On the design of alloys and synthesis for composite steels

Baron, Christian Hendrik; Raabe, Dierk; Korte-Kerzel, Sandra

doi:36426

On the design of alloys and synthesis for composite steels

Baron, Christian Hendrik

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. (FH) Christian Hendrik Baron

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (131 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Raabe, Dierk (Thesis advisor) ; Korte-Kerzel, Sandra (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-06540
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/695974/files/695974.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
composite steels (frei) ; synthesis (frei) ; alloy design (frei) ; particles (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklung von Leichtbau-Konstruktionswerkstoffen erfordert die Verbesserung der Schlüsselparameter Festigkeit, Steifigkeit, Duktilität und Dichte, welche sich aber typischerweise gegenseitig ausschließen. Stahl-Verbundwerkstoffe dagegen ermöglichen durch die Kombination von zäher und duktiler metallischer Matrizen mit steifen Partikeln niedriger Dichte, die Erhöhung der Materialsteifigkeit bei gleichzeitiger und Abnahme der Dichte. Die Beurteilung von geeigneten Legierungen und die kontrollierte flüssigmetallurgische Herstellung dieser relativ neuartigen Materialien ist komplex und wenig erforscht. In der vorliegenden Arbeit werden Stahl-Verbundwerkstoffen untersucht, insbesondere (i) die Entwicklung von Legierungen und deren Zusammensetzungen sowie (ii) verschiedene flüssigmetallurgische in-situ Synthesemethoden zur Optimierung von Materialeigenschaften und Produktionskosten. Die Legierungsentwicklung von Stahl-Verbundwerkstoffen umfasste eine weitreichende Literaturstudie zur Bestimmung potentieller Partikel, basierend auf deren spezifischen Eigenschaften. Da diese alleine nicht ausreichend sind um die Eignung und Auswirkung auf Stahl-Verbundwerkstoffe zu bestimmen, wurde ein quasi-kombinatorisches Screening an gegossenen Halbzeugen durchgeführt. In dieser wurde die Möglichkeit der in-situ Synthese verschiedener Boride in Stahl Matrizen und deren Effekte auf das Verhalten des Verbundwerkstoffes untersucht. Das Fe – B – Ti System stach durch die ausgezeichneten Eigenschaften des resultierenden Fe – TiB2 Verbundwerkstoffs besonders hervor. Deshalb wurde es ausgewählt um den Effekt der Legierungselemente Mn und C auf Partikel und Matrizen zu untersuchen. Das Legieren mit Mn zu Fe – B – Ti Schmelzen führte zu einer breiten Palette an Matrix- und Eigenschaftsvariationen, wohingegen C stark mit Ti interagierte und TiC Partikel neben TiB2 Partikeln in der Stahlmatrix bildete. Des Weiteren konnte durch Anpassung der flüssigmetallurgischen Synthesemethoden Stahl-Verbundwerkstoffe effizienter hergestellt und die Materialeigenschaften verbessert werden. Grobe und scharfkantige Partikel, gebildet in Fe – B basierten Verbundwerkstoffen, wurden erneut aufgeschmolzen und durch rasche Erstarrung aus der Flüssigphase verfeinert. Dies geschah unter Anwendung von Laserumschmelzen beziehungsweise Sprühkompaktieren. Die kosteneffektive Herstellung von Fe – TiB2 basierten Verbundwerkstoffen wurde durch den Ersatz von Ti durch die Reduktion von Ti-Oxiden in flüssigen Schmelzen realisiert. Die Möglichkeit der großtechnischen Synthese von Verbundwerkstoffen wurde mittels einer eigens entwickelten Stranggussanlage im Labormaßstab untersucht. Zusätzlich wurde ein innovatives, semi-kontinuierliches, additives Syntheseverfahren entwickelt, welches atmosphärische Reaktionen ausnutzt um Partikel in metallischen Matrizen zu erzeugen. Das erlangte Wissen gibt Aufschluss über die Rolle von Legierungszusammensetzung und flüssigmetallurgischer Herstellung auf die Leistungsfähigkeit sowie die kosteneffiziente Entwicklung von Stahl-Verbundwerkstoffen.

The design of metallic lightweight structural materials requires the improvement of the key parameters strength, stiffness, ductility and density, which are typically mutually exclusive. Composite steels in contrast allow by the blend of tough and ductile metallic matrices with stiff and low density particles the increase of materials’ stiffness while reducing its density. However, the assessment of suitable alloys and the possibility of controlled liquid metallurgy synthesis of these relatively novel materials is complex and often not well investigated. The present work focusses on research of steel composites regarding (i) the design of alloys and compositions and (ii) the in-situ liquid metallurgy synthesis methods to optimise performance and production costs of composite steels. The alloy design of composite steels comprised an extensive literature review to determine potential particles based on their intrinsic properties. As the intrinsic properties of particles alone are not sufficient to determine their suitability and impact on the composite steels, a bulk quasi-combinatorial screening was carried out to determine the possibility of in-situ synthesis of different borides within steel matrices and their effects on composites’ performance. The Fe – B – Ti system seemed to be especially attractive due to the outstanding performance obtained for the resulting Fe – TiB2 composites. Therefore this system was chosen to study the effect of Mn and C alloying on particles and matrix. Alloying of Mn to Fe – B – Ti melts led to a vast array of matrix microstructures and properties, while C strongly interfered with Ti and resulted in the formation of TiC particles besides TiB2 particles within the steel matrices. By adapting the liquid metallurgy synthesis techniques, steel composites’ performance and cost-efficiency was improved. Here, coarse and sharp edged particles formed in of Fe – B based composites were refined by remelting of the alloys followed by subsequent rapid solidification utilising laser remelting or the spray compaction technique. The cost-efficient synthesis of Fe – TiB2 based composites was realised by the reduction of Ti-oxide filled wires in liquid melts to replace costly Ti. A lab-scale continuous caster was built to study the possibility of composite synthesis towards its mass production. Lastly an innovative semi-continuous additive synthesis method was developed, which utilises atmospheric reactions to form particles within a metallic matrices. The derived knowledge provides detailed insights into the role of alloy compositions and liquid metallurgy synthesis on performance and cost-efficient design of steel composites.

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