Influence of Tramp Elements on Non-Metallic Inclusions in Cleanness Sensitive Medium Carbon Steels

Die Transformation der Eisen- und Stahlindustrie hin zu Kohlenstoffneutralität ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Ein Schritt, um die Ziele der Europäischen Union zu erreichen, ist die Erhöhung der Recyclingrate von Schrott, wobei das Recycling möglichst nahe am Ort des Anfalls des Schrottes passieren soll. Stahlsorten können sich jedoch stark in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden und sind oft zusammen mit anderen metallischen Werkstoffen im Einsatz. Ein besonders prägnantes Beispiel ist Altschrott von Fahrzeugen, bei denen der Einsatz von Kupfer in Kabeln oder in Elektromotoren signifikant zunimmt, sowie die Komplexität der verwendeten Stahllegierungen ansteigt. Eine vollständige Trennung in der Schrottaufbereitung ist jedoch nicht möglich. Viele Spurenelemente, wie Kupfer, Nickel, Zinn und Molybdän, können mit existierenden Technologien nicht aus Stahlschmelzen entfernt werden, sobald sie in dieser gelöst sind. Die Konsequenzen durch diese Kontamination sind mannigfaltig. Beispielsweise kann Kupfer die Heißrissanfälligkeit erhöhen, welche in Kombination mit Zinn nochmals steigt. Molybdän verzögert Phasenumwandlungen stark in Richtung härterer Mikrostrukturen, welche bei vielen Stahlsorten unerwünscht sind. Forschung betreffend den Zusammenhang zwischen Spurenelementen und nichtmetallischen Einschlüssen (NMEs) ist bisher weitgehend vernachlässigt worden. Deswegen fokussiert sich diese Arbeit auf dieses Gebiet.
Mit der Einbringung von Spurenelementen in Stahlschmelzen werden physikalische und chemische Eigenschaften beeinflusst. Berechnungen, welche im Zuge dieser Arbeit durchgeführt wurden, zeigen, dass die meisten Elemente die Oberflächenspannung von Eisen bei Temperaturen, welche bei der Stahlerzeugung vorherrschen, herabsetzen. Damit gehen Veränderungen im Benetzungswinkel zwischen Stahl und oxidischen Substraten sowie dem Bildungsverhalten von NMEs einher. Ein steigender Benetzungswinkel in Kontakt mit Al2O3 und ZrO2 Substraten ist für die untersuchten mittelkohligen Stähle mit niedrigerer Oberflächenspannung gemessen worden. Außerdem ist die Dichte an NMEs mit einem äquivalenten Durchmesser ab 1 μm in Stählen mit niedrigerer Oberflächenspannung stärker angestiegen. Dies ist wahrscheinlich auf die Bildung neuer NMEs sowie das Wachstum bestehender NMEs zurückzuführen. Die NME-Landschaft wurde dazu mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Verbindung mit Energiedispersivem Röntgenspektrum (EDX) analysiert.
Spurenelemente beeinflussen in festem Stahl nicht nur Phasenumwandlungen und Härte. Ein Einfluss auf das Zusammenwirken von Spurenelementen und Verformungsverhalten von NMEs in den untersuchten reinheitsempfindlichen mittelkohligen Stählen ist bestätigt worden. Während harte NMEs nicht oder nur in geringem Maße durch Spurenelemente im Stahl beeinflusst wurden, zeigen weichere Einschlusstypen ein abweichendes Verhalten. Die meisten weicheren NMIs verformen sich schlechter bei Kupfer und besser bei Nickel in der Stahlmatrix der untersuchten mittelkohligen Stahlgüten. Die Zugaben von Molybdän und Zinn in dieser Studie waren zu gering, um die Verformung von NMEs zu beeinflussen. Eine kombinierte Betrachtung der Einflüsse von Spurenelementen auf NMEs in flüssigem und festem Stahl zeigt signifikante Effekte in beiden Aggregatszuständen. In flüssigem Stahl steigt die Dichte an NMEs und das Abscheideverhalten ist verschlechtert. In Zusammenhang mit einer Steigerung der Härte des Stahls durch Kupfer oder Molybdän sowie einer schlechteren Verformbarkeit der NMEs wird die Tendenz zur Rissauslösung vermutlich gesteigert.
Diese Arbeit betreffend Spurenelementen und NMEs wird durch eine Überarbeitung des experimentalen Designs für die kombinierte Stahl und Schlacke in-situ Beobachtung mittels High Temperature Confocal Scanning Laser Microscope (HT-CSLM) vervollständigt. Die Unzulänglichkeiten des bisher genutzten Konzeptes, welche vor allem bei Verwendung von bei ultrareinen Stählen genutzten aluminiumoxidarmen Schlacken auftreten, stammen von der Nutzung von Aluminatiegeln. Es ist evident, dass diese Schlacken ein hohes Potential besitzen, diese Tiegel aufzulösen und dabei die Integrität des Tiegels gefährden sowie die chemische Zusammensetzung der Schlacke zu verändern. Der neu vorgestellte experimentelle Aufbau beinhaltet dabei einen zusätzlichen Tiegel aus niedrigkohligem Stahl, welcher in Kontakt mit Schlacke und Stahl ist. Da die Stahlprobe nur teilweise an der Oberfläche schmilzt, kommt es zu keiner oder nur geringfügiger Vermischung der beiden Stähle. Dadurch können NMEs auf ihrer Bahn aus dem Stahl in die Schlacke auch für ultrareine Stähle untersucht werden. Dieser Forschungsbereich wurde weiter vertieft durch eine Machbarkeitsstudie, die Stähle, Schlacken und deren Kombinationen auf die Anwendbarkeit dieser experimentellen Methode bewertet.