnrate. Es gibt zwei Tests zur Bewertung statischer und dynamischer Bruchmodi. Der Charpy-V-Kerbschlagversuch wird verwendet, um dynamischen Bruch zu bewerten, und der „Crack Tip Opening Displacement“ (CTOD) Test zur Bewertung der quasi-statischen Bruchzähigkeit. CTOD-Tests werden auf Materialien angewendet, die vor dem Versagen einer Komponente eine gewisse plastische Verformung aufweisen können. Die Messung dieser Verschiebung ist für ingenieurtechnische Zwecke sehr wichtig, und die Wichtigkeit dieses Tests beruht auf der genauen Messung dieses Parameters.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der die Zähigkeit beeinflusst, ist die Anisotropie im Bruchverhalten von warmgewalzten Produkten. Dies ist mit der Orientierung von elongierten Einschlüssen oder Einschlussclustern assoziiert. Die höchste absorbierte Energie tritt in Proben auf, wo die Rissebene normal zu den elongierten Einschlüssen ist, und der Riss kann entlang der Grenzflächen der Einschlüsse abgelenkt werden. Niedrigere Energien werden absorbiert, wenn ein Riss entlang der Grenzflächen der elongierten Einschlüsse fortschreitet. In Abb. 7 werden zwei Stähle verglichen: links konventionell gewalzter Stahl, die Anisotropie ist höher aufgrund der Elongation der Einschlüsse parallel zur Walzrichtung. Wenn das Material in dieser Richtung belastet wird (rote Pfeile), ist die Festigkeit höher als wenn das Material in Querrichtung belastet wird (gelbe Pfeile). Der Stahl rechts ist Stahl mit Einschlusskontrolle. In diesem Stahl ist die Anisotropie geringer aufgrund besserer Einschlusskontrolle, die weniger, isolierte und kleinere Einschlüsse produziert. Wenn das Material in diesem Fall belastet wird, gibt es nicht viel Unterschied zwischen den günstigsten und ungünstigsten Belastungsbedingungen.

Mangansulfid-Einschlüsse sind eine Hauptursache für Bruch-Anisotropie. Aufgrund von Mangansulfid-Einschlüssen sind Quer- und Dickenrichtungen am stärksten von Einschluss-Anisotropie betroffen. Dies kann verbessert werden, indem schwefelhaltige Einschlüsse modifiziert werden, um harte Einschlüsse zu bilden, die während der Umformung kugelförmig bleiben, oder, wenn der zusätzliche Aufwand gerechtfertigt ist, der Schwefelgehalt durch weitere Entschwefelung oder Vakuumrühren reduziert werden kann.

Oxid-Einschlüsse sind mit duktilem Bruch assoziiert, der durch Verknüpfung von Grübchen charakterisiert ist. Porenbildung um Oxid-Einschlüsse spielt eine dominante Rolle im Scherbruch. Mit zunehmenden Festigkeitsniveaus des Stahls wird der Effekt von Einschlüssen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, stark bemerkt.

Normalerweise sind niedrige Einschlussniveaus ausreichend, um akzeptable Duktilitäts- und Zähigkeitskriterien in ultrahochfesten Stählen zu garantieren. Wenn jedoch in Zukunft die Forderung besteht, diese Eigenschaften zu entwickeln, muss die Vermeidung von elongiertem Mangansulfid und die Minimierung der Anzahl grober Titannitrid-Einschlüsse verfolgt werden, da dies die verschlechterndsten Einschlusstypen für die Duktilität bei relativ niedrigen Verunreinigungsniveaus in ultrahochfesten Stählen sind.

Auswirkung auf die Ermüdung

Wenn das Versagen einer Stahlkomponente auf eine wiederholte Anzahl von Lastanwendungen (Zyklen) unter der Streckspannung des Materials zurückzuführen ist, gilt dies als Ermüdungsversagen. In diesem Zusammenhang gibt es sehr wichtige Aspekte, in denen Einschlüsse eine große Rolle spielen. Eine der ersten Studien, die eine Beziehung zwischen Härte und Ermüdungsgrenze herstellte, wurde von Garwood und Mitarbeitern durchgeführt. Seitdem war die Relevanz, die nichtmetallische Einschlüsse insbesondere für hochfeste Stähle haben, Gegenstand mehrerer Studien. Die meisten dieser Studien haben mehrere Faktoren aufgezeigt, die sich auf Spannungskonzentration beziehen, nämlich Einschlussform, Haftung des Einschlusses an der Matrix, elastische Konstanten von Einschlüssen und Matrix sowie Einschlussgröße.

