KLAUSUREN: und

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1 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 1 KLAUSUREN: und Legierung mit Fe-C 7.1 Das reine Eisen reines Eisen verändert nach seiner Erstarrung die Gitterstruktur mehrfach. Dies steht im Gegensatz zu Metallen wie Al, Cu, Ni. Neue Raumgitter mit veränderten Gitterkonstanten a führen zu Änderungen der Atomschwingungen es wird Energie frei, die abgeführt werden muß. Es kommt zu einer Verzögerung des stetigen Abkühlverlaufs. Es entstehen Haltepunkte. Diese werden benutzt, um die Punkte zu quantifizieren. Es existieren 2 unterschiedliche Elementarzellen 7.2 Das Legierungselement C Atomdurchmesser von 0,077 nm Allgemeine Aussagen: werden fremde Atome in das Eisengitter eingebracht, so werden die Punkte Ar und Ac während der Abkühlung beeinflusst, d.h. die quantifizierten Werte verändern sich. Im flüssigen Zustand kann Eisen eine bestimmte Menge an C lösen. Diese Löslichkeit nimmt mit fallender Temperatur ab. Physikalische und chemische Besonderheiten des C C hat zu vielen Elementen eine besondere Beziehung, es ist die C-Affinität. Es bildet mehr oder weniger Carbide. Hat gelöster C während der Abkühlung Zeit, so bildet er eigene Kristalle (Graphit). Es muss jedoch eine bestimmte Menge an C im Eisen vorhanden sein. Hat der gelöste C wenig Zeit bei der Erstarrung und ist die C-Menge gering, so bildet C Fe 3 C Schlussfolgerung: C kann in zwei Formen erstarren Graphit und Fe 3 C Liegt C als Graphit vor, so nennt man diesen Zustand stabil, d.h. es wird ein stabiles Fe-C- Erstarrungssystem geben. Liegt C gebunden vor (Fe 3 C), so nennt man den Zustand metastabil. Metastabil bedeutet aber auch, dass durch Wärme der C von der gebundenen Form in die ungebundene Form überführt werden kann. 7.3 Aufbau des Fe-C Zustandschaubildes (metastabil) Allgemeine Aussagen Linie A, B, C, D = Liquiduslinie Linie A, E, C, F = Soliduslinie Linie G-S: gibt die Veränderung der Temperatur der γ-α-umwandlung in Abhängigkeit vom C-Gehalt an 911 C 723 C 0,8% C Linie E-S: gibt die Veränderung der Löslichkeit des C des γ Mischkristalls an Linie E-A: Erklärungen von Phasen und Gefügen Phasen: sind homogene Körper mit etwa konstanten Eigenschaften und Grenzflächen Gefüge: Es besteht von 1 bis n Phasen Punkt C: = Eutektikum = Ledeburit

2 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 2 Punkt S: = Eutektoider Punkt Es gibt drei Hauptbereiche: ,1 %C Stahlecke 2. 2,1 4,3%C Untereutektische Legierung 3. > 4,3% Übereutektischer Bereich technisch uninterissant 2 Nebenbereiche ,8%C untereutektoider Bereich 2. 0,8 2,1%C übereutektoider Bereich Abkühlung einer Fe-C-Legierung mit 0,4% C Erstarrung bei 1520 C Austenit Erstarrung bei 1450 C beendet (Phase: γ Eisen; Gefüge: Austenit) Abkühlung bei 780 C: Austenit Bei Berührung der Linie G-S beginnt, das im Überfluss vorhandene α Eisen sich auszuschalten. Gefüge: Ferrit Bei P-S 723 C liegt vor: α Fe(Ferrit) + γ-fe (Austenit mit 0,8% C) Abkühlung einer Fe-C-Legierung mit 1,6% C Schmelze Austenit (als Gefüge) Perlit α Mischkristall + Fe 3 C γ Mischkristall α Mischkristall Ferrit Abkühlung einer Fe-C-Legierung mit 3% C Eutektikum: γ Mischkristall + Fe 3 C ( C) Eutektikum: (< 723 C) Perlit + Fe 3 C Zusammenfassung: Der Zerfall des γ Mischkristall (Bildung von Perlit) ist im Fe-C-Diagrammm ein sehr wichtiger Vorgang. Immer wenn Austenit 0,8% C hat, zerfällt es bei 723 C und wandelt sich in Perlit um. Das kfz Gitter des Austenits, wandelt sich relativ schnell in das krz - Gitter um. Die eingelagerten C-Atome werden aus dem α Gitter herasugedrängt und müssen nach außen deffundieren.. Es bildet sich lamellenartig Fe 3 C + α Mischkristall 7.4 Eigenschaften von Fe-C-Legierungen Die Eigenschaften werden sowohl von C als auch von den Fe-Begleitern bestimmt. Fe-Begleiter sind solche Stoffe, die aus wirtschaftlichen Gründen nicht aus der Fe-C-Legierung entfernt werden. Das sind S, P, Mn, Si, O, N, H Kohlenstoff Fe-C-Legierungen sind ein Gemisch aus zwei Phasen α-mischkristall + Fe 3 C. Beide Phasen haben unterschiedliche Eigenschaften. Die Phasen liegen in Abhängigkeit vom C-Gehalt in Unterschiedlichen Mischungsverhältnissen vor. Beispiel: 0,45% C (C45) Zusammensetzung: ca. 50% Ferrit + 50% Perlit (α-mk + Fe 3 C) Ferrit: fast reines Eisen krz, R m = 300 N/mm² hohe Zähigkeit sehr gute Verformbarkeit (kaltverformbar) magnetisch

3 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 3 Austenit: oberhalb 723 C Eisen mit gelösten C kfz magnetisch sehr zäh sehr gut verformbar Zementit: ist ein Karbid (Fe 3 C) komplizierte Elementarzelle dadurch sehr hart keine Dehnung (spröde) nicht verformbar hohe Zugfestigkeit Eigenschaftsänderung einer Fe 3 C-Legierung von 0 1,2% C 0 % 0,8 % 1,2 % 1,6 % Rm 300 N/mm² 900 N/mm² bis hier konst. HB HB 90 HB 210 A(Dehnung) 30 % 5 % Z(Einschnürung) 70 % 5 % Warmformbarkeit: sinkt mit steigendem C Gehalt Kaltformbarkeit: sinkt mit steigendem C Gehalt Schweißbarkeit: C 0,25 % Härtbarkeit: ab 0,3 % C Einfluss der Eisenbegleiter Si: hat eine große Affinität zu Sauerstoff es bildet hochschmelzende Oxide / Keimbildung. Silizium senkt die Kaltverformbarkeit Graphitbildner Mn: hat eine hohe Schwefel-Affinität (MnS) uns Sauerstoffaffinität (MnO). Nachteil: es bildet die Fe 3 C Bildung P: macht Stahl kaltbrüchig (Achtung bei umformen); allgemein: P < 0,2 % - P so niedrig wie wirtschaftlich möglich S: macht den Stahl rotbrüchig (stört die Warmumformung), S Gehalt so wenig, wie möglich O: bildet sich Eisenoxid, Ts < 1500 C; Rotbruchgefahr; Gegenmittel: Zugabe von Elementen mit hoher O Affinität (z.b. Al, Ti, Niob) N: führt zu Versprödung des Stahls durch Ausscheidungen von N und N-Fe-Verbind. H: Kann man schlecht binden führt zu Gasblasenbildung (Fehlstelle im Stahl) 8. Stoffeigenschaftsänderung 8.1 Grundlagen der Stoffeigenschaftsänderung Ziel: Neue, andere oder verbesserte Eigenschaften durch Umlagern, Auslagern oder Einlagern von Teilchen (Ausnutzung der Diffusion) Grundlagen zur Realisierung des Zieles: unterschiedliche Löslichkeit von C im α γ Mischkristall (γ-mk kann 2,1%C lösen) Menge des gelösten C in Eisen Variation der Abkühlgeschwindigkeit Be- und Verhinderung von Diffusionsvorgängen Aufbau oder Abbau von Diffusionsgefällen Temperaturabhängigkeit von Kristalleigenschaften (Korngröße, Kornform) Durch Zugabe von Legierungselementen ist ebenfalls eine Eigenschaftsänderung vorhanden

