DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Charakterisierung der verformungsinduzierten Martensitbildung bei metastabilen Cr-Ni-Stählen durch Auswertung der statischen Magnetisierungskurve

Ulf-Dietger Hünicke, Stefan Möller. Lehrstuhl für Werkstofftechnik (LWT), Universität Rostock.
Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Ulf-Dietger Hünicke

Zusammenfassung

Mit Hilfe der statischen Magnetisierungskurve wurde die verformungsinduzierte a'-Martensitbildung am Beispiel des Modellwerkstoffes X4CrNi18-10 untersucht. Dabei standen 2 Fragen im Vordergrund: die grundsätzliche Chargenabhängigkeit der magnetischen Kenngrößen und die Wirkung verschiedener Verformungsgrade auf das magnetische Verhalten verursacht durch den Martensitbildungsprozess. Es wurden 8 Chargen von verschiedenen Herstellern miteinander verglichen.
Es zeigte sich, dass die bei einer Verformung stattfindende a'-Martensitbildung im austenitischen Grundgefüge stark chargenabhängig ist, was das unterschiedliche Umformverhalten erklärt.
Die magnetischen Kennwerte hatten in Abhängigkeit vom Verformungsgrad chargentypische Verläufe. Bei der Legierungsanalyse der untersuchten Proben wurden wesentliche Abweichungen zum Zertifikat der jeweiligen Coils beobachtet, was zugleich ein Indiz dafür war, innerhalb eines Coils örtlich mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften rechnen zu müssen. Die magnetischen Untersuchungen ergaben, dass der a'-Martensitgehalt eindeutig und unabhängig von der jeweiligen Charge durch die Kennwerte Remanenz und maximale Permeabilität charakterisiert werden kann.
Es wurden "Magnetic Signature Functions" ermittelt, die unabhängig von der Charge zur Qualitätsüberwachung des Werkstoffs X4CrNi18-10 eingesetzt werden können.

Keywords

Magnetisierungskurve, magnetische Kennwerte, verformungsinduzierte a'-Martensitbildung, Modellwerkstoff X4CrNi18-10, Chargenabhängigkeit, Qualitätsüberwachung

1. Einführung

Der am häufigsten eingesetzte Edelstahlblechwerkstoff vom Typ X4CrNi18-10 neigt trotz normgerechter Lieferung zu stark unterschiedlichem Umformverhalten, was in der Fertigung oft zu erhöhtem Ausschuß führt. Eine wesentliche Ursache dafür ist die verformungsbedingte a'-Martensitbildung im austenitischen Grundgefüge. Dabei bleibt die Chargenabhängigkeit der Martensitbildungsfunktion eine wichtige Unbekannte. Es besteht auch die Frage, inwieweit die Legierungszusammensetzung innerhalb eines Coils abweicht und sich daraus lokale Inhomogenitäten im Werkstoffverhalten ergeben.
Die Autoren haben in den letzten Jahren systematische Forschungen zu dieser Problematik durchgeführt und die Ergebnisse vorgestellt [1-4]. Die vorliegende Arbeit soll diese Erkenntnisse ergänzen und dabei das gesamte Instrumentarium magnetischer Kenngrößen auf eine Anwendbarkeit zur Qualitätskontrolle testen.

2. Experimentelle Voraussetzungen

Die statischen Magnetisierungskurven wurden mit einem speziellen Meßsystem vom Typ "Qualimeter" der Firma Magnet-Physik aufgenommen, das im weichmagnetischen Bereich auf dem System "Remagraph" basierte und Gleichfeldmessungen gemäß IEC-Standard (IEC-404-4) ermöglichte. Die Messanlage ist im Bild 1 dargestellt.

Bild 1: Verwendetes Messsystem zur Aufnahme der statischen Magnetisierungskurven

Ausgewertet wurden folgende Funktionen:

  • Hysteresekurven B = f(H), J = f(H)
  • Remanenz Br = f(f, a')
  • Koerzitivfeldstärke HCB, HCJ = f(f, a')
  • maximale relative Permeabilität µrmax = f(f, a')
  • Funktion µrmax = f(H)

Über die Kalibrierung aus früheren Arbeiten [1-3] konnte die Martensitbildungsfunktion a' = f (f,,T) mit den magnetischen Kenngrößen verknüpft werden, wobei f den Verformungsgrad und a' den a'-Martensitgehalt darstellen.
Die Legierungsanalyse der untersuchten Proben erfolgte mit Hilfe der Emissionsspektrometrie ergänzt mit einer Interpretation der Cr- und Ni-Äquivalente nach WRC-1992. Die ermittelten Analysenwerte wurden mit dem Coil-Zertifikaten der Hersteller verglichen.
Für die Untersuchungen standen 8 verschiedene Chargen zur Verfügung, die aus ebenso vielen Coils herausgeschnitten worden waren. Die Martensitbildungsfunktion wurde aus Zugverformungen mit einer Geschwindigkeit von v = 5mm/min ermittelt.