Murakami und Endo entwickelten das Flächenmodell zur Bewertung des Effekts kleiner Defekte (Löcher) in metallischen Materialien. In ihrer Studie demonstrierten sie, dass das Problem eines kleinen Defekts im Wesentlichen ein kleines Rissproblem ist und daher mit Spannungsintensitätsfaktoren statt mit Spannungskonzentration gelöst werden muss. Sie fanden eine starke Korrelation des maximalen Spannungsintensitätsfaktors mit der projizierten Fläche des Defekts in einer Ebene senkrecht zur maximalen Hauptspannung. Einschlüsse können in der Tat als mechanisch äquivalent zu kleinen Defekten behandelt werden, die den gleichen Wert der projizierten Fläche (Quadratwurzel der Rissfläche) haben.

Es sind nicht nur jene Faktoren, die die Ermüdungslebensdauer einer Komponente beeinflussen, sondern auch die Lage des Einschlusses oder Defekts innerhalb der Komponente. Ein Einschluss einer bestimmten Größe, der nahe der Oberfläche gefunden wird, hat einen höheren Einfluss auf die Ermüdungslebensdauer als ein Einschluss derselben Größe an einem weiter von der Oberfläche entfernten Ort. Murakami veröffentlichte quantitative Gleichungen zur Vorhersage der Ermüdungsfestigkeit eines Materials mit einem Oberflächenfehler, nahe der Oberfläche und einem internen Defekt. Abb. 8 gibt die Klassifikation von Einschlüssen nach Lage.

Die Beziehung zwischen den schädlichen Auswirkungen von Einschlüssen auf die Ermüdungslebensdauer und der Einschlussgröße ist in Abb. 9 dargestellt. Diese Abbildung hilft zu veranschaulichen, dass große kugelförmige Einschlüsse am schädlichsten sind wegen ihrer Größe, nicht wegen ihrer Form. Auch dass Calciumsulfide im Vergleich zu Oxiden gleicher Größe weniger schädlich sind. Schließlich dass Titannitride der schädlichste Einschlusstyp über einen gleichen Größenbereich im Vergleich zu anderen Oxiden oder Sulfiden sind.

Die Bedeutung von Einschlüssen auf die Ermüdung von Stahl ist seit langem anerkannt. Allerdings wurde der Effekt von Art, Zusammensetzung, Form und Größe von Einschlüssen auf Ermüdung ausführlich untersucht, ohne zu einem festen Schluss zu kommen. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat neues Licht auf das Verständnis der Auswirkungen von Einschlüssen auf Ermüdung geworfen, was hier zusammengefasst wird. Die Ermüdungsgrenze korreliert mit der Existenz von nicht-fortpflanzenden Rissen. Sie ist nicht mit der Rissinitiierung verbunden. Die Ermüdungsgrenze ist ein Schwellenwert für Rissausbreitung und nicht die kritische Spannung für Rissinitiierung. Die Ermüdungsgrenze korreliert mit Härte bis ca. 400 HV. In diesem Bereich „wird die Ermüdungsgrenze durch eine Materialeigenschaft bestimmt, die den durchschnittlichen Widerstand gegen plastische Verformung des Materials zeigt“.