4 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 4 Allgemeine Vorgehensweise: Erwärmen Halten Abkühlen f(zeit) A u s g a n g s p u n k t F e C D i a g r a m m Bei der Stoffeigenschaftsänderung stehen Temperatur, Zeit, Reinheitsgrad, Anzahl und Menge der Stahlbegleiter, sowie die Menge und Anzahl von Legierungselementen im Zusammenhang. 8.2 Glühen Glühen ist erwärmen des Werkstoffs auf eine bestimmte Temperatur unterhalb der Soliduslinie, halten bei der selben Temperatur und anschließend abkühlen. Je nach Verfahren variieren Temperatur und Zeit Normales Gefüge Feinkörnig, rundlich und möglichst gleich große Körner Grund: Das Gefüge ist nach dem Schmieden, Walzen nicht mehr normal, es ist grobkörnig und hat eine Textur Beseitigung unerwünschter Erscheinungen. Der Normalzustand lässt sich immer wiederherstellen. Das Gefüge besitzt wiederkehrende Eigenschaften (Rm, Re, R p0,2, ε) Untereutektoider Stahl: Erwärmung: Bei Berührung der Linie PS beginnen die α Mischkristalle des Perlits sich in γ-mk umzuwandeln. Zwischen den Perlitschichten bilden sich viele kleine Austenitkörner, die Fe 3 C (Zementit) auflösen (Austenit kann bis 2,1% C lösen, Fe 3 C zerfällt bei Wärme es entsteht ein Konzentrationsgefälle). Je höher die Temperatur steigt, umso mehr wird Ferrit in Austenit umgewandelt. Bei Berührung der Linie G-S liegt feinkörniger Austenit vor. Danach erfolgt eine sofortige Abkühlung kurz unterhalb der Linie P-S feinkörniger Ferrit und feinkörniger Perlit. Verfahrensablauf 1. langsame Erwärmung auf 600 C (Vermeidung größerer T-Unterschiede) 2. danach schnelle Erwärmung auf C über Linie G-S 3. schnelle Abkühlung unterhalb der Linie P-S 4. beliebig weiter abkühlen Haltezeitberechnung a) siehe DIN-Norm b) minimale Haltezeit tmin=s.k in min s Werkstückdicke; k Erfahrungsfaktor (bei Stahl 2 min/mm) c) maximale Zeit tmax = Wanddicke/ Übereutektoider Stahl 1.) Erwärmung auf Temperaturen oberhalb S-K Perlitzerfall (siehe vorher). C des Fe 3 C geht in Austenit 2.) Der Korngrenzenzementit wandelt sich in eine kuglige Form um Verfahrensablauf 1. Erwärmung auf C oberhalb S-K 2. zügige Abkühlung auf unterhalb S-K 3. beliebig weiter abkühlen Wichtige Anwendungen Stahlguss: Formsand ist ein sehr guter Isolator Grobkornbildung (das Gussstück hält sich sehr lange im Gebiet der Grobkornbildung des Fe-C-Diagramms auf (G-C25 Formguss)

5 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 5 Schmiedeteile: sie kühlen häufig unkontrolliert ab unterschiedliche Kristallgrößen bis zur Grobkornbildung Teile, die mit anderen Glühverfahren sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind (Einsatzhärten) Kaltverformte Teile mit kritischem Umformgrad φ < 10% Schweißteile bei nachfolgender dynamischer Belastung Grobkornglühen Zweck: Grobe Korn reduziert die WS-Kennwerte schwer zerspannbare WS, z.b. Stahl mit geringem C-Gehalt, werden in ihrer Zerspannbarkeit verbessert. Innere Vorgänge: an den Korngrenzen befinden sich Verunreinigungen (Korngrenze = Verunreinigung). Bei hohen Temperaturen löst das Kristallgitter diese Fremdstoffe auf. (z.b. Phosphor). Es erfolgt Einlagern in die Kristalle es