Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung der Kornfeinung von Stahlschmelzen zur energieeffizienten Herstellung von endabmessungsnahen Stahlgussbauteilen

Die anspruchsvollen gießtechnologischen Eigenschaften von Stahl und die damit verbundenen Einsatzgrenzen sollen durch die Entwicklung einer Kornfeinung auf Basis der heterogenen Keimbildung verbessert werden. Der angestrebte Lösungsweg fokussiert die Entwicklung eines prozesssicheren Verfahrens unter Berücksichtigung der industriellen Rahmenbedingungen. Eine thermische Analyse soll dafür in Kombination mit thermodynamischen Berechnungen die Bewertung der Kornfeinung vereinfachen.

Eine Kornfeinung des Stahls führt zu einer Verbesserung der gießtechnologischen Eigenschaften hinsichtlich Fließ- und Formfüllungsvermögen, Warmrissneigung und Speisbarkeit mit der Folge eines erhöhten Ausbringens, einer Verringerung des Ausschusses und dem Potential für komplexere Gussstückgeometrien. Gleichzeitig ist mit einer Verringerung der Seigerungen und einer Feinkornhärtung im sekundären Gefüge zu rechnen. Dies kann für eine energieeffiziente, verkürzte Wärmebehandlung genutzt werden. Insgesamt wird somit eine Energie- und Materialersparnis von 10% angestrebt.

Für kleine und mittlere Unternehmen besteht der Vorteil in der einfachen Implementierung des Verfahrens in bestehende Prozesse. Das Kornfeinungsmittel kann analog zu anderen Legierungselementen stückig oder als Draht hinzugegeben werden. Die dafür notwendigen Parameter und Vorgaben, wie Zugabemenge, -zeitpunkt und Art des Fremdsubstrats sollen im Projekt entwickelt werden. Der Investitionsbedarf in Analgentechnik ist dadurch im Vergleich zu anderen Methoden wie dem elektromagnetischen Rühren vergleichsweise gering. Das Verfahren zur Kornfeinung kann somit in Abhängigkeit vom individuellen Kundenbedürfnis optional zur Verbesserung der Stahlqualität eingesetzt werden.

Ergebniszusammenfassung:

Der Mechanismus der Kornfeinung von Stahlschmelzen mit Cer konnte durch das Vorhaben besser verstanden werden. Die Kornfeinung mit Cer, die sich im Vorhaben als am besten durchführbar erwies, zeigt einen messbaren Effekt für austenitisch und ferritisch erstarrende, niedriglegierte Stähle. Durch Bildung keimwirksamer Ausscheidungen des Cers mit in der Schmelze gelöstem Sauerstoff und Schwefel konnte die Menge endogenen Gefüges erhöht werden. Die Verringerung der Oberflächenspannung der Schmelze durch gelöstes Cer ermöglicht die Feinung der Stängelkristallzone durch einen kürzeren Dendritenarmabstand. Die dazu notwendigen Zugabemengen bewegen sich im Bereich bis zu wenigen hundert ppm.

Der notwendige Ceranteil kann nur im Zusammenhang mit der sonstigen Zusammensetzung des Stahls bestimmt werden, da es zur Interaktion mit anderen bereits gelösten Elementen kommt. Eine Kornfeinung muss aufgrund des Abklingens der Wirkung so kurz vor der Erstarrung wie möglich durchgeführt werden, um einen maximalen Effekt zu erzielen. Das erfasste Abklingverhalten zeigt Potential der Kornfeinung für den Guss von Werkstücken bis zu mittleren Wandstärken auf, bei einer Untersuchung bei 75 mm ist eine Wirkung noch deutlich erkennbar.

Eine für den Anwendungsfall konzipierte, allgemein anwendbare Lösung ist am Markt zurzeit nicht vorhanden. Für Manganhartstähle und Duplex-Stähle gibt es einzelne Produkte auf Ferrochrom- und Ferromanganbasis. Der Einsatz cerhaltiger Behandlungsmittel für Gusseisen auf Ferrosiliziumbasis kann hier zielführend sein. Eine vorgenommene Untersuchung zeigte keinen Unterschied zwischen Cer, das in einer Vorlegierung oder reiner, metallischer Form eingebracht wurde. Die Anwendung der Ergebnisse des Projekts ist für Anwender durch Cer aus einer beliebigen Quelle möglich. Eine Effizienzsteigerung der Gussproduktion ergibt sich durch Verbesserung des Ausbringens aufgrund der besseren Speisung der Erstarrungsschwindung und Verringerung des Ausschusses.