Metallkundliche Untersuchungen zum Hochtemperaturverformungsverhalten strahlgeschweißter hochwarmfester Werkstoffe

Aufgrund der produktiveren Fertigungsprozesse sowie der erreichbaren Kostenreduktion bei der Fertigung von qualitativ hochwertigen Bauteilen kommt dem Laser- und Elektronenstrahlschweißen bei hochwarmfesten Werkstoffen eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dem steht die Tatsache gegenüber, daß bisher nahezu keine Angaben bezüglich der Kriech- und Ermüdungseigenschaften strahlgeschweißter Verbindungen aus hochwarmfesten Werkstoffen im Bereich von Raumtemperatur bis zur Einsatztemperatur vorliegen. Das Ziel dieses Forschungsprogramms ist es, auf der Basis metallkundlicher Untersuchungen, dem Konstrukteur Daten zur statischen und zyklischen Dimensionierung von strahlgeschweißten Bauteilen aus ausgewählten hochwarmfesten Legierungen im Temperaturbereich bis 900 °C bereitzustellen. Die ermittelten Ergebnisse sollen Modellcharakter für ähnliche Legierungen dieser Werkstoffgruppe haben. Da bis heute der Einfluß der Schweißverfahren auf die mikrostrukturellen Veränderungen respektive auf die mechanisch-technologischen Kennwerte hochwarmfester Werkstoffe noch nicht vollständig geklärt ist, bildet die Beantwortung dieser Frage neben Untersuchungen zum Einfluß einer Wärmenachbehandlung im Anschluß an das Schweißen den Schwerpunkt des geplanten Forschungsvorhabens.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Thomas Spirowski

Mikrostrukturelle Veränderungen in der Zylinderlaufbahn von PKW Dieselmotoren aus Grauguss und mittels thermischer Spritzverfahren hergestellter Stahlschichten

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Marieke Hahn

Insgesamt Hüftprothesen und Hüfterneuerungen aus CoCrMo-Legierung sind derzeit mit klinischen Problemen konfrontiert. Unerwünschte Gewebereaktionen auf Verschleißpartikel, die aus diesen künstlichen Gelenken erzeugt werden, haben sich in einigen Fällen als verantwortlich für ein frühes Versagen erwiesen. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, mögliche Wege der Partikelbildung in Metall-Metall-Hüftgelenken zu beschreiben. Daher wurden CoCrMo-Verschleißpartikel, die unter verschiedenen Gleitverschleißbedingungen erzeugt wurden, sowie Veränderungen und Wechselwirkungen unter der Oberfläche mit der Grenzflächenflüssigkeit charakterisiert, um die Umstände zu verstehen, unter denen schädliche Partikel erzeugt werden können.

Unter Verwendung von SEM und TEM wurde gezeigt, dass eine Triboschicht in Laborproben und Hüftgelenksentnahmen aus standardisierter CoCrMo-Legierung auftritt. Diese Triboschicht bestand aus einem Tribofilm, der aus zersetztem organischem Material der Grenzflächenflüssigkeit und der tribologisch induzierten nanokristallinen Untergrundzone der CoCrMo-Legierung erzeugt wurde, sowie einer mechanisch gemischten Zone, die aus einem Verbund von beiden bestand. Es wurde gezeigt, dass diese Triboschicht einzelne Nanokristalle enthält, die die gleiche Größe wie Verschleißpartikel aufweisen. Die TEM- und AFM-Analyse von Verschleißpartikeln sowie potentio-dynamische Polarisationstests an mit einem Tribofilm bedeckten Oberflächen lassen den Schluss zu, dass Partikel durch eine Hülle aus zersetztem organischem Material geschützt sind. Diese Partikel sind stark pyrophor, was schließlich zu einer Oxidation führt, die durch Entfernen der Schutzhülle beschleunigt wird. Während dieser Arbeit wurde eine Inkonsistenz der Mikrostruktur der geschmiedeten und gegossenen CoCrMo-Legierung beobachtet. Dies spiegelte sich insbesondere in Art, Größe und Verteilung der harten Phasen wider. Es wird vermutet, dass die Mikrostruktur eine Schlüsselrolle bei der Ermöglichung und Aufrechterhaltung eines vorteilhaften Tribofilms spielt, indem sie den Verschleiß von drei Körpern verhindert.

Das neu gewonnene Wissen über Veränderungen unter der Oberfläche, Tribofilmbildung und die Mikrostruktur der Legierung inspirierte weitere Entwicklungen zur Verbesserung der Metall-auf-Metall-Hüftgelenke und zur Minimierung der Bildung von Verschleißteilen. Daher ist eine homogene Mikrostruktur erforderlich, um die Einführung von Dreikörperverschleiß zu vermeiden. Es müssen optimale Entwurfsparameter festgelegt werden, die die Bildung eines Tribofilms ermöglichen. Neben der Einstellung des optimalen radialen Spiels und der Rauheit muss der Fertigungssequenz eine Untergrundkonditionierung hinzugefügt werden, um vorteilhafte Änderungen unter der Oberfläche zu beschleunigen und damit die Partikelemission während des Einlaufens zu minimieren. Ferner hat diese Studie gezeigt, dass die chemische Zusammensetzung und Struktur eines Partikels, das aus einer CoCrMo-Legierung stammt, in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen es erzeugt wurde, stark unterschiedlich sein kann. Um zu verstehen, warum bestimmte Metall-auf-Metall-Hüftgelenke versagen und wie sich die Partikelerzeugung auf ihre Langlebigkeit auswirkt, ist eine Untersuchung der Partikelmenge und -art erforderlich.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Robin Pourzal

