Navigationsweiche Anfang

Navigationsweiche Ende

Sprache wählen

Eisen statt Kobalt – Ein Weg zur nachhaltigen Rohstoffnutzung

von Prof. Dr.-Ing. Sebastian Weber und M.Sc. Frederic van gen Hassend
weber.fuw{at}uni-wuppertal.devangenhassend.fuw{at}uni-wuppertal.de

Prof. Dr.-Ing. Sebastian Weber
M.Sc. Frederic van gen Hassend

In vielen technischen Anwendungsfeldern müssen Werkstoffe neben einer chemischen Beständigkeit auch eine ausreichende Verschleißbeständigkeit besitzen. Dieses Eigenschaftsprofil trifft vor allem auf Komponenten zu, die im Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie beispielsweise Leitschaufeln in stationären Gasturbinen oder Ventilsitzringe im Verbrennungsmotor. Da viele Werkstoffe in der Regel nur eine der beiden Eigenschaften bei erhöhter Temperatur zufriedenstellend erfüllen, wird für die Herstellung solcher Komponenten bislang häufig auf Kobalt (Co)-Basislegierungen zurückgegriffen. Diese weisen auch bei Temperaturen über 600 °C eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und sind gleichzeitig sehr verschleißbeständig.

Allerdings gestaltet sich die Verwendung dieser Legierungen zukünftig als äußerst problematisch. Co ist ein vergleichsweise teures Element und gehört zudem zu den kritischen Rohstoffen, für die gemäß einer EU-Studie ein sehr hohes Versorgungsrisiko vorausgesagt wird. Deshalb besteht das Ziel, Co- Basislegierungen durch neu entwickelte hochtemperatur- und verschleiß-
beständige Stähle mit annähernd gleichen Eigenschaften zu ersetzen, um so
langfristig Kosten zu sparen und Rohstoffressourcen zu schonen.

Abb. 1: Einteilung von Rohstoffen bzgl. ihres Versorgungsrisikos und ihrer wirtschaftlichen Bedeutung.4

Der Lehrstuhl für „Neue Fertigungstechnologien und Werkstoffe“ wurde als Stiftungsprofessur Mitte 2014 besetzt und wird in den ersten fünf Jahren durch das Engagement von Unternehmen aus dem Bergischen Städtedreieck und dem Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V. finanziert. Eine Besonderheit des Lehrstuhls sowie des ebenfalls neu gegründeten „Institut für Produkt-Innovationen“ ist die Ansiedlung als Außenstelle der Bergischen Universität im Solinger Forum Produktdesign. Dort wurde in den vergangenen 2,5 Jahren ein modern ausgestattetes Forschungs- und Entwicklungslabor aufgebaut, das sich inhaltlich auf metallische Werkstoffe und deren Verarbeitung fokussiert. Gerade im Bereich der Metallverarbeitung spielen dabei die Themen „Nachhaltigkeit“ und „Ressourcen-Produktivität“ eine entscheidende Rolle, da zum einen große Mengen an nicht erneuerbaren Ressourcen verbraucht werden und zum anderen zahlreiche Effizienzpotenziale vor allem durch die klein- und mittelständische Industrie noch nicht voll ausgeschöpft werden.

In den vergangenen Jahren ist das Thema Ressourcenschonung immer weiter in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. So haben Begriffe wie „Rohstoffknappheit“ oder „Ressourceneffizienz“ mehr Einzug in den öffentlichen Sprachgebrauch gefunden. Für die deutsche Wirtschaft ist eine effiziente Nutzung von nichterneuerbaren Rohstoffen von besonderer Bedeutung, da der Großteil der Rohstoffe aus dem Ausland importiert werden muss. Dies kostet die Bundesrepublik etwa 4,4 Prozent des Bruttoinlands-
produktes (BIP), wovon etwa zwei Drittel für Energie- und etwa ein Drittel für Metallrohstoffe aufgewendet werden.¹ Mit der Zielsetzung die natürlichen Ressourcen zu schützen und zukünftig effizienter zu nutzen, hat die Bundesregierung im Jahr 2010 die „Rohstoffstrategie“ verabschiedet, in der ein Ressourceneffizienzprogramm („ProgRes“) entwickelt werden soll.² Dieses soll die nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen gestalten und zudem die Umweltbelastungen weitestgehend reduzieren. Im Hinblick auf eine effizientere Nutzung von Rohstoffen spielt auch die Optimierung von Werkstoffen eine entscheidende Rolle. Durch sie ist es möglich, die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern oder bisher eingesetzte Materialien durch neue zu ersetzen. Daher bieten gerade Materialentwicklungen die Möglichkeit, Rohstoffressourcen zu schonen und die Belastung der Umwelt zu senken. Dies ist besonders für Technologien wichtig, für die Rohstoffe benötigt werden, deren Vorkommen größtenteils im entfernten Ausland liegen und für die deshalb ein potenzielles Versorgungsrisiko besteht (Abb. 1). Diese kritischen Rohstoffe müssen in Zukunft entweder ganz oder zum Teil durch andere, weniger kritische ersetzt werden. Zu den Rohstoffen mit besonders hohem Versorgungsrisiko gehört neben Kobalt (Co) auch das Element Wolfram.

