title: Ein Beitrag zur Steigerung der Ressourceneffizienz hochlegierter Stähle unter Berücksichtigung von Anwendungsaspekten
Creators: name: Van Gen Hassend, Frederic
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2021

description: High alloyed steels have a complex stress profile consisting of mechanical, corrosive, and thermal loads during industrial applications. Insufficient material properties lead to wear and material losses during service that are related to higher costs and energy-intensive maintenance. Some steel grades also contain high proportions of certain critical raw materials, for which a reliable and unhindered access is a growing concern within the European Union. Therefore, an efficient use and an adequate substitution of those elements has gained more interest in the last few years and will become increasingly important in the future.<br> Against this background, the present work deals with the optimization of cast martensitic stainless and heat-resistant austenitic steels, which are widely known as wear-resistant material for technical applications at low and elevated temperatures. Optimization treatments of those steel grades have been pursued by a systematic alloy and heat treatment design. In the context of martensitic stainless steel, the aim was to generate a martensitic microstructure free of coarse eutectic carbides and δ-ferrite in order to extend the service life of industrial cutting tools in the food processing industry. Therefore, an alloy concept together with a novel two-step austenitization treatment (TSA) could be developed, tested, and realized under industrial condition. Compared to commercial grades, the designed cast steel shows a significantly improved pitting corrosion resistance, impact toughness, and fatigue strength at a sufficient hardness when the TSA is applied. The latter hence may benefit the wear behavior of dynamically loaded tools. In the context of heat-resistant austenitic steels, the focus relies on saving critical raw materials, such as cobalt and tungsten, in those steels without impairing their mechanical properties. In this regard, a novel cobalt-free superaustenitic stainless steel concept with a minimum amount of tungsten could be developed, characterized, and processed industrially. It is shown that the novel steels provide comparable or improved mechanical and tribological properties at elevated temperatures (600 °C to 800 °C) compared to a commercial high cobalt and tungsten alloyed cast steel. <br> Due to their improved material properties and lower content of critical elements, both steel concepts contribute to a sustainable use of raw materials and hence increase the resource efficiency of high alloyed steels.
description: Hochlegierte Stähle unterliegen in der industriellen Anwendung einem komplexen Belastungskollektiv bestehend aus einer mechanischen, korrosiven und thermischen Beanspruchung. Unzureichende Werkstoffeigenschaften gehen mit einem verschleißbedingten Materialverlust einher, welcher über kosten und energieintensive Instandhaltungsmaßnahmen kompensiert werden muss. Darüber hinaus enthalten bestimmte Stahlgüten einen hohen Anteil an kritischen Elementen, für die von der Europäischen Union ein hohes Versorgungsrisiko vorausgesagt wird. In Zeiten immer knapper werdender Rohstoffressourcen gilt es diese Elemente möglichst effizient einzusetzen oder im Sinne einer nachhaltigen Ressourcenschonung zukünftig durch andere Elemente adäquat zu substituieren. Vor diesem Hintergrund befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Optimierung von nichtrostenden martensitischen und hochwarmfesten austenitischen Stahlgusslegierungen, welche als verschleißbeständige Werkstoffe für technische Anwendungen bei niedriger und erhöhter Temperatur zum Einsatz kommen. Zur Optimierung der Werkstoffeigenschaften wurde der Ansatz eines gezielten Legierungs- und Wärmebehandlungsdesigns verfolgt. Das Ziel im Bereich der nichtrostenden martensitischen Stähle lag in der Einstellung eines δ-ferritfreien martensitischen Gefüges ohne grobe eutektische Karbide, welches durch ein verbessertes Eigenschaftsprofil eine Lebensdauerverlängerung von Schneidwerkzeugen in der Lebensmittelindustrie gewährleistet. Dafür wurde ein neues Werkstoffkonzept sowie eine neuartige zweistufige Austenitisierungsbehandlung (ZSA) erarbeitet, charakterisiert und industriell umgesetzt. Es wird gezeigt, dass der neu entwickelte Stahl in Kombination mit der ZSA eine höhere Korrosionsbeständigkeit, Schlagzähigkeit und Dauerschwingfestigkeit gegen über kommerziellen Stählen erzielt und dadurch ein besseres Verschleißverhalten von dynamisch belasteten Bauteilen gewährleistet. Im Teilbereich der hochwarmfesten austenitischen Stähle konzentrieren sich die Arbeiten auf die Einsparung von versorgungskritischen Elementen. Hier galt es Werkstofflösungen zu finden, die neben einer Eigenschaftsverbesserung, zugleich eine Einsparung der Elemente Kobalt und Wolfram erlauben. In diesem Bereich wird ein neuartiges Legierungskonzept eines kobaltfreien und wolframreduzierten superaustenitischen Stahlguss vorgestellt, welcher ebenfalls industriell hergestellt und getestet werden konnte. Es wird gezeigt, dass der neu entwickelte Stahl bei Anwendungstemperaturen zwischen 600 °C und 800 °C vergleichbare und zum Teil bessere mechanische und tribologische Eigenschaften gegenüber einem kommerziellen hoch kobalt- und wolframhaltigen austenitischen Stahlguss erzielt.<br> Beide Neuentwicklungen leisten somit einerseits durch ihre verbesserten Materialeigenschaften und andererseits durch die Reduzierung von kritischen Elementen einen Beitrag zu einer nachhaltigen Ressourcenschonung und ermöglichen so eine Steigerung der Ressourceneffizienz.