Wear mechanisms at high temperatures as acting at the industry application sinter grate

Abstract

Kurzfassung Verständnis für die Verschleißmechanismen in Hochtemperaturanwendungen wie z.B. die Sinterroste einer Sinteranlage in der Stahlproduktion ist von hohem Interesse für die Industrie. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, Materialeigenschaften wie Härte, Hartphasenanteil sowie Matrixeigenschaften und Feinheit der Mikrostruktur mit dem Verschleißwiderstand in schlagbeanspruchten sowie abrasiven Anwendungen bei hohen Temperaturen zu korrelieren. Die Einflüsse unterschiedlicher Verschleißbeanspruchungen wurden jeweils in speziell dafür geeigneten Tribometern untersucht. Ermüdungsverschleiß durch zyklische Schläge kombiniert mit Abrasion wurde im HT-CIAT getestet. Das Materialverhalten bei Einzelschlägen hoher Energie wurde im SIT getestet. Während dieser Untersuchungen konnten unterschiedliche dominierende Verschleißmechanismen gefunden und mit einzelnen Materialeigenschaften in Verbindung gebracht werden. Um diese Korrelationen zu bestätigen, wurden vier unterschiedliche Werkstoffe, welche sich für eine Hochtemperaturanwendung wie den Sinterrost eignen könnten, in einem Hochtemperatur- Erosionstest geprüft. Die Verschleißmechanismen wurden mit Hilfe von licht- und rasterelektronenmikroskopischen Techniken untersucht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass bei hohen Temperaturen die Matrix-Karbid- Anbindung sowie die Matrixhärte großen Einfluss auf die Verschleißbeständigkeit bei den einzelnen Tests haben. Im Zuge dieser Arbeit wird gezeigt, welche Materialeigenschaften bei welchen Materialbeanspruchungen wesentlich sind. Die Ergebnisse zeigen auch, dass bei hohen Temperaturen speziell bei hartphasenreichen Werkstoffen Materialermüdung zu einem wesentlichen Verschleißmechanismus wird. Speziell bei Abrasivbeanspruchung ist ein gewisses Maß an Hartphasen notwendig, um den Verschleiß zu reduzieren. Die Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass bei hohen Einzelschlägen ein feines Gefüge von Vorteil ist. Die SI-Tests zeigen, dass spröde Materialien ab einer kritischen Aufschlagenergie zum Ausbrechen neigen. Aus Erosionstests ist abzuleiten, dass der Verschleiß speziell bei duktilen Materialien bis zu einer kritischen Partikelenergie stark ansteigt und sich ab dieser Energie kaum weiter erhöht. Die Experimente mit thermisch gealterten Materialien weisen darauf hin, dass bei einer hitzebeständigen Matrix (z.B. austenitisch) die Materialermüdung bei hohen Temperaturen weniger stark ausgeprägt ist und somit weniger Verschleiß bei hohen Temperaturen auftritt. Die Ergebnisse der mechanisch-dynamischen Untersuchungen belegen außerdem, dass für manche Werkstoffe eine kritische Temperatur existiert, oberhalb welcher sich der Verschleißmechanismus ändert. Bei Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe mit unterschiedlichen Gefügetypen ändern sich die beobachteten Verschleißmechanismen, sobald die kritische Temperatur überschritten wird. Andere Werkstoffe ändern ihr Verschleißverhalten kontinuierlich, und die Verschleißrate korreliert mit der Warmhärte des Materials. Ändert sich die Verschleißrate sprunghaft beim Überschreiten einer Temperatur, istdas oft auf eine Änderung des Verschleißmechanismus zurückzuführen, wie z.B. Überschreiten einer kritischen Oxidationstemperatur oder Herausbrechen der Hartphasen durch eine Verschlechterung der Bindung Matrix - Karbid.<br />

Abstract The understanding of the different wear mechanisms at high temperature applications like the sinter grate real system are of major interest for the industry today. The main aim of this work was to investigate the influence of material parameters such as macrohardness, hard phase content, microstructure coarseness and matrix properties on the wear resistance in impact loading and abrasive applications at high temperatures. Each wear mechanism was investigated in a special test tribometer. Fatigue wear caused by multiple impacts combined with abrasion was tested in the High Temperature Continuous Impact Abrasion Test (HT-CIAT). Material behaviour at heavy single impacts has been evaluated in the Single Impact Test (SIT). In those investigations, predominant wear mechanisms were identified and correlations to different material parameters could be presumed. In order to confirm these correlations, four different alloys which are promising to be used in high temperature applications such as a sinter grate have been studied in the High Temperature Erosion Test (HT-ET) at different impact angles and different impact energies. In this test, especially the change of wear mechanism caused by increasing testing temperature was analysed in detail. Characterisation of microstructure and wear behaviour has been done by optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM). The results obtained by the different measurement techniques were linked and set into comparison to calculate the volumetric wear of the specimen. The results indicate that the ability of the matrix to bond carbides at high temperature as well as the matrix hardness at high temperatures are strongly influencing the wear resistance in the different tests. It is shown how different material parameters influence the wear rates in different material demands. The test results indicate that at higher temperatures, material fatigue becomes a major wear determining factor (especially at materials with high hard phase content) which makes the matrix hardness and the ability of the matrix to bond carbides at high temperatures very important. Especially in case of abrasive wear a certain content of hard phases is also necessary to keep the wear at a low level. It could also be shown that in impact loading applications a coarse microstructure is a disadvantage. The results also indicate that material parameters such as hardness and hard phase content can be correlated to the erosion wear rates at different impact angles. The test results also confirmed that there is a critical impact energy for each material above which the wear rate increases significantly. Erosion Test results with thermally aged materials show that a more heat resistant matrix results in less material fatigue, thus resulting in lower wear rates. It was found that materials have a critical temperature above which the wear mechanism changes. In this work it is shown for different alloys how the wear mechanisms change depending on differentmicrostructural parameters once the critical temperature is exceeded. It was found that below 800°C some materials change their wear behaviour gradually with temperature, and some materials have a critical temperature above which the behaviour changes significantly. It was found that the gradual changes seem to be correlated to the hot hardness of the material. When the changes become significant, it is often due to a change in the wear mechanism, as e.g. when the matrix gets too soft to support the carbides, and thus breaking of the carbides becomes the dominant wear mechanism, or by reaching a critical oxidation temperature above which oxidation causes the material to fail.