Einfluss der Kaltverformung auf das Ermüdungsverhalten von austenitischen hochinterstitiell legierten Stählen

Die Kombination von bereits bekannten und neuen Erkenntnissen erweitern den Wissensstand für funktionelle Werkstoffe, die komplexen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Die besonders guten mechanischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften von austenitischen hochinterstitiell legierten Stählen (AHIS) machen diese zu funktionellen Werkstoffen und sind der Grund für den vielfältigen Einsatz in verschiedenen Bauteilen und Anwendungsgebieten.

Für die konstruktive Auslegung von Bauteilen spielen insbesondere die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe eine wichtige Rolle. Während AHIS im lösungsgeglühten Zustand die quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften von konventionellen FeCrNi-Austeniten deutlich übertreffen, gilt dies im kaltverfestigten Zustand lediglich für die quasistatischen mechanischen Eigenschaften. Die Steigerung der mechanischen Festigkeit mittels Kaltverformung ist bei AHIS für die quasistatischen mechanischen Eigenschaften förderlich, jedoch nicht für die zyklischen Eigenschaften wie z. B. die Dauerfestigkeit. Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von Kaltverformung auf die zyklischen mechanischen Eigenschaften von AHIS zu erklären.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden AHIS im kaltverformten Zustand mit interstitiellen Legierungsanteilen (C+N-Gehalt) von 0,85 – 1,07 Gew% untersucht.
Die Kaltverformung erfolgte über definiertes Längsrecken der Proben. Mit Hilfe von quasistatischen Zugversuchen und totaldehnungskontrollierten uniaxialen Zug-Druck-Ermüdungsversuchen konnten die quasistatischen und zyklischen mechanischen Eigenschaften der untersuchten AHIS gemessen werden. Anschließend wurden die beanspruchten Proben im Lichtmikroskop, REM (EBSD) und TEM untersucht.

Die quasistatischen Festigkeiten der untersuchten AHIS wurden mittels Kaltumformung sowie steigenden interstitiellen Legierungsanteilen C+N erhöht. Entgegen der quasistatischen mechanischen Eigenschaften im kaltverformten Zustand, wurden mit erhöhtem interstitiellen C+N-Gehalt die zyklischen mechanischen Eigenschaften der AHIS verschlechtert. Die ausgeprägte Versetzungs- sowie Mischkristallverfestigung der AHIS Werkstoffe im kaltverformten Zustand führt zu einer hohen Anzahl an Sekundärrissen an der Probenoberfläche und im Probeninneren. Auffällig ist, dass viele Sekundärrisse entlang von persistenten Lüdersbändern zu erkennen sind.

Auch wenn die zyklischen mechanischen Eigenschaften von AHIS mittels Kaltverformung nicht deutlich verbessert werden können, wird die Robustheit gegenüber Schäden erhöht. Die hohe Anzahl an Sekundärrissen führt zur Entspannung und Rissverzweigung in den AHIS und somit zu einer verlängerten Lebensdauer im Bauteil.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Sedat Güler

Einfluss von Mn und N auf die Rissausbreitungsmechanismen in austenitischen Stählen

Kaltverfestigung führt bei konventionellen Ni-legierten austenitischen Stählen zur Erhöhung der Bruchlastspielzahlen im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich, während bei hoch-N-haltigen austenitischen Stählen lediglich die Bruchlastspielzahlen im Zeitfestigkeitsbereich zunehmen, die Dauerfestigkeit sich jedoch nur unwesentlich ändert. Die Gründe müssen in den Verformungsmechanismen (wellige vs. ebene Gleitung) unter zyklischer Belastung liegen, die sich deutlich unterscheiden und die u.a. von der Stapelfehlerenergie, den Nahfeldwechselwirkungen zwischen substitutierenden und interstitiellen Atomen im Mischkristall und der Dichte der freien Elektronen auf den Gleitebenen abhängen.