Co wird zum Beispiel durch die stete Entwicklung der Elektromobilität vermehrt für die Verwendung in Batterien/Akkumulatoren verwendet. Größtenteils wird es jedoch als Basis- oder Legierungselement in technischen Werkstoffen eingesetzt.³ Ein Grund für das hohe Versorgungsrisiko für Co ist, dass die größten Vorkommen in der politisch instabilen Demokratischen Republik Kongo liegen.4 Zudem wurde eine kanzerogene Wirkung bei der Verarbeitung von Co festgestellt, woraufhin ein schrittweises Ersetzen von Co verordnet wurde.5 Somit besteht neben einem rohstoffpolitischen auch ein gesundheitlicher Aspekt, den Gebrauch von Co in Legierungen zukünftig zu vermeiden. Eine im Vergleich zu Co als Basiselement wesentlich kostengünstigere und ressourcenschonendere Alternative stellt das Element Eisen (Fe) dar. Dieses besitzt eine sehr gute Rezyklierbarkeit und erlaubt durch Modifikation von Legierungselementen das Einstellen eines breiten Eigenschaftsspektrums. Jedoch gestaltet sich die Substitution von Co durch Fe als nicht trivial.

Co-Basislegierungen besitzen eine hohe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, die sich auch bei erhöhten Temperaturen (> 600 °C) nur minimal verringert. Deshalb werden sie oft als Werkstoff für Bauteile oder Komponenten eingesetzt, die diese Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 800 °C erhalten müssen, wie zum Beispiel Leitschaufeln in stationären Gasturbinen oder Ventilsitzringe im Verbrennungsmotor.6 Beide Komponenten kommen mit heißem Verbrennungsgas in Kontakt, welches die Oberfläche des Bauteils stark korrosiv beansprucht. Im Falle der Leitschaufeln kommt neben einer dauerhaften rotatorischen Bewegung noch eine zyklische mechanische Belastung hinzu, die dazu führt, dass die Festigkeit des Materials auf Dauer abnimmt. Die Kombination aus korrosiver und mechanischer Belastung in Verbindung mit hoher Temperatur führt letztlich zu einem starken Verschleiß des Bauteils und sollte bestmöglich verhindert werden.

Abb. 2: Härte bei Raumtemperatur verschiedener Stahlgüten im Vergleich zu einer Co-Basislegierung mit zugehörigem CO2-Fußabdruck.8

Konventionelle Stähle haben den Nachteil, dass sie bei erhöhten Temperaturen entweder verschleiß- oder korrosionsbeständig sind. Dies hängt damit zusammen, dass diese Eigenschaften aus werkstofftechnischer Sicht im Stahl gegenläufig sind. Um den Verschleiß möglichst gering zu halten, muss der Werkstoff sehr hart sein. Das wird sowohl in Co-, als auch in Fe-Basislegierungen durch das Einstellen einer harten und festen Grundmatrix, in Verbindung mit eingelagerten Karbiden erreicht. Karbide sind Metall-Kohlenstoff-Verbindungen, die – in Abhängigkeit des Typs und der Zusammen-
setzung – eine sehr hohe Härte besitzen, wodurch vor allem der Widerstand gegen abrasiven Verschleiß enorm gesteigert wird. Zur Karbidbildung werden unter anderem die Elemente Wolfram, Molybdän, Vanadium und Chrom (Cr) eingesetzt, wobei letzterem eine besondere Bedeutung zukommt. Cr fungiert nicht nur zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes als Karbidbildner, sondern auch zur Bildung einer oberflächig dichten Passivschicht, durch die eine Beständigkeit in korrosiven Medien generiert wird. Soll ein Stahl also gleichzeitig verschleiß- und korrosionsbeständig sein, ist es nötig, das zulegierte Cr möglichst von der Karbidbildung abzuhalten, damit der Großteil zur Bildung der Passivschicht zur Verfügung steht.

