Der Einfluss von Cu-Ausscheidungen auf die Festigkeit und Verfestigung in Stählen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von Kupferausscheidungen und der Analyse ihres Einflusses auf die Festigkeitssteigerung und Verfestigung von Stählen. Zudem wird eine Überprüfung der industriellen Umsetzbarkeit der Prozesskette zur Herstellung eines mit Kupfer legierten, ferritisch-perlitischen Stahls „AFP-Cu“ für Anwendungen in der Kaltmassivumformung vorgenommen.
Die Ausscheidungshärtung durch Kupfer soll durch nanometergroße Kupferausscheidungen erfolgen, welche durch eine Anlassbehandlung im Temperaturbereich zwischen 450 °C und 650 °C ausscheiden. Hierzu wird Kupfer als Legierungselement in zwei Laborschmelzen mit einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt (X0,5CuNi2 2) und einem Kohlenstoffgehalt von 0,21 Gew.-% (X21CuNi2 2) sowie in einem im Labormaßstab hergestellten, kupferlegierten Stahl AFP-Cu, der industriell zu Schrauben und Gewindestangen gefertigt wird, eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass feinstverteilte, sphärische Fe-Cu-Ausscheidungen mit einem Kupfergehalt von 10 – 40 at.-% sowohl zu einer Härtesteigerung als auch einer Steigerung der zyklischen Verfestigung führen. Der festigkeitssteigernde Effekt der Ausscheidungshärtung ist dabei bei einem Partikelradius von 2 nm bis 3 nm und einem ferritischen Gefüge maximal.
Die Fertigung von Schrauben und Gewindestangen aus dem Stahl AFP-Cu zeigt, dass eine Fertigung von Kaltmassivbauteilen möglich ist und durch eine anschließende Ausscheidungshärtung bei 450 °C für 2 Stunden für alle Bauteile eine Steigerung der Fließgrenze um ca. 78 MPa erzielt werden kann.