Ziel des Projekts ist es, dieses zu untersuchen und mit den zyklischen mechanischen Eigenschaften zu korrelieren. Hierfür werden austenitische CrNiMoC-, MnC-, CrNiMoN- und CrMnMoN-Stähle bzgl. der zyklischen mechanischen Eigenschaften (Rissbildung, -ausbreitung) zunächst im lösungsgeglühten Zustand untersucht. Daran schließen sich mikrostrukturelle Analysen der last- und dehnungsabhängigen Veränderungen des Gefüges im REM mittels EBSD und TEM an.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Michael Schymura

The Divergent Pathways and Mechanisms of Energy Dissipation at the Interfaces of Martensitic Tribocouples

Steigende Anforderungen an technische Systeme, welche Reibung und Verschleiß ausgesetzt sind, führen dazu, dass die eingesetzten Bauteile höheren Belastungen ausgesetzt sind. Abgesehen von möglichen Sicherheitsrisiken, führen Ausfälle tribologischer Systeme zu erheblichen Instandhaltungskosten. Das Fehlen zuverlässiger Modelle zur Vorhersage des Verschleißverhaltens bedingt den Einsatzt von Tribometerversuchen um das Verschleißverhalten von Werkstoffen und die Schmierungsbedingungen zu untersuchen. Dabei setzt die gezielte Optimierung tribologischer Kontakte ein umfangreiches Verständnis der Verschleißprozesse voraus. Die Wahl der verwendeten Belastungen, Schmierungszustände und Werkstoffe vieler tribologischer Versuche führte jedoch dazu dass die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf technische Anwendungen kaum geben ist.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Proben mit unterschiedlichen Oberflächentopographien und oberflächennahen Gefügestrukturen vor und nach tribologischen Versuchen analysiert. Die Verschleißversuche sind bezüglich der Werkstoffeigenschaften, sowie der Schmierungs- und Belastungszustände unter anwendungsnahen Bedingungen durchgeführt worden. Die Analyse der Oberflächen und oberflächennahen Bereiche wurde mit Hilfe komplementärer mikroskopischer Methoden, wie EBSD und TEM, durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden anschließend mit dem Reibungs- und Verschleißverhalten korreliert um Informationen über Energiedissipation und dissipative Mechanismen in den jeweiligen Tribosystemen zu erlangen. Dabei zeigte sich, dass das Vorhandensein eines feinkörnigen Bereichs an der Oberfläche einen positiven Effekt auf die Anpassungsfähigkeit der Kontaktflächen und die Robustheit des Tribosystems zu haben scheint. Zusätzlich wurden Verschleißpartikel analysiert und verschiedene Mechanismen der Partikelentstehung diskutiert.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Priska Stemmer

The influence of surface finish on the localized dissipation of frictional power at ultra-mild wear

Tribological systems are subjected to a steady decrease of friction and wear due to ecological and economical requirements. These guidelines can change the tribological loads and, therefore, result in more severe conditions. The need for maintaining wear as low as possible towards ultra-mild wear rates an integral approach is needed, which has to regard the contact conditions, surface topography, near and sub-surface physical properties. The ultra-mild sliding wear rates, in the order of some nanometers per hour, are desired for example for gears of wind turbines, valve and drive train components, and artificial hip joints to maintain or increase service life time and sustainability. These small wear rates imply a non-linear characteristic of wear, because the amount of wear per load cycle falls below the inter-atomic distances of (technical) materials and consequently can not be a continuous process anymore. Here highly localized effects of dissipated friction energy govern the acting wear mechanisms and alterations of tribosystems, which are still not quantified on the micro- and nano-scale. However today mostly empirically determined wear factors are used to calculate the amount of wear for a given tribological load and hence material failure on those scales can not be predict. This technical matter is complicated by the fact that classical investigations of wear like weighing and micro structural analysis are difficult at the scale and extent of occurring wear appearances within the ultra-mild wear regime. Combined wear tests, micro structural analysis and numerical calculations are presented for the individual analysis of the material response to tribological loads. If a quantification of the failure sequence succeeds on those scales, new design guidelines could be developed, in order to further increase the service life time and predict failure modes more precisely.

Forschungsgebiet: Werkstoffkunde

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Stickel

Mikrostruktur und Eigenschaften von reibauftraggeschweißten Werkstoffen

Beim Reibauftragschweißen handelt es sich um ein bisher weitgehend unbekanntes Festphasen-Fügeverfahren, bei dem metallische Schichten aufgetragen werden. Die aufgetragenen Werkstoffe erreichen beim Prozess kurzzeitig Temperaturen knapp unterhalb des Schmelzpunktes und weisen hohe Umformgrade bei hohen Umformgeschwindigkeiten auf. Aus dem Zusammenwirken dieser Beanspruchungen bei der Verarbeitung resultieren einzigartige Materialeigenschaften, welche u.a. auf eine Homogenisierung und Feinung des Gefüges zurückzuführen sind. Die Mechanismen, welche zu diesem besonderen Gefügezustand führen (z.B. dynamische Rekristallisation), sind im Falle des Reibauftragschweißens noch nicht näher untersucht, und unterscheiden sich für verschiedene Werkstoffe (Aluminium, Kupfer, Stähle...) signifikant.

Im Zuge dieser Dissertation werden mittels einer Kombination mechanischer Tests (z.B. Untersuchung der Verschleißbeständigkeit) und mikroskopischer Untersuchungen (z.B. Untersuchung des Rekristallisationszustands durch EBSD am Raster-Elektronen-Mikroskop) Zusammenhänge von Gefüge und Materialeigenschaften reibauftraggeschweißter Werkstoffe untersucht und analysiert.