Wenn man die 400 HV-Schwelle überschreitet, kann die ideale Ermüdungsgrenze, die mit den Materialeigenschaften assoziiert ist, im Allgemeinen aufgrund der Anwesenheit von Defekten (wie Einschlüssen) nicht erreicht werden. „Defekte, die kleiner als eine kritische Größe sind, sind nicht schädlich (nicht nachteilig) für die Ermüdungsfestigkeit, und die kritische Größe ist kleiner für Materialien mit höherer statischer Festigkeit, so dass ein Defekt einer gegebenen Größe für hochfeste Stähle nachteiliger ist als für niedrigfeste Metalle“. Es wurde mit mehreren experimentellen Beispielen demonstriert, dass, da die Ermüdungsgrenze eine Spannung ist, bei der keine Rissausbreitung auftritt, kleine Defekte Risse haben können, die von ihnen ausgehen und die zur Ermüdung führen können oder nicht, abhängig von Größe und Spannungen. Es wurde argumentiert, dass aus diesem Grund, wenn ein Riss an der Einschluss-Metall-Grenzfläche oder durch Einschlussbruch entsteht, die Spannungen innerhalb des Einschlusses entlastet werden und der Einschlussbereich als mechanisch äquivalent zu einem spannungsfreien Defekt oder einer Pore betrachtet werden kann. Daher können tessellierte Spannungen beispielsweise weniger wichtig sein als bisher gedacht.

Mit diesem Ansatz ist es möglich, angemessene Beziehungen zu finden, um die Ermüdungsgrenze von hochfesten Stählen vorherzusagen, indem die Dauerfestigkeitsbeziehung mit Härte durch Einbeziehung eines Terms, der sich auf den Querschnittsbereich quer zur Belastung bezieht, der von Einschlüssen eingenommen wird, in Einklang gebracht wird. Abhängig von der Belastung kann die Position der Einschlüsse wichtig sein, und dies wird berücksichtigt. So wurde für Einschlüsse nahe der Oberfläche bei Drehbiegen eine empirische Beziehung zwischen der Dauerfestigkeit und Härte vorgeschlagen.

Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die Entwicklung von Wälzlagerstählen (SAE 52100 oder 100Cr6) waren sehr wichtig. Daher können beispielsweise die Ergebnisse, wo besonderer Relevanz verschiedenen Einschlusszusammensetzungen zugeschrieben wurde, neu bewertet werden. Die Ergebnisse zeigen viel geringere Bedeutung des Einschlusstyps, wenn er gemäß Murakamis Formalismus analysiert wird, wie in Abb. 9 gezeigt. Laut Murakamis Ergebnissen ist der größte im beanspruchten Bereich vorhandene Einschluss für das Ermüdungsversagen verantwortlich. Mit der hohen Reinheit dieser Stähle waren die klassischen Methoden der Einschlussbewertung und -quantifizierung bei der Vorhersage des Ermüdungsverhaltens recht unwirksam, und Extremwertstatistik wurde als Lösung präsentiert. In diesem Kontext entwickelte Murakami eine Methode für die Extremwert-Einschlussquantifizierung.

Später wurde ein ASTM-Standard entwickelt, hauptsächlich mit der Lager-Community im Blick. Mit dieser Methode konnten Murakami und Mitarbeiter Ermüdungseigenschaften basierend auf Extremwertstatistik für Einschlüsse vorhersagen. Sie zeigten auch, dass, wenn die Einschlusspopulation und -größe extrem klein werden, wie in extra-reinen Elektronenstrahl (EB) geschmolzenen Stählen, mikrostrukturelle Heterogenitäten (Bainit-Bereiche) größer als die Einschlüsse sind und als Ermüdungskerne wirken. Die Bedeutung von Einschlüssen in der Ermüdung ist immer noch Gegenstand häufiger Diskussionen, insbesondere im sogenannten Ultrahochzyklus-Ermüdungsbereich.

Die von Murakami und Mitarbeitern geführten Entwicklungen zum Verständnis der Bedeutung von Einschlüssen in der Ermüdung von hochfesten Stählen hatten auch tiefgreifende Auswirkungen auf das Einschluss-Engineering von Feder- und Ventilstählen. Zusammenfassend: Wenn man die Literatur über Rissinitiierung und -ausbreitung in der Ermüdung betrachtet, muss man Größe und Volumenanteil der Einschlüsse berücksichtigen. Rissinitiierung kann „in der Matrix“ oder im Zusammenhang mit Zweiphasenteilchen, insbesondere Einschlüssen, auftreten. Es scheint, dass für niedrigfeste Stähle eine kritische Rissgröße größer als die größeren Einschlüsse für Ermüdung erforderlich ist. Daher spielen Einschlüsse in niedrigfesten reinen Stählen eine weniger wichtige Rolle. Andererseits können in hochfesten Stählen Einschlüsse ausreichend groß sein und eine wichtige Rolle spielen.