3. Ausgewählte Ergebnisse

In der Tabelle 1 wird das Legierungszertifikat der Coil-Hersteller für die Coil-Nr. 1 bis 7 vorgestellt.

Coil-Nr. C [%] Si [%] Mn [%] Cr [%] Ni [%] Mo [%] WRC - 1992 Cu [%]
Cre Nie
1 0,05 0,36 1,10 18,3 9,19 0,29 18,58 10,80 1,72
2 0,02 0,28 0,96 17,6 9,31 0,28 17,85 10,15 1,76
3 0,04 0,39 1,01 18,2 8,91 0,33 18,51 10,35 1,79
4 0,04 0,69 1,55 18,2 9,19 0,38 18,58 10,45 1,78
5 0,04 0,49 1,04 18,1 8,90 0,25 18,31 10,16 1,80
6 0,05 0,56 1,02 18,2 8,94 0,20 18,40 10,59 1,74
7 0,04 0,44 1,02 18,1 8,90 0,12 18,17 10,23 1,78
Tabelle 1: Legierungszertifikat der Coil-Hersteller für die Legierung X4CrNi18-10

Die Ergebnisse der Legierungsanalyse für die aus den jeweiligen Coils herausgeschnittenen Proben, ergänzt durch die Charge 8, sind in der Tabelle 2 enthalten. Das für die Martensitbildung wichtige Verhältnis der Cr- und Ni-Äquivalente zeigt deutliche Unterschiede zum Coil-Zertifikat.

Coil-Nr. C [%] Si [%] Mn [%] Cr [%] Ni [%] Mo [%] WRC - 1992 Cu [%]
Cre Nie
1 0,06 0,60 1,13 18,3 9,24 0,30 18,62 11,20 1,66
2 0,03 0,29 0,96 17,7 9,40 0,33 18,07 10,59 1,71
3 0,05 0,39 1,06 18,4 9,07 0,35 18,71 10,89 1,72
4 0,05 0,39 1,14 18,3 9,18 0,38 18,67 10,76 1,74
5 0,04 0,38 1,13 18,3 9,02 0,38 18,65 10,53 1,77
6 0,05 0,52 1,03 18,3 9,04 0,21 18,53 10,79 1,72
7 0,05 0,43 1,05 18,3 8,89 0,14 18,41 10,47 1,76
VIII 0,04 0,46 1,33 18,2 7,80 0,24 18,44 9,24 2,00
Tabelle 2: Legierungsanalyse der untersuchten Proben aus den Coils der Tabelle 1

Das Verhältnis Cre/Nie verändert sehr empfindlich die Bedingungen für die a'-Martensitbildung während des Verformungsvorganges. Bemerkenswert waren außerdem die Abweichungen der Probenanalyse zum Coil-Zertifikat im Si-Gehalt sowie bei einigen Coils im Mn- und Mo-Gehalt, die ebenfalls auf die Martensitbildung zurückwirken. Es besteht die Annahme, dass die lokale Streuung der Legierungsbestandteile im Coil ebenso die Martensitbildungsfunktion beeinflusst und damit für auftretende Abweichungen beim Umformverhalten mit verantwortlich ist.

Aus den Magnetisierungskurven nach verschiedenen Zugverformungen wurde zunächst der Chargeneinfluss untersucht. Das Bild 2 stellt die Abhängigkeit der gemessenen Remanenz Br vom Verformungsgrad f für 6 verschiedene Chargen dar. Dabei wird deutlich, dass es sich immer um eine Exponentialfunktion handelt, wobei der Anstieg den verschiedenen Chargen zugeordnet werden kann.


Bild 2: Abhängigkeit der Remanenz Br vom Verformungsgrad für 6 verschiedene Chargen (Tabelle 2).

Bild 3: Abhängigkeit der maximalen relativen Permeabilität µrmax vom Verformungsgrad für verschiedene Chargen (Tabelle 2).

Ein ganz analoges Verhalten zeigte die maximale relative Permeabilität µrmax, wobei allerdings einige Chargen identische Verläufe aufzuweisen hatten (Bild 3).

