Simulationsplattform für Prozessketten
Entwicklung eines aluminiumfreien Einsatzstahls
In diesem Projekt wird eine Simulationsplattform für die integrative Entwicklung von Werkstoffen und Prozessketten vorgestellt. Diese Simulationsplattform wird auf die numerische Entwicklung eines aluminiumfreien Einsatzstahls mit verbessertem Reinheitsgrad für Großgetriebe in der Windindustrie angewandt. Zur Validierung des kombinierten Werkstoff- und Prozesskonzeptes wird der mittels Simulation entwickelte Stahl auf Laborebene hergestellt, ein Kegelrad geschmiedet und die Eignung zur Hochtemperatur-Aufkohlung im Rahmen einer experimentellen Studie auf Laborebene nachgewiesen. Zukünftig wird die industrielle Umsetzung mit einem Konsortium aus Industriepartnern entlang der gesamten Prozesskette für Großgetriebebauteile nachgewiesen.
Praxisproblem
Die Verbesserung der Lebensdauer von einsatzgehärteten Getriebebauteilen hat für Windanlagenhersteller hohe Priorität. Nur die zuverlässige Vermeidung von Frühausfällen stellt einen wirtschaftlichen Betrieb von Windkraftanlagen sicher. Die Lebensdauer von Getriebebauteilen ist von vielen Einflussgrößen abhängig, die während der Werkstoffherstellung, Umformung oder Wärmebehandlung eingestellt werden.
Wichtige Gefügeeinflussparameter, wie Phasenanteile, Korngröße und Korngrößenverteilung können durch eine angepasste Wärmebehandlung zu jedem Zeitpunkt in der Prozesskette wieder neu eingestellt werden. Demgegenüber stellt der mikroskopische oxidische Einheitsgrad eine wichtige Einflussgröße auf die Lebensdauer dar, die bei der schmelzmetallurgischen Herstellung des Stahls eingestellt wird und von da an im festen Werkstoff irreversibel ist. Die Verbesserung des Reinheitsgrades ohne eine Verschlechterung der Feinkornstabilität hat eine hohe Priorität für Stahlhersteller und Windenergieanlagenbetreiber.
Lösungsidee
Ein werkstofftechnisch begründeter Ansatz zur Verbesserung des oxidischen Reinheitsgrads stellt die Reduzierung des Aluminiumgehaltes dar, wodurch im Werkstoff die Wahrscheinlichkeit von lebensdauerreduzierenden Aluminiumoxiden und somit eines Frühausfalls der Windkraftanlage sinkt. Allerdings wird Aluminium im weiteren Verlauf der Prozesskette in Kombination mit einem definierten Zusatz von Stickstoff auch für die Sicherstellung der Feinkornbeständigkeit genutzt, die wiederum für die Einstellung der Zahntragfähigkeit verantwortlich ist. Metallkundlich liegen diesem Effekt feinverteilte Aluminiumnitride zugrunde, die als Ausscheidungen im Nanometermaßstab feinverteilt im Gefüge vorliegen und die Korngrenzbeweglichkeit reduzieren.
Technische Herausforderungen
Für den wirtschaftlichen Einsatz von Windenergieanlagen sind reinheitsgradbedingte Frühausfälle unbedingt zu vermeiden. Aluminiumfreie mikrolegierte Einsatzstähle zeigen einen verbesserten mikroskopischen oxidischen Reinheitsgrad und versprechen einen zuverlässigen Einsatz von Großgetrieben. Darüber hinaus sind sie durch den sogenannten Hochtemperatur-Aufkohlungsprozess zeit- und energieoptimiert herstellbar und ermöglichen so eine besonders wirtschaftliche Herstellroute. Die Entwicklung des aktuellen aluminiumfreien Legierungskonzeptes basiert auf einer Kombination verschiedener moderner numerischer Simulationsmethoden und zielt auf die Substitution von Aluminium-Nitriden durch Niob-Carbonitride ab. Grundlage für die Kombination der verschiedenen Modellansätze ist eine Simulationsplattform zur Berechnung von Prozessketten, die Berechnungen auf allen relevanten Betrachtungsebenen von der Nanoskala der Ausscheidungen über die Mikroskala des Gefüges bis zur Makroskala der Bauteile und damit die Optimierung von Legierungen und Prozessparametern ermöglicht. Um eine integrative, simulationsgestützte Entwicklung von Werkstoffen und Prozessen umsetzen zu können, sind mehrere unterschiedliche Simulationsansätze und -programme notwendig. Die effiziente und effektive Nutzung der verschiedenen Programme ist durch eine Entwicklung einer internetbasierten Plattform zur Simulation von Prozessketten sichergestellt. Hierbei wurden einheitliche Formate für Daten und Visualisierung definiert. Dieser Ansatz ermöglicht eine gleichzeitige Simulation und Analyse auf allen relevanten Skalen von Nano- bis Bauteil-Skala. Für den Anwendungsfall „Al-freier Einsatzstahl“ geht es konkret um eine Quantifizierung der Größenentwicklung von Mikrolegierungsausscheidungen entlang unterschiedlicher alternativer Prozessketten und auf dieser Grundlage um eine Vorhersage der Feinkornstabilität während der Aufkohlung, als Funktion der Prozesskette und der chemischen Zusammensetzung. Zur Validierung des rein numerisch entwickelten Legierungskonzeptes wurde eine Laborschmelze erstellt, zu einem Stab prozessiert und bzgl. Reinheitsgrad und Feinkornbeständigkeit bei hohen Aufkohlungstemperaturen untersucht. Eine besonders gute Feinkornbeständigkeit zeigt die modifizierte Variante nach Blindhärten bei 1050°C 12 Stunden oder auch bei 1100°C 1 Stunde nach einer Prozesskette mit FP-Glühen.