1. Vorhabenziel Die Forderung nach hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit von RT bis in höhere Temperaturbereiche wird kaum von metallischen Werkstoffen hinreichend erfüllt, aber in vielen industriellen Anwendungen, wie in dem Anlagenbau oder in der Lebensmitteltechnik, gefordert. Hier kommen meist Kobalt-Basislegierungen zum Einsatz, die unter dem Handelsnamen Stellite bekannt sind. Sie besitzen eine hohe Korrosionsbeständigkeit und können durch Legieren mit Wolfram in Verbindung mit Kohlenstoff auch extrem verschleißbeständig gestaltet werden. Die Elemente Kobalt und auch Wolfram zählen zu den kritischen Elementen, die auf dem Weltmarkt starken Versorgungs- und Preisschwankungen unterliegen. Zudem soll das Element Kobalt wegen seiner gesundheitsschädigenden Wirkung schrittweise substituiert werden, was durch die Europäische Verordnung 'REAch' unterstrichen wird. Auf Basis dieser Forderung lässt sich das Projektziel ableiten. Das Projektziel ist die Entwicklung neuer und kostengünstiger Kobalt- und Wolfram-freier Legierungen auf Eisenbasis für erhöhte Temperaturen (RT bis 700-800°C). 2. Arbeitsplan.
Vorhabenziel: Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Lücke zwischen verschleiß- und korrosionsbeständigen krz/kfz-Stählen und den Co-Basislegierungen, auch für Anwendungen bei erhöhter Temperatur, durch die Entwicklung kostengünstiger und Co-/W-freier Fe-Basislegierungen zu schließen. Die Zielstellung erfordert Entwicklungsarbeiten in Bezug auf neue Legierungszusammensetzungen sowie deren schmelz- und pulvermetallurgische Verarbeitung zu Produkten. Zudem gilt es, die mechanischen, tribologischen und chemischen Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Co-Basislegierungen in einem Temperaturbereich von RT bis 800°C zu vergleichen. Der Projekterfolg soll zuletzt auf Basis der Anfertigung und dem Einsatz von ein bis zwei Demonstratorbauteilen unter realen Bedingungen bewertet werden. Die Planung des Forschungsvorhabens sieht vor, dass vier industrielle gemeinsam mit zwei universitären Partnern an den wissenschaftlichen und technologischen Fragestellungen arbeiten. Es werden zwei Routen beschritten, eine schmelzmetallurgische, für die vor allem die Universität Wuppertal zusammen mit zwei Industriepartnern verantwortlich ist, und eine pulvermetallurgische, die primär von der Ruhr-Universität Bochum zusammen mit zwei weiteren Partnern bearbeitet werden wird. In beiden Fällen werden zunächst geeignete Legierungen computerunterstützt entwickelt, wobei das gemeinsam mit allen Partner definierte Beanspruchungskollektiv berücksichtigt wird. Die folgenden Schritte sehen sie Herstellung neuer Legierungen im Labor- und Industriemaßstab vor, um Material für werkstofftechnische Untersuchungen und eine Validierung der Legierungskonzepte zu erhalten. Positiv bewertete Legierungen werden im letzten Schritt eingesetzt, um Demonstratoren zu fertigen und diese im Feldversuch zu testen. Die Ergebnisse aus Demonstratorfertigung und Feldversuchen werden verwendet, um das Legierungsdesign im Detail zu optimieren.
Die Forderung nach hoher Korrosions- und Verschleißbeständigkeit von RT bis in höhere Temperaturbereiche werden kaum von metallischen Werkstoffen hinreichend erfüllt, aber in vielen industriellen Anwendungen gefordert. Hier kommen meist Kobalt-Basislegierungen zum Einsatz, die unter dem Handelsnamen Stellite bekannt sind. Die Elemente Kobalt und Wolfram zählen zu den kritischen Elementen. Zudem soll Kobalt wegen seiner gesundheitsschädigenden Wirkung schrittweise substituiert werden, was durch die Europäische Verordnung 'REAch' unterstrichen wird. Auf Basis dieser Forderung ist das Projektziel die Entwicklung neuer und kostengünstiger Kobalt- und Wolfram-freier Legierungen auf Eisenbasis für erhöhte Temperaturen (RT bis 700-800°C). Hierzu werden in hoch korrosionsbeständigen harten Fe-Matrices nennenswerte Gehalte (bis 30%) an Karbiden ausgeschieden, die in der Matrix einen für die Korrosionsbeständigkeit ausreichend hohen Chromgehalt zurücklassen. Die Metallmatrix wird so legiert, dass bei erhöhter Temperatur auch eine erhöhte Festigkeit vorliegt, um die Stützwirkung für die vorhandenen Hartphasen zu erhalten. Um kurzfristig geeignete Legierungskonzepte zu finden, entwickelt der LWT neue Werkstoffe unter Verwendung von computergestützten Tools wie der CalPhad-Methode. In diesem Kontext sind Erstarrungssimulationen zu nennen, die wichtige Kennwerte für die nachfolgende industrielle Werkstoffherstellung durch Gasverdüsen oder Gießen liefern. Dazu soll auf den Ansatz von Scheil und Gulliver und auf die Phasenfeldmethode zurückgegriffen werden. Neben der Erstarrung der betrachteten Legierungen stehen für die späteren Anwendungen die mechanischen, tribologischen, physikalischen und chemischen Materialeigenschaften im Fokus des Interesses. Diese Eigenschaften werden maßgeblich durch die Gefügeausbildung bestimmt, die bei Stählen sowohl von der chemischen Zusammensetzung, als auch von der Wärmebehandlung beeinflusst wird. Aus diesem Grund erfolgen thermodynamische Gleichgewichtsberechnungen im Festen um Fragestellungen zur Stabilität einzelner Phasen, dem Lösungszustand, die chemische Zusammensetzung einzelner Phasen und der Phasenumwandlungspunkte beantworten zu können. In einem weiteren Schritt sollen positiv evaluierte Legierungskonzepte durch Gießversuche hergestellt und die Berechnungen durch experimentelle Untersuchungen validiert werden. Dabei soll die chemische Zusammensetzung (Funkenspektroskopie), die Phasenausbildung (Röntgendiffraktometrie), die Gefügeausbildung (Licht- und Rasterelektronenmikroskopie) und die Eigenschaften einzelner Phasen (Nanoindentation) in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung (wellenlängendispersive WDX und energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX) bewertet werden. Konnten erfolgreiche Schmelzen im Labormaßstab evaluiert werden, so ist es das Ziel, diese im industriellen Maßstab bei den Projektpartnern Kuhn (schmelzmetallurgisch) und DEW (pulvermetallurgisch) herzustellen.