Stahlreport 2016.10

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Werkstoffe und Produkte Berichte/Nachricht Von Versetzungen und Ketten im Stahl Voll auf Linie Wissenschaftler des Max Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf haben in einem manganhaltigen Stahl eine Entdeckung gemacht, die Eigenschaften des Materials unterschiedlich beeinflussen kann: Die Legierung bildet an linienförmigen Defekten eine andere Kristallstruktur als sie für das Material sonst typisch ist. Konkret geht es um Versetzungen und Ketten manganreicher Nanoperlen. Die einzelnen Kristallkörner, aus denen sich jedes Metall zusammensetzt, kann man als Stapel einzelner Atomlagen betrachten. Liniendefekte, genauer gesagt: Stufenversetzungen entstehen, wenn eine Schicht unvollständig bleibt, sodass die darüber- und die darunterliegende Schicht eine Stufe nehmen muss. Da sich die Länge der Liniendefekte in einem Kubikmeter Stahl aber auf ein Lichtjahr summieren kann, dürfte die Entdeckung große praktische Bedeutung haben. Denn von der Struktur eines Stahls hängt u.a. ab, wie formbar, wie fest und wie zäh er ist – Eigenschaften, die Materialwissenschaftler immer weiter optimieren wollen. Die eindimensionalen Defekte in einem Metall spielen eine große Rolle, wenn sich das Material verformt. Etwa dann, wenn ein Autoblech bei einem Unfall zerknautscht wird, dabei einen Großteil der Aufprallenergie abfängt und die Insassen so vor Verletzungen schützt. Die Versetzungen wirken dabei wie Nanoscharniere, an denen sich ein Metall biegt. Über dieses Phänomen sind die Düsseldorfer Wissenschaftler eher zufällig gestolpert, als sie einen zähen manganhaltigen Stahl untersuchten, der mit Nanopartikeln verstärkt ist. Dieses Material analysierten sie mit Hilfe der Atomsonden-Tomografie. Foto: MPI für Eisenforschung Dabei fanden sie im Stahl Ketten manganreicher Nanoperlen. Nur 2 nm sind die feinen Schläuche weit, in denen sich das Mangan sammelt. Und das tut es auch nicht auf ganzer Linie, sondern eher in Form einer Kette manganreicher Nanoperlen. Geänderte Kristallstrukturen Um die größere Zahl an Manganatomen in diesen winzigen Arealen unterzubringen, muss sich die Kristallstruktur des Materials ändern. Normalerweise sitzen an den Ecken einer würfelförmigen Elementarzelle, der kleinsten Baueinheit der Struktur, Eisenatome, und nur in ihrem Inneren befindet sich ein Mangan - atom. Die Eisenforscher sprechen von einer kubisch-raumzentrierten oder einer Martensit-Struktur. Die Mangankonzentration in der Nano-Perlenkette entspricht aber einer Anordnung, in der Manganatome auf jeder Fläche der Elementarzelle untergebracht sind; im Fachjargon eine kubisch-flächenzentrierte oder Austenit-Struktur. Abweichungen von der regulären Kristallstruktur eines Metalls kannten Materialwissenschaftler bislang nur in zweidimensionaler Form, nämlich von den Grenzen der einzelnen Kristallkörner, die einen Werkstoff bilden. „Als wir sahen, dass sich das Mangan in dünnen Schläuchen anreicherte, hatten wir die Idee, es könne sich um räumlich begrenzte chemische und strukturelle Zustände entlang von Liniendefekten handeln“, erklärte Dirk Ponge, der an der Studie maßgeblich beteiligt war. 2 Strukturwandel im Stahl: Mit Aufnahmen eine Transmissions-Elektronenmikroskops (grau) machten Wissenschaftler des Max Planck-Instituts für Eisenforschung in einer Legierung aus Eisen (Fe) und Mangan (Mn) Liniendefekte sichtbar. Die Atomsonden- Tomografie zeigt ihnen die Verteilung der Eisen- (blau) und Man ganatome (grün). 20 <strong>Stahlreport</strong> 10|16