Die Einschluss-Stahl-Grenzflächenbedingung spielt auch eine Rolle in der Ermüdungslebensdauer. Andererseits wurde die Einschluss-Matrix-Grenzflächenfestigkeit als wichtiger Faktor in den mikroskopischen Phänomenen der Ermüdungsrissbildung betrachtet. Spriestersbach und Mitarbeiter stellten beispielsweise fest, dass „klassische“ Einschlüsse (Oxide, komplexe Oxide und Sulfide) aufgrund der geringen Einschluss-Stahl-Grenzflächenfestigkeit leicht entkohäsieren.

Auch Unterschiede in CTEs können Einschluss-Matrix-Trennung fördern. Daher können klassische Einschlüsse als Löcher betrachtet werden, wie von Murakami vorgeschlagen. Andererseits hat Titannitrid beispielsweise eine starke Bindung zur Matrix und die Titannitrid-Stahl-Grenzfläche zeigt keine Trennung. Wenn Titannitrid hohen Spannungen ausgesetzt wird, bricht es, und die Risse breiten sich in die Matrix aus. Daher kann die Korrelation zwischen Titannitrid-Größe und Ermüdungsverhalten anders sein als die für „klassische“ Einschlüsse beobachtete.

Auswirkung auf die Zerspanbarkeit

Zerspanbarkeit umfasst eine breite Palette von Parametern, einschließlich Spanbildung, Schneidwerkzeugverschleiß, Oberflächeneigenschaften des bearbeiteten Werkstücks und Umweltfaktoren. Zerspanen kann hauptsächlich als zwei Prozesse beschrieben werden: Metallbruch und Metallabtrag, um eine bestimmte Form oder Bohrungen an spezifischen Positionen am Werkstück herzustellen.

Einige Oxid-Einschlüsse können einen positiven Effekt auf den Prozess der Spanbildung haben (der von der Fähigkeit abhängt, einen Bruch entlang der Struktur zu erzeugen), aber einen negativen Effekt auf den Schneidwerkzeugverschleiß, der den initialen positiven Effekt auf die Spanbildung überwiegen kann. Mangansulfid-Einschlüsse haben ebenfalls einen vorteilhaften Effekt auf die Spanbildung, und der vorteilhafte Effekt von hohem Schwefelgehalt auf freischneidende Stähle ist seit langem bekannt, da Mangansulfid-Einschlüsse nicht den gleichen Schneidwerkzeugverschleiß verursachen wie Oxide. Eine gründliche Untersuchung der Auswirkung verschiedener Einschlusstypen auf verschiedene Stahlsorten für verschiedene Anwendungen hat gezeigt, dass verschiedene Stahlsorten verschiedene Einschlüsse mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften haben. Daher müssen diese Eigenschaften für jede Gruppe von Stahlsorten optimiert werden, um Verbesserungen der Zerspanbarkeit von Stahl zu erzielen, ohne ihre mechanischen Eigenschaften erheblich zu reduzieren.

Vielleicht ist eine der Eigenschaften, die am traditionellsten mit Einschlüssen in Verbindung gebracht wird, die Zerspanbarkeit. Die Effekte von Sulfiden sind gut bekannt, und das Design dieser Einschlüsse für Zerspanbarkeit war recht erfolgreich. Computergestützte Thermodynamik wurde verwendet, um Stähle mit guter Zerspanbarkeit zu entwerfen, indem Sulfide so angepasst wurden, dass sie Blei „metallische Einschlüsse“ ersetzen. Bleihaltiger Stahl stellt wichtige Gesundheitsrisiken während der Stahlerzeugung dar und hat erhebliche Umweltauswirkungen. Derzeit definiert die Automobilindustrie einen minimalen Schwefelgehalt für nicht resulfurierte Stähle, um ihre Zerspanbarkeit zu verbessern. Dies hat eine interessante Herausforderung für Stabhersteller dargestellt, die ihre Prozesse anpassen müssen, um Düsenverstopfung durch den Einsatz von Calcium in Gegenwart von Schwefel im Bereich von 0,02 % zu verhindern. In diesem Fall ist strenge Prozesskontrolle erforderlich.