Um allgemein einen Überblick über die Verschleißeigenschaften von gegenwärtig eingesetzten Stählen zu erhalten, sind in Abbildung 2 die Härtebereiche verschiedener Stahlgüten im Vergleich zu einer Co-Basislegierung (Stellite 6) dargestellt. Ferner ist dort der werkstoffspezifische CO2-Fußabdruck zu entnehmen. Dieser spiegelt die bei der Primärproduktion des Werkstoffs freiwerdende Menge an CO2 bezogen auf 1 Kilogramm produziertes Material wider und ist somit ein Maß für die Umweltbelastung.7 Es zeigt sich, dass der CO2-Fußabdruck von Stählen gegenüber Co-Basislegierungen wesentlich geringer ist. Dies lässt sich auf die gute Rezyklierbarkeit von Fe zurückführen, wodurch eine geringere Menge an Eisenerz zu Roheisen reduziert werden muss. Generell lassen sich Stähle in verschiedene Gruppen unterteilen. Martensitische Stähle beispielsweise können eine viel höhere Härte als Co-Basislegierungen erreichen, wie sich am Beispiel des Schnellarbeitsstahls HS10-4-3-10 erkennen lässt. Das Gefüge dieses Stahls besteht aus einer sehr harten Matrix mit einem hohen Anteil an eingelagerten Karbiden. Allerdings geht die hohe Härte auf Kosten der Korrosionsbeständigkeit, da im Gegensatz zur Co-Basislegierung in diesen Stählen kein ausreichender Cr-Gehalt vorliegt, um eine dichte Passivschicht zu bilden. Zwar können auch nichtrostende martensitische Stähle, wie zum Beispiel der X65CrMo14, eine höhere Härte als Co-Basislegierungen besitzen, jedoch ist das Gefüge dieses Stahls bei höheren Temperaturen nicht stabil, was dazu führt, dass bei Temperaturen > 600 °C Umwandlungs-
vorgänge eintreten, die mit einem schlagartigen Härte- und Festigkeitsverlust verbunden sind.

Abb. 3: Lichtmikroskopische Gefügeaufnahme der Co-Basislegierung Stellite 6 (links) und des hochwarmfesten Stahls GX15CrNiCo21-20-20 (rechts) im Gusszustand – bei beiden Legierungen ist eine dendritische Erstarrungsstruktur („Tannenbaumstruktur“) mit eutektischen Karbiden zu sehen. Die im Vergleich zum Stahl höhere Warmfestigkeit der Co Basislegierung geht auf den höheren Gehalt an Karbiden in Verbindung mit der festen Co-Matrix zurück. Im Stahl liegen neben den eutektischen Karbiden (Eutektikum) zudem kleine blockige und feinstreifige Niobkarbide (NbC) vor, die sehr hart sind und eine hohe thermodynamische Stabilität besitzen. Daher sind sie für Anwendungen bei hohen Temperaturen besonders geeignet.

Anders ist es bei austenitischen Stählen. Ihr Gefüge bleibt auch bei höheren Temperaturen stabil. Allerdings besitzen diese Stähle eine deutlich niedrigere Härte (s. X5CrNi18-10). Der Vorteil der austenitischen Stähle ist jedoch, dass sich ihre Härte durch die Wahl der Legierungselemente bei gleichbleibenden Korrosionseigenschaften steigern lässt, wodurch sie auch für den Einsatz bei höheren Temperaturen geeignet sind. Solche Stähle werden als hochwarmfest bezeichnet. Ein Vertreter dieser Gruppe ist der GX15CrNiCo21-20-20 der beispielsweise für Turbinenkomponenten verwendet wird. 7 Die Warmfestigkeit dieses Stahls geht auf die legierungstechnisch eingestellte Grundfestigkeit in Verbindung mit eingelagerten Karbiden zurück, wobei der Karbidanteil im Vergleich zur Co-Basislegierung Stellite 6 deutlich geringer ist (Abb. 3).

Abb. 4: Schematischer Vergleich der Warmhärte von Co-Basiswerkstoffen und hochwarmfesten Stählen.

Problematisch ist, dass im GX15CrNiCo21-20-20 ein hoher Gehalt der unerwünschten Elemente Co und W vorliegt, was auch den im Vergleich zum X5CrNi18-10 viel höheren CO2-Fußabdruck erklärt. Deshalb sollte die Verwendung dieses Stahls in Zukunft vermieden werden. Da jedoch bisherige hochwarmfeste Co-freie Stähle nicht an die Eigenschaften des GX15CrNiCo21-20-20 herankommen, ist die Entwicklung von neuen Stählen nötig.

Dabei besteht das Ziel, Stähle zu entwickeln, die eine annähernd gleiche Warmfestigkeit wie Co-Basislegierungen im Temperaturbereich von 600 °C bis 800 °C besitzen, um dadurch die Lücke zwischen Co- und Fe-Basislegierungen langfristig schließen zu können. Als Maß für die Warmfestigkeit eines Werkstoffs kann in erster Näherung die Warmhärte, also die Härte bei erhöhter Temperatur, herangezogen werden.