Forschungsgebiet: Werkzeugbau

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Stefanie Hanke

Verschleiß von kraftstoffgeschmierten Stahl-Stahl-Paarungen unter multidirektionaler reversierender Gleitbewegung

Das Verschleißverhalten eines Modellsystems in Kugel-Scheibe Geometrie unter reversierender Gleitbeanspruchung mit einer überlagerten, lateralen Störschwingung wurde analysiert. Um den Einfluss von Verschleißpartikeln im Kontakt zu untersuchen, wurde eine Vorrichtung zum Spülen der Kontaktfläche mit dem Schmiermittel während des Versuchsablaufs eingesetzt. Die Oberflächen der Scheiben waren unidirektional auf unterschiedliche Rauheiten geschliffen, während die Kugeln im polierten Zustand vorlagen.

Wurden die Verschleißpartikel in der Kontaktfläche belassen, trat ein sprunghafter Anstieg des Verschleißes bei einer spezifischen Amplitude der lateralen Störschwingung auf. Mit Spülung wurde eine kontinuierliche Veränderung festgestellt. Ein Verschleißmodell wurde erarbeitet und verifiziert, anhand dessen die maximal zulässige Amplitude der Störschwingung in Abhängigkeit von der Oberflächentopographie und der Verschleißpartikelgröße berechnet werden kann, unterhalb derer das System einen milden Verschleiß aufweist.

Dissertation: Dr.-Ing. Ingo Samerski

Mikrostruktur, Gleitverschleiß und Korrosionseigenschaften von hochstickstoffhaltigem Martensitischem Stahl

Stichworte: Martensitische Stickstoffstähle, Mikrostruktur, Tribologie, Korrosion, Restaustenit, Wärmebehandlung

Diese Arbeit wendet sich an Ingenieure und Wissenschaftler der Werkstoff- und Materialtechnik. Das Hauptanliegen dieser Arbeit war die Bestimmung des Verschleißverhaltens und der Verschleißmechanismen sowie der Korrosions­eigenschaften von hochstickstoffhaltigen martensitischen Stählen. Material und Mikrostruktur wurden in verschiedenen Stadien der Wärmebehandlung untersucht. Die entsprechenden Parameter variieren in Härte- und Glühtemperatur, was zu verschiedenen Restaustenitgehalten führt. Die Anwesenheit von Restaustenit spielt eine entscheidende Rolle bei der Mikrostrukturentwicklung, die ihrerseits einen Einfluss auf Korrosion und Verschleiß des Materials hat. Die Proben aus dem reversierenden Gleitverschleiß-Versuch in jedem Wärmebehandlungszustand wurden im Hinblick auf Verschleißmechanismen, Korrosion und Mikrostrukturentwicklung untersucht. Mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie und einer speziellen Querschliff- Präparationstechnik war es möglich, die Oberfläche und die darunter liegenden Bereiche des verschlissenen sowie des unverschlissenen Materials zu untersuchen und Erkenntnisse über Art- und Kristallstruktur der Ausscheidungen und deren Orientierungsbeziehung zur Matrix zu gewinnen.

Dissertation: Dr.-Ing. Anna Runiewicz

Einfluss der Wenigkristallinität auf das Verformungsverhalten von Werkstoffen und Bauteilen der Medizintechnik

Stichworte: Stickstoffstähle, Wenigkristalle, Oligokristalle, Mikrostruktur, Mikrotextur, Ermüdung, Elektronenmikroskopie, EBSD- Analyse, Orientierungsmapping, koronare Stents

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung der Mikrostruktur und Mikrotextur von in der Medizintechnik verwendeten Stählen. Am Beispiel ausgewählter austenitischer Stähle wurde der Einfluss des Stickstoffgehaltes auf die Mikrostruktur­entwicklung unter statischer und zyklischer Beanspruchung untersucht. Besondere Berück­sichtigung fand dabei die Verwendung dieser Werkstoffe in wenigkristalliner Form im Bauteil „koronarer Stent". Im Hinblick auf ein konstruktionsbedingtes Auf­treten von kompliziert geformten wenig­kristallinen Struk­turen müssen, über die reinen Werkstoffkenn­werte und die Biokompatibilität hinaus, die Anisotropie der einzelnen Kristallite, deren nächste Nachbar­schaf­ten und der undefinierte Spannungszustand bei der Analyse mit berücksichtigt werden. Hierzu werden überwiegend Ergebnisse aus elektronen­mikrosko­pischen Untersuchungen sowie Orientierungsanalysen genutzt.

Habilitationsschrift: Priv.-Doz. Dr.Ing.habil. Sabine Weiß

Mechanische Eigenschaften wenigkristalliner Strukturen

Stichworte: Koronarstent, Wenigkristall, Oligokristall, Mechanische Eigenschaften, Dilatation, Ermüdung, Draht, Zugversuch, Korngrößen-Durchmesser-Verhältnis

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung mechanischer Eigenschaften wenigkristalliner Strukturen am Beispiel ballonexpandierbarer koronarer Stents und dünner Drähte. Das Dilatationsverhalten verschiedener beschichteter und unbeschichteter Stents wird an Luft und in Ringerlösung untersucht und ein verbessertes Verfahren zur Ermüdungsuntersuchung vorgestellt. Ergänzt werden die Untersuchungen durch eine Bewertung der Mikrostruktur und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Die Eignung der zur Charakterisierung der Implantate eingesetzten Verfahren wird kritisch diskutiert und es werden, sofern möglich, praktische Verbesserungen angeregt. Im zweiten Teil der Arbeit wird die quasistatische mechanische Prüfung von Drähten verschiedener Werkstoffe mit einem Durchmesser von 100 mm und 300 mm und verschiedenen Korngrößen-Durchmesser Verhältnissen im Hinblick auf den Übergang vom viel- zum wenigkristallinem Verhalten  beschrieben. Es wird sowohl auf die Prüftechnik als auch die Eigenschaften der Drähte in Anhängigkeit von der Mikrostruktur eingegangen.