liegen gleichartige Kristalle ohne Trennschicht vor. Die kleineren werden von den größeren vereinnahmt. Ursache: Atome streben dem Einkrsitall zu Verfahrensdurchführung: Temperatur: 150 C oberhalb der G-S-Linie; Zeit: mehrere Stunden Anwendung: Spannbarkeit verbessern Weichglühen Ziel: niedrigste Härte bei hoher Bruchdehnung (für umformende Fertigungsverfahren günstig) Aufgabe: Bei unlegierten C-Stählen muss der lamellarer Zementit entweder zerstört oder in eine andere geometrische Form überführt werden. Innere Vorgänge: 1.) Untereutektoider Stahl Erwärmung des Stahls bis kurz unterhalb der Linie P-S der streifige Perlit wandelt sich in kugeligen Perlit um. Ursache: - steigt T. nimmt die Bewegung der Atome zu - Fe 3 C ist temperaturabhängig in seiner Beständigkeit - Körper streben nach geometrischer Form der geringsten Oberfläche 2.) Übereutektoider Stahl Es werden 2 Vorgänge genutzt: 1. Erwärmung bis zur Linie S-K Umwandlung des Zemntits in Perlit, der Korngrenzenzementit bleibt erhalten 2. Erwärmung über S-K es beginnt die Austenitbildung (Austenit holt sich C von Fe 3 C der Korngrenzen). Dieser Vorgang benötigt Zeit. Vor Abschluss dieses Vorganges: Absenkung der Temperatur unterhalb S-K. Der sich jetzt bildende Zementit des Perlits wird rundlich. Dieser Vorgang muß mehrfach wiederholt werden. Beachtung der Informationen der Stahlhersteller Anwendungen: o Verbesserung der spanlosen Bearbeitbarkeit o Bei Stählen mit C > 0,5 % wird die Zerspannbarkeit verbessert o Unter Umständen eine Vorbereitung für eine bessere Härtung Ck / 700 C Ck / 750 C pendelnd Spannungsarm Glühen Ziel: Verringerung der inneren Spannungen /Eigenspannungen Ursachen für innere Spannungen o Behindernde Schwindung beim Gießen und Schweißen

6 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 6 o Beim Schweißen kommt es zu Gefügeumwandlungen o Kaltverformungen (Spannungen sind über dem Querschnitt nicht gleichmäßig verteilt) Achtung: Eigenspannungen werden im Betriebszustand durch die dort entstehenden Spannungen überlagert. Innere Vorgänge: 1. Das Gefüge verändert sich nicht bei diesem Glühverfahren unterhalb P-S-K 2. sind hohe Eigenspannungen vorhanden, so gibt der WS bei Erwärmung nach Ursache: Rm und Re sind temperaturabhängig 3. es bleibt eine Restspannung übrig Zusatz: Wurde vorher über einen bestimmten Grad umgeformt, so entsteht ein Rekristallisationsgefüge. Anwendung: - Schweißkonstruktionen nach dem Schweißen - Hochgenaue Teile vor einer spannenden Endbearbeitung - Schmiede- und Gussteile werden spannungsarm geglüht Diffusionsglühen Ziel: lösliche Phasen des Gefüges sollen gleichmäßig verteilt werden. (z.b Kristallseigerungen) Innere Vorgänge: o Austenit ist kfz und hat aufgrund seiner Packungsdichte gute Löslichkeitseigenschaften o Perlit besteht aus α Mischkristallen (krz aufgrund seiner Packungsdichte geringere Löslichkeit) und Fe 3 C o Zwischen Austenit und Ferrit bestehen unterschiedliche Lösungseigenschaften es existieren unterschiedliche Anreicherungen von Phasen im Gefüge = Konzentrationsgefälle kann nur durch Erwärmung beseitigt werden Es muß ein Kompromiss gefunden werden zwischen Ökonomie und Konzentrationsgefälleausgleich.