Auswirkung auf die Keimbildung von Ferrit

Einschlüsse können eine wichtige Rolle bei der Phasenumwandlung spielen. Sie spielen auch eine kritische Rolle bei der Keimbildung von feinem acicularem Ferrit in Schweißmetall. Diese Mikrostruktur ist wichtig, um zufriedenstellende mechanische Eigenschaften mit niedrigkohlenstoffhaltigen Zusammensetzungen ohne Warm-/kontrollierte Umformung zu erreichen. Daher wird die Schweißmetallzusammensetzung so angepasst, dass die Ausfällung geeigneter Keime für acicularen Ferrit verursacht wird. Einige der als relevant für einen Einschluss angesehenen Faktoren, um als Keim für acicularen Ferrit zu wirken, sind Kristallstruktur, Unterschiede im CTE und Verarmung an Austenit-stabilisierenden Elementen wie Mangan um die Einschlüsse. Letzteres ist die bevorzugte Erklärung, gefolgt von Spannungen, die durch CTE-Unterschiede zwischen Einschluss und Austenit-Matrix erzeugt werden. Dies gewinnt besondere Relevanz mit der Aussicht auf Dünnbrammenguss, wo der Umfang der durchzuführenden Warm-/kontrollierten Umformung zur Verfeinerung des Austenitkorns sehr begrenzt ist.

Eine der ersten und klareren in-situ-Beobachtungen des Keimbildungsprozesses wurde von Sugiyama und Shigesato durchgeführt, die ihre Beobachtungen zur Bedeutung von Mangansulfid auf die Ferritkeimbildung detailliert diskutierten. Li und Mitarbeiter zeigten experimentell und mit First-Principle-Berechnungen, dass Zirkonium- und Titanoxide manganverarmte Zonen in der Einschluss-Matrix-Grenzfläche fördern, was die Ferritkeimbildung begünstigt. Sie zeigten auch, dass Mangansulfid auf Zirkoniumoxid keimen kann. Als Ergebnis zeigten sie den vorteilhaften Effekt der Zirkonium-Titan-Entoxidation in mikroleegierten Stählen, die feinere und gleichmäßigere Dispersionen von Mangansulfid und aciculare Ferrit-Mikrostrukturen fördern. Grong und Mitarbeiter überprüften die Möglichkeiten der Herstellung von „Dispersionen“, Einschlüssen mit ausreichend feiner Größe und Zusammensetzung, um die Keimbildung in der Erstarrung sowie die Ferritkeimbildung zu beeinflussen. Um dies zu erreichen, müssen diese Teilchen jedoch auf eine komplexere Weise gebildet werden als nur als Ergebnis klassischer Einschlussbildungsreaktionen.

Auswirkung auf die Oberflächenbeschaffenheit

Obwohl die Oberflächenbeschaffenheit als Zerspanbarkeitsproblem betrachtet werden kann, stellt der Fall von Werkzeugstählen für Kunststoffformen beispielsweise außergewöhnliche Anforderungen. Studien haben gezeigt, dass sowohl Mikrostruktur als auch Reinheit eine wichtige Rolle spielen. Einfache Formen der Reinheitsquantifizierung sind jedoch im Allgemeinen nicht in der Lage, mit der Polierqualität zu korrelieren. Der Einschlusstyp spielt eine definitive Rolle im Prozess, wie im Fall von ESR (Elektroschlacke-Umschmelzen) von P20-Stahl, wo demonstriert wurde, dass die typische Entschwefelung von ESR nachteilig für die Oberflächenbeschaffenheit ist und Inertgasmaterial-Umschmelzen verwendet werden muss, um Entschwefelung zu verhindern und sicherzustellen, dass Sulfide die Oxid-Einschlüsse bedecken, was eine gute Oberflächenbeschaffenheit ermöglicht. Die verglichenen Ergebnisse von VAR (Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen) und dem sogenannten PESR (ESR unter Inertgas) können im Lichte dieser Beobachtung erklärt werden.

Auswirkung auf die Korrosion

Zwei Beispiele für den Einfluss von Einschlüssen auf die Korrosionsleistung von Stählen sind die Bedeutung von Einschlüssen bei wasserstoffbedingten Versagen wie wasserstoffinduziertem Rissbildung (HIC) und bei der Grubenbildung.