Dissertation: Dr.-Ing. Andreas Meißner

Untersuchungen zum zyklischen Verformungsverhalten des hochstickstofflegierten austenitischen Stahles X13CrMnMoN18-14-3(1.4452)

Im Rahmen der Arbeit wird das Ermüdungsverhalten des Stahles X13CrMnMoN18-14-3 im lösungsgeglühten und kaltverformten Zustand unter simulierten Körperbedingungen beschrieben. Bei dem untersuchten Stahl handelt es sich um einen nickelfreien hochstickstoffhaltigen austenitischen Edelstahl, der sich durch ein besonders günstiges Zusammenwirken von Festigkeit, Zähigkeit, Nichtmagnetisierbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet, und als Implantatwerkstoff eingesetzt werden könnte. Als Alternative zu nickelhaltigen Implantatwerkstoffen ist er gegenüber Titan- und Cobaltbasislegierungen eine besonders kostengünstige Lösung.

Das Versuchsprogramm gliedert sich in mechanische Beanspruchung der Proben bis zum Bruch oder bis zu bestimmten Zuständen und die entsprechend nachfolgende Präparation zur mikrostrukturellen Untersuchung.

Hierbei werden die Axial- und Umlaufbiegeversuche an Luft und Ringerlösung durchgeführt.

Die Mikrostrukturellen Untersuchungen beinhalten licht-, raster-, und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen.

Dissertation: Dr.-Ing. Ilya Tikhovskiy

Gefügeumwandlung und Partikelbildung in künstlichen Metall/Metall-Hüftgelenken

Hüftendoprothesen aus CoCrMo Guss- und Schmiedlegierungen weisen seit vielen Jahren sehr hohe Lebensdauern und geringen Verschleiß auf. Dies ist aufgrund der artgleichen Paarung und vorliegenden Grenz- bzw. Mischreibung nicht zu erwarten.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die genau Mechanismen die zur Bildung eine nano-kristallinen Oberflächenschicht und der Zusammenhang zu kleinen Verschleißraten untersucht. Hierzu wurden mittels TEM unterschiedlich oberflächennahe Bereiche charakterisiert. Es stellte sich heraus, dass die Größe von Verschleißpartikeln der Korngröße innerhalb der in-situ gebildeten nano-kristalllinen Schicht entspricht. Aufgrund der vorliegenden Verschleißraten und der niedrigen Stapelfehlerenrgie von CoCrMo wurde so gezeigt, dass Verschleißpartikel nur innerhalb dieser Schicht entstehen.

Dissertation: Dr.-Ing. Robin Büscher

Verschleiß und Ermüdungsverhalten von kurzzeitlaser-wärmebehandelten, hochstickstofflegierten Kaltarbeitsstählen

Hochstickstofflegierte, martensitische Kaltarbeitsstähle (martensitic high nitrogen steels, MHNS) bieten gegenüber konventionellen Kaltarbeitsstählen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und gewährleisten gleichzeitig eine vergleichbare oder bessere Verschleißbeständigkeit, sowie Zeit- und Dauerfestigkeit. Diese Eigenschaften können dem Stickstoff entweder direkt oder der durch diesen begünstigten, feineren Verteilung der Ausscheidungen zugeschrieben werden.

Der hier untersuchte Werkstoff X30CrMoN15-1 wird seit mehreren Jahren in Bauteilen, unter anderem der Luft- und Raumfahrtindustrie, eingesetzt.

Um die Eigenschaftskombination aus Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, sowie Zeit- und Dauerfestigkeit weiter zu optimieren, wird entsprechend der Herstellerempfehlung ein hoch angelassener (620°C) Ausgangszustand mit für einen Kaltarbeitsstahl hoher Zähigkeit eingestellt. Eine Kurzzeitwärmebehandlung der Oberfläche mittels Laser führt zu einer neuerlichen Härtung der Oberfläche, was insbesondere die Verschleißbeständigkeit erhöht. Überdies bilden sich Druckeigenspannungen in der Oberfläche aus, die einen positiven Effekt auf die Ermüdungseigenschaften erwarten lassen. Neben der neuerlichen martensitischen Härtung bewirkt die Laserbehandlung Änderungen der Ausscheidungsmorphologie:

Nitride werden teilweise aufgelöst, was den Gehalt an gelöstem Stickstoff und Chrom erhöht und die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Dissertation: Dr.-Ing. Martin Heitkemper

Verschleiß und Ermüdungsverhalten von kurzzeitlaser-wärmebehandelten, hochstickstofflegierten Kaltarbeitsstählen

Hochstickstofflegierte, martensitische Kaltarbeitsstähle (martensitic high nitrogen steels, MHNS) bieten gegenüber konventionellen Kaltarbeitsstählen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und gewährleisten gleichzeitig eine vergleichbare oder bessere Verschleißbeständigkeit, sowie Zeit- und Dauerfestigkeit. Diese Eigenschaften können dem Stickstoff entweder direkt oder der durch diesen begünstigten, feineren Verteilung der Ausscheidungen zugeschrieben werden.