Abb. 5: Ermittlung der Warmhärte.

In Abbildung 4 sind zum Vergleich die Warmhärteverläufe von Co-Basislegierungen und hochwarmfesten Stählen schematisch dargestellt. Dort ist zu erkennen, dass die zur Zeit eingesetzten hochwarmfesten Stähle eine deutlich niedrigere Härte bei Temperaturen zwischen 600 °C und 800 °C im Vergleich zu Co-Basislegierungen besitzen.

Die Ermittlung der Warmhärte erfolgt durch eine modifizierte Härteprüfung, bei der der Werkstoff auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und in diesem Zustand mittels eines Prüfkörpers mit einer definierten Kraft indentiert wird (Abb. 5). Durch Vermessung der Größe des erzeugten Eindrucks lässt sich die Härte des Werkstoffs bei entsprechender Temperatur berechnen. 

Um die Zielsetzung zu erreichen, wird die in Abbildung 6 dargestellte Vorgehensweise angewendet. Zunächst werden neue Legierungskonzepte mithilfe von thermodynamischen Gleichgewichtsberechnungen theoretisch berechnet, um so den Aufbau des Gefüges im Gebrauchszustand im Vorfeld der Erzeugung simulieren und beeinflussen zu können. Anschließend werden potenziell erfolgversprechende Legierungen im Labormaßstab erschmolzen und wärmebehandelt. 

Danach erfolgt die experimentelle Untersuchung der Eigenschaften im Labor, aus denen sich zeigt, ob eine oder mehrere der entwickelten Legierungen gleiche oder bessere Eigenschaften im Vergleich zu einem konventionellen hochwarmfesten Stahl besitzen. Zeigen sich auch im Labor gute Ergebnisse hinsichtlich der Warmhärte und Korrosionsbeständigkeit, werden ausgewählte Legierungen im industriellen Maßstab abgegossen und zu Demonstratorbauteilen gefertigt, um so den Werkstoff unter realen Bedingungen im Betrieb zu testen und mit konventionellen Legierungen vergleichen zu können. Diese Arbeiten erfolgen in Kooperation mit dem Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum und insgesamt vier Unternehmen aus der Metallbranche.

www.fuw.uni-wuppertal.de
www.ipi.uni-wuppertal.de

Abb. 6: Vorgehensweise der Werkstoffentwicklung: Nach der theoretischen Berechnung von Legierungskonzepten werden erfolgversprechende Legierungssysteme schmelzmetallurgisch hergestellt und die Eigenschaften im Labor experimentell validiert. Zum Abschluss werden aus ausgewählten Legierungen Demonstratoren gefertigt, so dass diese auch im Feldversuch getestet werden können.

Literaturhinweise

1Wirtschaftsstrategische Rohstoffe für den Hightech-Standort Deutschland; Forschungsund Entwicklungsprogramm des BMBF für neue Rohstofftechnologien, BMBF, 2012, www.fona.de/mediathek/pdf/Wirtschaftsstrategische_Rohstoffe_barrierefrei_neu.pdf
2Umwelt Bundesamt, Schwerpunkte 2012, Onlinepublikation, www.umweltbundesamt. de/sites/default/files/medien/publikation/long/4213.pdf
3S. Luidold et al.: Kritische Rohstoffe für die Hochtechnologieanwendung in Österreich, Bericht aus Energie- und Umweltforschung (2013); www.nachhaltigwirtschaften. at/e2050/e2050_pdf/endbericht_1311_kritische_rohstoffe.pdf
4European Commission, Enterprise and Industry: Critical raw materials for the EU – Report of the Ad-hoc Working Group on defining critical raw materials, 2014
5Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union: Verordnung (EG) nr. 1907/2006 des Europäischen Parlaments und des Rates zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH), zur Schaffung einer Europäischen Chemikalienagentur, zur Änderung der Richtlinie 19999/45/EG und zur Aufhebung der Verordnung (EWG) nr. 793/93 des Rates, der Verordnung (EG) Nr. 1488/94 der Kommission der Richtlinie 76/769/EWG des Rates sowie der Richtlinien 91/155/EWG, 93/67/EWG und 2000/21/EWG der Kommission (Stand 18.12.2006): online: eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do: 20121009:DE:PDF
6Bürgel R., Maier, H. J., Niendorf, T., Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik, 4. Auflage, 2011
7Ashby et al., Materials: Engineering, Science, Processing and Design, 3rd edition, 2014
8CES EduPack 2016 der Fa. GRANTA