Einschlüsse und wasserstoffbedingte Versagen

Die Bedeutung von Einschlüssen als Fallen und Keime für HIC wurde mindestens seit den 1970er Jahren erkannt. Die Bedeutung des synergistischen Effekts von Segregation und Einschlüssen, insbesondere Mangansulfid, wurde bald ebenfalls erkannt. Nakai und Mitarbeiter beobachteten, dass die Formkontrolle von Sulfiden einen hohen Einfluss auf HIC hatte. Sie zeigten, dass höherer Sauerstoff im Stahl mit Typ-I-Sulfiden (die keine hohe Plastizität haben) bessere Beständigkeit gegen HIC hat als aluminiumgetöteter Stahl mit Typ-II-Sulfiden, die sich während des Walzens elongieren. Sie bevorzugten jedoch entweder Calcium- oder Ceriumsulfid-Modifikation, um gute Eigenschaften zu gewährleisten.

Es wurde auch klar, dass die bloße Reduzierung von Schwefel und die Kontrolle der Sulfidform nicht ausreichen, um gute HIC-Beständigkeit zu gewährleisten, da die Rissausbreitung durch Segregation kontrolliert wird. Daher wurden niedrigere Kohlenstoff- und Manganstähle entwickelt, sowie beschleunigte Kühlstrategien, um weniger Segregation, insbesondere Bandbildung, und gleichmäßigere Härte in der Mikrostruktur zu fördern.

Die Wechselwirkung von Segregation und Calciummodifikation wurde in einer Studie demonstriert, die zeigte, dass in großen Segregaten normale Calciumbehandlung unwirksam sein kann, um die Bildung von Mangansulfid zu verhindern. Daher wurde sehr niedriger Schwefel und Vermeidung von Mangansulfid zur Regel, um gute HIC-Beständigkeit zu gewährleisten. Dennoch spielen Einschlüsse weiterhin eine wichtige Rolle bei der HIC-Risskeimbildung. In sehr reinen Stählen wurde gezeigt, dass Mangansulfid wasserstoffbedingte Rissbildung fördert. Beim Studium der Beständigkeit von API X120 mikroleegiertem Stahl haben Huang und Mitarbeiter die Stahlreinheit mit reduziertem Wasserstoffeffekt in Verbindung gebracht, unabhängig vom Einschlusstyp. Sie gaben jedoch keine Informationen zum Schwefelgehalt ihres Stahls.

Jin und Mitarbeiter berichteten, dass in calciumbehandeltem API X100 Stahl mit 50 ppm Schwefel Oxide nachteilig für die Wasserstoffbeständigkeit sind. Domizzi und Mitarbeiter konnten die Sulfidlänge oder den Schwefelgehalt nicht mit der HIC-Beständigkeit in Stählen mit Schwefel im Bereich von 50 bis 150 ppm korrelieren. Sie schlagen vor, dass Schwefelgehalt und Einschlussgröße den Widerstand gegen Wasserstoff beeinflussen. Sie weisen darauf hin, dass eine kleine Anzahl sehr elongierter Einschlüsse die HIC-Beständigkeit auf die gleiche Weise reduzieren kann wie eine höhere Anzahl kürzerer Teilchen. Sie betonen auch die Relevanz von Bandbildung, die in mikroleegierten Stählen normalerweise mit höheren Mangan-Gehalten assoziiert ist.

Bandbildung wurde auch als kritisch für den wasserstoffinduzierten Ausfall von AISI 4140 Schrauben in Unterseeanwendungen unter Kathodenschutz gezeigt. Du und Mitarbeiter zeigten die vorteilhaften Effekte der Erzeugung einer feinen Dispersion von Oxid- und Sulfid-Einschlüssen durch Zirkonium-Titan-Entoxidation auf die HIC-Beständigkeit im Vergleich zu konventioneller Aluminium-Entoxidation. In einer jüngsten Übersicht haben Ohaeri und Mitarbeiter bestätigt, dass Einschlüsse im Allgemeinen schädlich für den Widerstand gegen Wasserstoffdegradation sein können, aber bestätigt, dass elongierte Einschlüsse offenbar einen negativeren Effekt haben. Die Bedeutung elongierter Sulfide auf das Ausmaß von Wasserstoffblasenbildung wurde ebenfalls demonstriert. Daher spielen Einschlussform, -menge und -typ eine wichtige Rolle bei der Wasserstoffrissbildung.