Der hier untersuchte Werkstoff X30CrMoN15-1 wird seit mehreren Jahren in Bauteilen, unter anderem der Luft- und Raumfahrtindustrie, eingesetzt.

Um die Eigenschaftskombination aus Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, sowie Zeit- und Dauerfestigkeit weiter zu optimieren, wird entsprechend der Herstellerempfehlung ein hoch angelassener (620°C) Ausgangszustand mit für einen Kaltarbeitsstahl hoher Zähigkeit eingestellt. Eine Kurzzeitwärmebehandlung der Oberfläche mittels Laser führt zu einer neuerlichen Härtung der Oberfläche, was insbesondere die Verschleißbeständigkeit erhöht. Überdies bilden sich Druckeigenspannungen in der Oberfläche aus, die einen positiven Effekt auf die Ermüdungseigenschaften erwarten lassen. Neben der neuerlichen martensitischen Härtung bewirkt die Laserbehandlung Änderungen der Ausscheidungsmorphologie:

Nitride werden teilweise aufgelöst, was den Gehalt an gelöstem Stickstoff und Chrom erhöht und die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Dissertation: Dr.-Ing. Martin Heitkemper

Mechanisches Verhalten koronarer Stents

Stichworte: Koronarstent, Dilatation, Kompression, Ermüdung, Biegung, Mikrostruktur, Versetzungen, Korrosion, Metallionen

Die Einführung von Stents stellt einen Meilenstein in der interventionellen Kardiologie dar. Dennoch ist der Therapieerfolg einer Stentimplantation durch die Restenoserate limitiert. Der Ablauf und die Gründe einer Restenose werden in unterschiedlichen Zusammenhängen diskutiert, die sich fast ausschließlich auf medizinisch-biologische Gebiete konzentrieren. Die vorliegende Arbeit liefert eine erste umfassende Darstellung der mechanischen Eigenschaften unter überlagerter chemischer Belastung. Die werkstoffkundlichen Einflüsse verschiedener ballonexpandierbarer metallischer koronarer Stents auf das Auftreten und den Ablauf einer Restenose werden von mikroskopischen Untersuchungen begleitet. Dabei stehen die Änderungen der Mikrostruktur durch Dilatation im Vordergrund. Eine zusätzliche Darstellung der zugehörigen biologischen Prozesse soll die unerlässliche fachliche Kommunikation zwischen anwendenden Kardiologen, Werkstoffingenieuren, Grundlagenforschern und Stentproduzenten fördern.

Dissertation: Dr.-Ing. Holger Brauer

Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten des kaltumgeformten austenitischen Implantatwerkstoffes X2CrNiMo18-15-3 - 1.4441

Im Rahmen der Arbeit wird das Ermüdunsgverhalten des für orthopädische Implantate eingesetzten austenitischen Stahles X2CrNiMo18-15-2 im lösungsgeglühten und kaltumgeformten Zustand unter simulierten Körperbedingungen beschrieben. Hierzu wird der Werkstoff in Form von Ermüdungsproben in Axial-Zug-Druck- und Umlaufbiegeversuchen beansprucht.

Das Versuchsprogramm gliedert sich in mechanische Beanspruchung der Proben bis zum Bruch oder bis zu bestimmten Zuständen und die entsprechend nachfolgende Präparation zur mikrostrukturellen Untersuchung.

Hierbei werden die Axial- und Umlaufbiegeversuche an Luft und Ringerlösung durchgeführt. Zusätzlich finden Axialversuche in Ringerlösung mit überlagerter Reibbeanspruchung statt.

Die Mikrostrukturellen Untersuchungen beinhalten licht-, raster-, und transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen.

Dissertation: Dr.-Ing. Peter Göbbeler

Zyklisches Verformungsverhalten und Mikrostruktur von Sintereisen und ausgewählten Sinterstählen

Die Pulvermetallurgie gewinnt in der technischen Praxis zunehmend Bedeutung, weil kompliziert geformte Bauteile in wenigen Verfahrensschritten - Pulverherstellung, Pressen und Sintern - endkonturnah oder sogar in den vorgegebenen Toleranzen hergestellt werden können. Teure Zerspannungsarbeit wird dadurch weitestgehend vermieden, der Materialverbrauch sinkt, die Produktionszeiten werden kürzer und die Produktionslinie kleiner. Gemeinsam ist allen Massenformteilen aus Sinterstahl, dass sich vor allem ihre zyklische Eigenschaften deutlich von denen entsprechender schmelzmetallurgischen erzeugter Bauteile unterscheiden, weil das Gefüge zusätzliche Inhomogenitäten in Form von Poren, oxidischen Einschlüssen und signifikanter Konzentrationsgradienten der Legierungselemente aufweist. Es ist daher technisch notwendig, das zyklische Verformungsverhalten bei hohen Lebensdauern auf mikrostruktureller Basis zu klären. Nur auf dieser Grundlage sind die Entwicklung neuer verbesserter Werkstoffe und die Ermittlung wichtiger Prozessparameter für die Herstellung möglich.