Salzgitter beteiligt sich an neuem Forschungsvorhaben Stahl kann noch grüner werden Der Salzgitter-Konzern beteiligt sich an dem internationalem Forschungsprojekt GrInHy – mit dem Ziel der energieeffizienten Wasserstofferzeugung bei der Stahlherstellung. Dadurch könnte bei dieser Produktion künftig weniger Kohlendioxid (Co 2 ) entstehen, Stahl grüner werden. Allerdings geht es um ein sehr komplexes Vorhaben. Bisher sind die Möglichkeiten der Einbindung erneuerbarer Energien in den Verbund eines integrierten Hüttenwerkes beschränkt. Wasserstofferzeugung mit Hilfe von Strom aus solchen Quellen könnte eine Option dazu bieten und für unterschiedliche Produktionsstufen der Stahlherstellung eingesetzt werden. Dies würde gleichzeitig die Möglichkeit eröffnen, CO 2 -Emissionen zu reduzieren, gilt aber unter den heutigen Rahmenbedingungen als nicht wirtschaftlich. Zentrales Element von GrInHy ist der Bau eines der weltweit leistungsstärksten reversiblen Hochtemperaturelektrolyseure (HTE) sowie dessen Betrieb im industriellen Umfeld auf dem Produktionsgelände der Salzgitter Flachstahl GmbH. Diese Anlage kann sowohl im Elektrolysebetrieb Wasserstoff (H 2 ) und Sauerstoff (O 2 ) aus Wasserdampf produzieren als auch im Brennstoffzellenbetrieb Strom erzeugen. „GrInHy“ steht dabei für „Green Industrial Hydrogen via reversible high-temperature electrolysis“. Das Vorhaben GiInHy ist 2015 gestartet worden und wird seit Anfang dieses Jahres mit 4,5 Mio. € u.a. von der EU gefördert. Die Inbetriebnahme der Anlage bei Salzgitter soll im Sommer 2017 erfolgen. Komplexes Vorhaben Der mit Hilfe des HTE produzierte Wasserstoff könnte zur teilweisen Substitution von Kohlenstoff als Reduktionsmittel im Hochofen dienen oder bei bestehenden Glühprozessen eingesetzt werden. Im Verbund mit dem integrierten Hüttenwerk des Salzgitter-Konzerns bietet sich zudem die Möglichkeit, energieeffizient Abwärmepotenziale zu nutzen, um hohe elektrische Wirkungsgrade bei der H 2 -Herstellung zu erzielen. Wegen der langfristig gesteigerten Verfügbarkeit von Windkraftstrom aus Norddeutschland liegt dessen Einsatz in Niedersachsen nahe. Der Erfolg ist u. a. abhängig vom Ausbau der Verteilernetze und von gesetzlichen Rahmenbedingungen, wie der Entwicklung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes. Die eingehende Bewertung der technologischökonomischen Machbarkeit ist somit Teil des Projektes. 2 Leichtbauwohnsysteme Stahl für die schnelle Hilfe Angesichts z.B. der aktuellen Flüchtlingssituation und der generellen Problematik auf dem Wohnungsmarkt hat ein Produkt aus Stahl Hochkonjunktur: Leichtbauwohnsysteme. Darauf hat die Wirtschaftsvereinigung Stahl kürzlich werbend hingewiesen: Vorbild ist der raumschließende Trockenbau, dem eine tragende Komponente hinzugefügt wird. Leichtbaukonstruktionen aus Stahl verfügen über eine Struktur aus dünnwandigen, kaltverformten Stahlprofilen mit gegenüber dem klassischen Trockenbau etwas größerer Materialdicke von rund 1,5 mm. Die Profile werden zu leichten, aber äußerst tragfähigen Rahmen, Trägern und Stützen verbunden. Beplankungen mit gips-, zement- oder leimgebundenen Werkstoffplatten übernehmen die Aussteifung der Konstruktion. Weitere Schichten des Wandaufbaus, wie etwa Dämmmaterialien und Dampf- und Windsperren, ermöglichen bei fachgerechter Anwendung die Erfüllung sämtlicher Anforderungen an den Wärme-, Schall- und Brandschutz sowie die Winddichtheit. Die Bauweise eigne sich sowohl für den Neubau von ein- und mehrgeschossigen Gebäuden als auch für das Bauen im Bestand. Und bei beengten Baustellenerschließungen trage die Montage vor Ort ohne aufwändige Hilfsmittel zur Kostenreduzierung bei, ebenso wie kurze Bauzeiten. Baufeuchte falle nicht an, lange Aushärtzeiten wie bei nassen Bauweisen gebe es nicht. Alle Bauteile ließen sich in der Werkstatt weitgehend vorfertigen. Darüber hinaus könne eine Stahl-Leichtbaukonstruktion nicht brennbar In der Werkstatt vorgefertigte Bauteile für die Montage von Wohnsystemen aus Stahl. ausgeführt werden und verfüge über gute bauakustische sowie wärmedämmende Eigenschaften. So weitere Argumente für den Einsatz solcher Systeme. [ Info ] Detaillierte Informationen zu Planung und Ausführung hält die Wirtschaftsvereinigung Stahl auf ihrer Website >www.stahl-online.de< (Stahlanwendung/Bauwesen) bereit. Foto: Protektorwerk Florenz Maisch, Gaggenau <strong>Stahlreport</strong> 10|16 21
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