Auch die Koerzitivfeldstärke HCB veränderte sich mit zunehmenden Verformungsgrad stark chargenabhängig, wobei im Verlauf große Unterschiede auftreten, wenn anstelle der magnetischen Induktion die Polarisationswerte HCJ gemessen werden.

Die stark chargenabhängigen Funktionen Br, µrmax = f(f) charakterisieren grundlegende Werkstoffvoraussetzungen für den Umformvorgang und können zur Wareneingangskontrolle eingesetzt werden.

Mit Hilfe der Kalibrierung aus früheren Arbeiten konnte eine direkte Zuordnung zum a'-Martensitgehalt erfolgen. Das Bild 4 enthält die Abhängigkeit der gemessenen Remanenz vom a'-Martensitgehalt. Es ergab sich eine von den Chargen praktisch unabhängige Exponentialfunktion.


Bild 4: Abhängigkeit der Remanenz Br vom a'-Martensitgehalt für verschiedene Chargen (Tabelle 2)

Bild 5: Abhängigkeit der maximalen relativen Permeabilität µrmax vom a'-Martensit für verschiedene Chargen (Tabelle 2)

Ein analoges Verhalten zeigte auch die maximale relative Permeabilität, bei der sich ebenfalls alle untersuchten Chargen in eine gemeinsame Exponentialfunktion einordnen.

Als empfindliche Möglichkeit zur Charakterisierung des a'-Martensitgehaltes erwies sich die Funktion µr = f(H). Im Bild 6 sind nur die Ergebnisse für 3 Coil-Nummern dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu gewährleisten.


Bild 6: Abhängigkeit der relativen Permeabilität µr von der Feldstärke H für verschiedene Chargen (Tabelle 2)

Bild 7: Abhängigkeit der Koerzitivfeldstärke HCB vom a'-Martensitgehalt für verschiedene Chargen (Tabelle 2)

Die Verläufe µr = f(H) waren bei gleichem a'-Martensitgehalt für alle untersuchten Chargen identisch. Die Koerzitivfeldstärke HCB erreichte bei einem a'-Martensitgehalt von a' = 10% einen Maximalwert, wobei auch in diesem Verlauf alle untersuchten Chargen eingeordnet werden konnten (Bild 7).

Die Koerzitivfeldstärke HCB eignete sich auf Grund des Verlaufes im Bild 7 nicht zur Einschätzung des a'-Martensitgehaltes. Dagegen waren sowohl die Remanenz (Bild 5) als auch die maximale Permeabilität (Bild 6) chargenunabhängig zur Bestimmung des Martensitgehaltes einsetzbar.

4. Schlussbemerkungen

Die Untersuchungen ergaben, dass die magnetischen Kennwerte des Edelstahlbleches X4CrNi18-10 durch eine Verformung deutlich verändert werden, was stark von der jeweiligen Charge (Legierungszusammensetzung, Hersteller, Walzvorgang) abhängt. Die aus einem Coil heraugetrennten Proben weichen in der Legierungszusammensetzung von den Coil-Zertifikaten ab, was eine örtliche Veränderung in den Umformeigenschaften nach sich zieht.

Die bei einer Verformung stattfindende a'-Martensitbildung im austenitischen Grundgefüge ist stark von der Charge abhängig und sehr verschieden. Dagegen kann der gebildete a'-Martensitgehalt mit Hilfe der Remanenz und der maximalen Permeabilität völlig unabhängig von der Charge eindeutig charakterisiert werden. Die ermittelten "Magnetic Signature Functions" Br, µr = f(a') sowie µr = f(a', H) gelten chargenunabhängig für den Werkstoff X4CrNi18-10 und können Grundlage einer Materialcharakterisierung sein.

Literaturquellen

  1. Hünicke, U.-D.; Möller, S. et al.
    Neue Methoden zur Beurteilung der Umformeigenschaften von Feinblechen aus
    nichtrostenden Edelstahlwerkstoffen, Forschungsbericht (Teil 1) zum AiF-Vorhaben
    Nr. 11616 B/2 vom 31.01.2000 (EFB-Berichte)
  2. Hünicke, U.-D.; Kulp, S.; Doege, E.; Möller, S.
    UTF science 2 (2001) 1, S.23-27
  3. Hünicke, U.-D.; Möller, S.; Kulp, S.
    Proc. DGZfP-Jahrestagung 2001, 21.-23.05.2001, Berlin, Berichtsband 75, S.10-17, P31
  4. Hünicke, U.-D.; Möller, S.
    Proc. DGZfP-Jahrestagung 2003, 26.-28.05.2003, Mainz, Berichtsband 83

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