Dissertation: Dr.-Ing. Gerhard Biallas

Isothermes Hochtemperaturermüdungsverhalten des Stahles X22CrMoV12-1

Die industrielle, technische und zivilisatorische Entwicklung ist auf das Engste mit den verfügbaren Energiequellen und insbesondere mit der Bereitstellung elektrischer Energie verbunden. Über die Bereitstellung der Energie hinaus werden heute Aspekte ökonomischer und ökologischer Natur stetig wichtiger. Ein großes Einsparpotential bietet die Erhöhung der Anlagenwirkungsgrade. In Kraftwerken ist die Erhöhung der Frischdampftemperatur thermodynamisch am wirkungsvollsten, wobei eine Erhöhung um 20 - 30°C von 570 bzw. 580 auf 600°C den Wirkungsgrad um 6-8% steigert. In konventionellen Kraftwerken werden für thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Komponenten warmfeste ferritische 9-12% Chromstähle mit hoher Zeitstandfestigkeit und guter Zunder- und Korrosionsbeständigkeit eingesetzt. Aktuelle Entwicklungen zielen auf die Ausweitung der Einsatzbereiche dieser Stähle bis 600°C ab. Mit der vorliegenden Arbeit soll eine breite und fundierte Basis für eine sichere und zuverlässige Bewertung des isothermen Ermüdungsverhalten des Stahls X22CrMoV121 im Temperaturbereich 20°C <= T <= 650°C geschaffen werden. Die Charakterisierung des Wechselverformungsverhaltens und die Erfassung der im Werkstoff während zyklischer Beanspruchung ablaufenden mikrostrukurellen Veränderungen stehen dabei im Vordergrund.

Dissertation: Dr.-Ing. Thomas Petersmeier

Verschleiß von kraftstogeschmierten Stahl-Stahl-Paarungen unter multidirektionaler reversierender Gleitbewegung

Ansprechpartner: Dr. -Ing. Ingo Samerski

Selbstschärfende Schneidwerkzeuge für abrasive Schnittgüter : eine bionische Entwicklung

Diese Dissertation dokumentiert, wie das natürliche tribologische Prinzip des Schneidens auf technische Schneidwerkzeugkonzepte übertragen werden kann. Vorbilder sind Zähne, welche durch abrasive Nahrung starkem Verschleiß ausgesetzt sind. Zur Übertragung in die Schneidtechnik wurden biologische Prinzipien abstrahiert und das heute gültige Werkstoffkonzept grundlegend überarbeitet: Verschleiß wird gelenkt und nicht mehr vermieden – mit erstaunlichen Konsequenzen für die Energie- und Materialeffizienz von technischen Schneidsystemen.

Ansprechpartner: Dr. -Ing. Marcus Rechberger

Neuartiger Ansatz zur Untersuchung des tribologischen Systems Ventilspindel/Sitzring für Großgasmotoren