Die eventuelle Clusterbildung von Einschlüssen, insbesondere Bereiche der mikrostrukturellen Bandbildung, hat einen synergistischen Effekt bei der Förderung von Problemen im Zusammenhang mit Wasserstoff und ist sorgfältig zu vermeiden. Zudem ist zu beachten, dass Murakami demonstriert hat, dass Wasserstofffang an Einschlüssen einen erheblichen Effekt auf Super-Langzeit-Ermüdungsphänomene hat. Aus der obigen Diskussion ist ersichtlich, dass Einschluss-Engineering eine zunehmend wichtige Rolle im Design von wasserstoffbeständigen Stählen spielt.

Grubenbildung (Pitting)

Wranglen berichtete über die Bedeutung von Mangansulfid als Grubeninitiierungsstellen sowohl in Kohlenstoff- als auch in rostfreien Stählen. Er schlug vor, dass in Kohlenstoffstählen der Angriff in der Matrix nahe dem Sulfid-Einschluss beginnt, der edler als die Matrix ist, während in rostfreien Stählen der Angriff am Sulfid-Einschluss selbst beginnt. Mit der Entwicklung von Charakterisierungstechniken haben Ryan und Mitarbeiter das Vorhandensein eines chromverarmten Bereichs um Sulfid-Einschlüsse in rostfreien Stählen gemessen und vorgeschlagen, dass dies die Initiierungsstellen sind. Sie haben jedoch keinen Mechanismus für die Bildung dieser Bereiche vorgeschlagen und die thermische Geschichte ihrer Probe nicht beschrieben. Ihre Ergebnisse wurden durch Messungen von Meng und Mitarbeitern in verschiedenen Stählen (einschließlich Ryans Originalprobe) angefochten.

Ryans Beobachtungen ähneln den Zusammensetzungsprofilen um Chromcarbide in sensibilisiertem rostfreiem Stahl. Während dort eine klare Erklärung für die Bildung chromverarmter Bereiche in der Matrix um Carbide in der Sensibilisierung existiert, ist dies nicht der Fall für die Matrix um Sulfid-Einschlüsse. Kürzlich haben Williams und Mitarbeiter eine eisenreiche Sulfidschicht beobachtet, die die Sulfid-Einschlüsse in rostfreien Stählen umgibt. Diese Schicht löst sich bevorzugt auf und startet den Grubenbildungsprozess. In ihren Schlussfolgerungen schlugen sie vor, dass Einschluss-Engineering verwendet werden kann, um die Zusammensetzung der Mangan-Eisen-Chrom-Sulfide zu kontrollieren und dies zu verhindern. Park und Kang haben kürzlich das Thema Einschlüsse in rostfreien Stählen überprüft. Sie diskutierten den Erstarrungsprozess der Sulfide, der zu der von Williams beobachteten Situation führen kann.

Es scheint klar, dass subtile chemische Zusammensetzungsunterschiede um Einschlüsse von größter Bedeutung für die Grubenbildung von rostfreiem Stahl sein können. Derzeit verfügbare Ergebnisse deuten darauf hin, dass die durch die Sulfidbildung verursachten Zusammensetzungsvariationen eine sehr wichtige Rolle spielen können. Liu und Mitarbeiter demonstrierten kürzlich den Effekt von Aluminiumoxid-Clustern auf die Grubenbildung von Kohlenstoffstählen. Ma und Mitarbeiter zeigten das anisotrope Verhalten der Grubenbildung, assoziiert mit Mangansulfid-Einschlüssen. Daher ist klar, dass Einschlüsse, insbesondere Sulfid-Einschlüsse, eine entscheidende Rolle bei der Grubenbildung spielen. Park und Kang merkten an, dass das Vorhandensein von Oxid-Einschlüssen auch eine wichtige Rolle bei der Grubenbildung von rostfreien Stählen spielen kann.