Einfluss der Wärmebehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit des martensitischen nichtrostenden Stahls M.Sc.

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1 Einfluss der Wärmebehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit des martensitischen nichtrostenden Stahls M.Sc. Martin Babutzka Betreuer der Masterarbeit: Jun.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Heyn Dipl.-Ing. Paul Rosemann Forschungsseminar des MDZWP 27. März 2014, Magdeburg

2 Ausgangssituation Werkstoffgruppe für die Klingen von Kochmessern: martensitische nichtrostende Stähle Besonderheiten des martensitischen Messerstahls (X50CrMoV15) erhöhter Kohlenstoffgehalt (Härtbarkeit) Chromgehalt über 12 % (Korrosionsbeständigkeit) Bildung von Sonderkarbiden (Chromkarbide, Chromverarmung) Karbidbildung geht mit Chromverarmung der Karbidrandbereiche einher mögliche Keimstellen für Korrosionserscheinungen / Lochkorrosion Wärmebehandlung (Austenitisieren, Abschrecken, Anlassen) beeinflusst Karbidauflösung und Neuausscheidung der Karbide und somit die Korrosionsbeständigkeit der martensitischen nichtrostenden Stähle 2

3 Vorgehensweise Untersuchung der Ursache der Lochkorrosion an Messerklingen: chromverarmte Bereiche um die Sonderkarbide Auswahl und Anwendung einer geeigneten Untersuchungsmethode Charakterisierung des Ausgangsmaterials Variation kritischer Parameter durch gezielte Wärmebehandlung: Variation der Austenitisierungsdauer Variation des Abschreckmediums beim Härten Variation von Anlasstemperaturen und zeiten Ziele der Untersuchungen: Korrosionsbeständigkeit Wärmebehandlung Aussagen über die Kinetik der Karbidauflösung und ausscheidung Detektion des kritischen Wärmebehandlungsschrittes Erstellung eines Korrosionsanfälligkeitsschaubildes nach dem Anlassen 3

4 Untersuchungsmethode: EPR-Test EPR = Elektrochemische Potentiodynamische Reaktivierung Anpassung des EPR-Tests an die martensitischen nichtrostenden Stähle notwendig Prüfelektrolyt: 0,1 M H 2 SO 4 Verwendung einer Aufsatzmesszelle und typischer 3-Elektrodenanordnung Polarisationsgeschwindigkeit von 2 mv/s, Wendepotential bei 100 mv vs. Ag/AgCl 4

5 Stromdichte i [ma/cm Prinzip des EPR-Tests durch Potentiostaten erfolgt Passivierung der Probenoberfläche und Reaktivierung von Fehlstellen der Passivschicht (Cr-verarmte Bereiche neben Karbiden) gemessene Ströme liefern Aussage zu Korrosionsvorgängen an der Oberfläche Matrix Karbid chromverarmter Bereich Potential E [mv E [mv vs. vs. Ag/AgCl] 5

6 Stromdichte i [ma/cm Prinzip des EPR-Tests durch Potentiostaten erfolgt Passivierung der Probenoberfläche und Reaktivierung von Fehlstellen der Passivschicht (Cr-verarmte Bereiche neben Karbiden) gemessene Ströme liefern Aussage zu Korrosionsvorgängen an der Oberfläche Matrix Karbid chromverarmter Bereich Potential E [mv E [mv vs. vs. Ag/AgCl] 6

7 Stromdichte i [ma/cm Prinzip des EPR-Tests durch Potentiostaten erfolgt Passivierung der Probenoberfläche und Reaktivierung von Fehlstellen der Passivschicht (Cr-verarmte Bereiche neben Karbiden) gemessene Ströme liefern Aussage zu Korrosionsvorgängen an der Oberfläche steigender Chromgehalt in der Matrix Karbid Zunahme der chromverarmten Bereiche aufgrund Karbidausscheidung Matrix chromverarmter Bereich Potential E [mv E [mv vs. vs. Ag/AgCl] 7

8 EPR-Test: Beurteilung des Wärmebehandlungszustandes weichgeglüht gehärtet vergütet Passivierungspeak Reaktivierungspeak weichgeglüht gehärtet vergütet 8

9 Stromdichte i [ma/cm Stromdichte i [ma/cm EPR-Test: Beurteilung des Wärmebehandlungszustandes Stromdichte i [ma/cm weichgeglüht Stromdichte i [ma/cm gehärtet vergütet angelassen Passivierungspeak Reaktivierungspeak weichgeglüht gehärtet vergütet

10 Härten: Variation der Austenitisierungsdauer definiertes Aufheizen der Probe im Ofen auf 1060 C Austenitisierungstemperatur Abschrecken in Wasser bei Raumtemperatur zunehmender Chromgehalt in der Matrix 10

11 Härten: Variation der Austenitisierungsdauer definiertes Aufheizen der Probe im Ofen auf 1060 C Austenitisierungstemperatur Abschrecken in Wasser bei Raumtemperatur 0,5 min 15 min zunehmender zunehmende Chromgehalt Auflösung in der Matrix der Primärkarbide 11

12 Stromdichte i [ma/cm Härten: Variation des Abschreckmittels Stromdichte i [ma/cm langsames Abkühlen begünstigt Karbidausscheidung an den Korngrenzen Ausscheidung verbunden mit Chromverarmung entlang der Korngrenzen Wasser Stromdichte i [ma/cm Luft

13 Härten: Variation des Abschreckmittels langsames Abkühlen begünstigt Karbidausscheidung an den Korngrenzen Ausscheidung verbunden mit Chromverarmung entlang der Korngrenzen Wasser Wasser Stromdichte i [ma/cm Luft Luft Ausscheidung von Sekundärkarbiden entlang der Korngrenzen 13

14 Anlassen: Variation der Anlasszeit gehärtet: 1060 C für 10 min, abgeschreckt in Wasser angelassen bei 500 C, abgekühlt an Luft bei Raumtemperatur Ausscheidung von Karbiden im gesamten Gefüge 14

15 Anlassen: Variation der Anlasszeit 0,5 min 20 min gehärtet: 1060 C für 10 min, abgeschreckt in Wasser angelassen bei 500 C, abgekühlt an Luft bei Raumtemperatur 360 min 960 min Ausscheidung von Karbiden im gesamten Gefüge 15

16 Erstellung eines Korrosionsanfälligkeitsschaubildes keine Chromverarmung Chromverarmung kritische Chromverarmung 16 Bäumel, A.: Werkstoffe und Korrosion, 18 (1967), S

17 Zusammenfassung EPR-Test: feine Abstufungen der Wärmebehandlungsparameter detektierbar gesicherter und genauer Nachweis der Chromverarmung an Karbiden geeignete Methode zur Erstellung eines Korrosionsanfälligkeitsschaubildes Ergebnisse der Wärmebehandlung: weichgeglühter Zustand ist korrosionsanfällig mit steigender Austenitisierungsdauer erhöht sich die Korrosionsbeständigkeit Nachdiffusion von Chrom und Lösung der Korngrenzenkarbide Abschreckvorgang beeinflusst Karbidbildung in hohem Maße langsames Abkühlen begünstigt Karbidausscheidung an Korngrenzen kritischer Temperatur-Zeit-Bereich beim Anlassen vorhanden Kritische Wärmebehandlungsschritte bei der Messerherstellung sind das Austenitisieren und der Abschreckvorgang! 17