Die technische Entwicklung von Großgasmotoren in den Bereichen Marine, Lokomotive und insbesondere Kraftwerk hat zu mechanischen Wirkungsgraden von über 50 % geführt, wodurch das tribologische System Ventilspindel/Sitzring an den Grenzen seiner Funktionsfähigkeit eingesetzt wird. Problemverschärfend wirkt eine zunehmend strengere Abgasgesetzgebung. Hocheffiziente Großgasmotoren werden im Systemverbund mit neuen Technologiekonzepten als potenzieller Ansatz für einen emissions- und kostenreduzierten Betrieb gesehen. Die steigenden Zünddrücke, höheren Temperaturen und reduzierten Verbrennungsrückstände bewirken aufgrund neuartiger Betriebsbedingungen einen hohen Ventilverschleiß mit vorzeitigem Funktionsausfall. Das tribologische Verhalten der Paarung Ventilspindel/Sitzring ist nach Quellenlage aus den Bereichen Automotive und Heavy-Duty bekannt. Als wichtigste Einflussfaktoren auf den Ventilverschleiß wurden die beiden Phasen Ventilschließen und Verbrennungsdruck bestimmt. Hingegen sind für den Bereich Großgasmotor, außer vom Autor selbst, bislang keine wissenschaftlichen Arbeiten dokumentiert. Darüber hinaus fehlt eine Zuordnung der eigenschaftsbestimmenden Verschleißmechanismen sowie der Verschleißanteile am Gesamtventilverschleiß für die beiden Phasen Ventilschließen und Verbrennungsdruck. Die vorliegende Dissertation betrachtet die Entwicklung, Konstruktion und den Aufbau eines neuartigen Ventilverschleißprüfstands zur getrennten experimentellen Simulation der Phasen Ventilschließen und Verbrennungsdruck für Großgasmotoren. Zu diesem Zweck wurden im ersten Schritt Ventilspindeln mit unterschiedlicher Laufzeit aus demselben Typ Großgasmotor mikrostrukturell und chemisch untersucht. Die Untersuchung der tribologisch beanspruchten Randschichten diente zur Analyse der Verschleißmechanismen und der Validierung des Prüfstands in Bezug auf die eigenschaftsbestimmenden Verschleißmechanismen. So konnten aus den ersten Versuchsreihen zum Einfluss von Ventilschließen und Verbrennungsdruck bei 380 °C an Luft gleich neue Erkenntnisse gewonnen werden. Die Versuche bestätigen den signifikanten Einfluss von Schließgeschwindigkeit und Verbrennungsdruck auf den Ventilverschleiß. Als neue Erkenntnisse konnten eine größere Zunahme des Sitzringverschleißes im Vergleich zur Ventilspindel unter Ventilschießen und eine Abnahme des Ventilspindelverschleißes um ca. 30 % trotz einer Steigerung des Verbrennungsdrucks von 140 auf 180 bar gewonnen werden. Dieser Verschleißrückgang mit steigender Last bedeutet, dass die mechanisch-dominierten Verschleißmechanismen unter Ventilschließen durch chemisch-dominierte unter Verbrennungsdruck überlagert werden. Ferner konnten die beiden Verschleißmechanismen Adhäsion mit Werkstoffübergang und Oberflächenzerrüttung mit dem Untermechanismus Delamination beiden Belastungsphasen zugeordnet werden. Die Verschleißraten beider Phasen waren ähnlich groß. Als vierte, wichtige und neue Erkenntnis folgt, dass das Ventilschließen zur Bewertung des Systemverhaltens wichtiger ist als der Verbrennungsdruck. Diese neuen Erkenntnisse, die beispielhaft mit den Werkstoffen Stellite™ 12 bei der Ventilspindel und Pleuco 12 MW beim Sitzring untersucht wurden, können jetzt als belastbare Ansatzpunkte für weitere Parameterstudien und Werkstoffentwicklungen genutzt werden.

Ansprechpartner: Dr. -Ing. Oliver Lehmann, Märkische Werke Halver

Untersuchung des Zusammenhangs von Struktur und Eigenschaften von in fester Phase geschweißten Titan-Matrix-Verbundwerkstoffen (Ti6Al4V + 10 Gew.-% TiC)

Mit TiC verstärkte Ti6Al4V metallische Verbundwerkstoffe weisen eine hervorragende gewichtsspezifische Festigkeit auch bei höheren Temperaturen auf. Trotzdem hängt die erfolgreiche industrielle Einführung dieser partikelverstärkten Werkstoffe hauptsächlich von der Verfügbarkeit eines geeigneten Fügeverfahrens ab. Da es beim Einsatz von Schmelzschweißverfahren zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Verstärkungsmaterial kommen kann, eignen sich Fügeverfahren in fester Phase wie z.B. das Diffusionsschweißen und das Rotationsreibschweißen grundsätzlich besser.

In dieser Arbeit wurden Mikrostruktur und mechanische Eigenschaften, sowie deren Wechselwirkungen, von mittels Rotationsreib- und Diffusionsschweißverfahren gefügten Verbundwerkstoffen untersucht und analysiert. Zu diesem Zweck wurden metallographische Untersuchungen von Grundwerkstoff und Fügeverbindung, sowie Zug-, Mikroflachzug- und Bruchzähigkeitsversuche durchgeführt.

Forschungspartner: Geesthacht, GKSS-Forschungszentrum

Dissertation: Dr.-Ing. Antonio Augusto Monaco da Silva

Herstellung und Bewertung der Umformbarkeit von reibrührgeschweißten Tailored Blanks aus Aluminiumlegierungen.

Die Forderung nach sparsameren Fahrzeugen führte zu einem intelligenten Umgang mit Werkstoffen durch die Einführung der TWB-Technologie (Tailored Welded Blanks) im Automobilbau. Die Substitution von Stahlwerkstoffen durch Aluminium bietet zusätzliche Vorteile. Hauptgründe für den zögerlichen Einsatz von TWBs aus Aluminium sind die beim Schmelzschweißen auftretenden Probleme und das Risiko für Schweißfehler. Dieser Problematik kann durch den Einsatz des Rührreibschweißens (RRS) begegnet werden. Grundlage dieser Dissertation sind TWBs aus den Legierungen EN AW-5754-H22 und EN AW-6181-T4, welche in der Dickenkombination 1 auf 2 mm und mit Schweißgeschwindigkeiten von bis zu 10m/min gefertigt wurden.

Speziell die Auswirkungen der RRS-Parameter auf die Umformeigenschaften der TWB wurden mittels einachsigem und Kerbzugversuch, sowie Nakazima- und Tiefziehversuch untersucht.

Geesthacht: Geesthacht, GKSS-Forschungszentrum

Dissertation: Dr.-Ing.Shahram Sheikhi