CD-Labor for Einschlussmetallurgie in der modernen Stahlherstellung

Aufgrund von Klimawandel, Digitalisierung und Globalisierung werden alternative Wege der Rohstahlproduktion gesucht. Dieses CD-Labor erforscht nichtmetallische Einschlüsse, deren Bildung und Eigenschaften in verschiedenen Prozessen der Stahlherstellung.

Die teils sehr hohen Beanspruchungen von Stählen in verschiedenen Anwendungsbereichen als auch die Konkurrenz mit anderen Werkstoffen gehen mit steigenden Ansprüchen an die Stahlqualität einher. Trotz der langen Geschichte der Stahlproduktion und der kontinuierlichen Begleitung der Produktentwicklung durch innovative anlagen- und verfahrenstechnische Lösungen, stehen Stahlhersteller heute weiterhin vor der Herausforderung, sowohl Produkte als auch Prozesse nachhaltig zu verbessern.

Im Zuge der Stahlherstellung ist die Bildung von sogenannten nichtmetallischen Einschlüssen (NME) unvermeidbar. NME sind Partikel mit anderen Eigenschaften im Vergleich zu der sie umgebenden Stahlmatrix, weshalb sie sich in der Regel negativ auf die finalen Materialeigenschaften auswirken. Im Gegensatz dazu können Einschlüsse unter bestimmten Bedingungen auch als Keimstellen für definierte Mikrostrukturen wirken und somit gezielt die Materialeigenschaften positiv beeinflussen. Die große aktuelle Herausforderung besteht darin, den in vielen Bereichen schon sehr hohen Reinheitsgrad von Stählen weiter zu verbessern sowie die Sekundärmetallurgie auf die neuen Fragen bedingt durch alternative Wege der Rohstahlproduktion anzupassen.

Das Forschungsgebiet Einschlussmetallurgie beschäftigt sich mit verschiedenen Aspekten hinsichtlich Bildung, Entwicklung, Abscheidung und Charakterisierung von NME in unterschiedlichen Prozessstufen. Die übergeordnete Idee dieses CD-Labors besteht darin, den Bogen von der Entstehung der NME, über deren Modifikation im Stahl, der Schlacke, oder dem Feuerfestmaterial des metallurgischen Aggregats, sowie an den jeweiligen Grenzflächen, bis hin zur konkreten Auswirkung auf die Produkteigenschaften zu spannen. Aufgrund vergleichbarer grundlegender Mechanismen und Reaktionen, soll neben der Herstellung von Stählen für die Automobilbranche auch die Pulvermetallurgie zur Herstellung hochlegierter Werkzeugstähle beleuchtet werden. Einen Schwerpunkt bildet zum einen die Weiterentwicklung von Methoden der Einschlussanalyse unter Einbeziehung von maschinellem Lernen sowie die repräsentative Analyse von Einschlüssen im Mesoeinheitsgrad, d.h. mit einem kreisäquivalenten Durchmesser von 15-100 µm. Zum anderen sollen ausgewählte Aspekte hinsichtlich Grenzflächeneigenschaften und -reaktionen von NME untersucht werden. Spezielles Augenmerk liegt hier auf der Rolle von Alkalielementen und seltenen Erden hinsichtlich einer Beeinflussung der Einschlussentwicklung.

Neben Industrieversuchen werden spezifische Einschlusspopulationen im Labor erschmolzen; Hochtemperatur-Laser-Scanning Konfokalmikroskopie und Tropfenkonturanalysen sind essentielle Methoden zur Bestimmung des Einschlussverhaltens. Ein neuer Ansatz für die Einschlussverfolgung über den Herstellungsprozess soll durch den Einsatz von natürlichen Isotopen bzw. speziell angeregten stabilen Isotopen erprobt werden.