7 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 7 Verfahrensdurchführung Temperatur langsam auf 1000 bis 1300 C je nach C-Gehalt erwärmen. Dann halten Abkühlen Nachteil: Grobkornbildung Normalglühen Anwendungen: Automatenstähle (zur Vermeidung von Sulfid) Legierte Stähle Ziel: Verbesserung der Carbid-Verteilung Rekristallisationsglühen siehe Abschnitt 5.10/ Härten, Anlassen, Vergüten 9.1 Härten bisherige Darstellung: Wärmebehandlungsprozesse wurden anhand der Diffusionsgeschwindigkeit von C- und Fe-Atomen erläutert. Das Fe-C Zustandsschaubild beruht auf der Betrachtung Zeit Abschreckmittel Vab in C/s H 2 O + 10 % NaOH 700 C H 2 O + 10 % Salz 600 C Eiswasser (4 C) 500 C H 2 O (20 C) 450 C Öl 200 C Druckluft 35 C Ruhige Luft 5 C Ein Draht mit geringem Durchmesser aus C60 wird in verschiedenen Abschreckmitteln abgeschreckt Ergebnisse: 1. Abkühlung im Ofen Ferrit, Perlit 2. Abkühlung an der Luft feinkörniger Perlit, der Ferritanteil verringert sich etwas 3. Abkühlung im Bleibad Perlit wird noch feinkörniger, Ferritanteil geht gegen 0 4. Abkühlung im Öl feinkörniger Perlit, entsteht neues Gefüge Martensit 5. Abkühlung im Wasser kein Perlit mehr, liegt nur noch Martensit vor Punktbezeichnung: Die Vab, wo erstmal Martensit auftritt, heißt untere kritische Abkühlgeschwindigkeit. Die Vab, wo kein Perlit mehr im Gefüge nachweisbar ist, heißt obere kritische Abkühlgeschwingkeit. Härten: ist eine Wärmebehandlung des Stahles, bei der bei einer Temperatur oberhalb der Linie G-K-S mit solcher Geschwindigkeit abgekühlt wird, dass entweder oberflächlich oder durchgreifend eine erhebliche Härtesteigerung durch Martensit auftritt. Innere Vorgänge: Voraussetzung: mindestens-c-menge Vab ist wesentlich größer als Vdif; Vab>>Vdif (die C-Atome können nicht aus dem Austenit deffundieren) Die Löslichkeit von Mischkristallen α-mk: 0,02 % C γ-mk: <2,1 % C Vab>>Vdif führt dazu, dass die Linie G-S-K sich in Richtung der Raumtemperatur verschiebt.

8 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 8 Die α-γ-umwandlung ist ein objektives Gesetz (gesetzmäßig) sie findet auch bei schneller Abkühlung statt das im Austenit deagelöste C wird im α-gitter eingeklemmt. (siehe Bild 48) das Gitter wird verspannt Beispiel: C=0,8% unverspannt: x,y,z-richtung verspannt: in z-richtung um 0,012 nm tetragonale Aufweitung führt zu starken inneren Spannungen (messbar durch zunehmende Härte) Die Vergrößerung der Elementarzelle in z-richtung führt zu einer Volumenvergrößerung Die dargestellten Vorgänge sind im Fe-C-ZSB nicht ablesbar die Entwicklung eines Z(Zeit)- T(Temperatur)-U(Umwandlung)-Schaubildes Ein Z-T-U-SB gibt an; an welcher Stelle hat der Austenit seine größte Umwandlungsneigung welche Vab ist erforderlich, um die Perliterzeugung zu unterdrücken ab welcher Temperatur und Zeit ist Martensit vollständig vorhanden welches Gefüge ist im Rand oder im Kern zu erwarten (Bild 52) Zwei Möglichkeiten des Härtens 1. kontinuierliche Abkühlung = Austenitisieren Oberhalb der Linie G-S-K Ziel: vollständige Perlitumwandlung im gesamten Querschnitt Vermeidung langer Haltezeit 2. Bei konstanter Temperatur = Abschrecken Ziel: Martensitbildung (Stahlhersteller Information) Vermeidung von Dampfblasenbildung 9.2 Anlassen Alle abgeschreckten Teile mit Martensitbildung sind sehr spröde. Häufig so nicht verwendbar. Günstig wäre Härte + eine gewisse Zähigkeit erreicht wird das durch den Vorgang des Anlassens. Drei Anlassbereiche: 1. bis 200 C entspannendes Anlassen (leicht gelb) C Anlassen C Vergüten innere Vorgänge: Voraussetzung 100% Martensit bis ca. 180 C: es werden Härtespannungen ausgeglichen Härte geht unwesentlich zurück ab 180 C: es gibt die Vergrößerung des Gitterabstandes a Zwangslage des C-Atoms wird gelockert mit zunehmenden Temperaturen wird das C-Atom (krz) heraus geschoben es bilden sich feinste Fe 3 C-Kristalle der Vorgang der Fe 3 C Bildung ist kurz unterhalb 723 C beendet Verfahrensdurchführung Nach dem Härten ist in Luft, Metall- oder Salzbädern auf die Anlasstemperatur zu erwärmen Anlassfarben: - gelb 200 C - braun 260 C - rot 270 C - blau 300 C Warmarbeitsstähle werden auf C oberhalb der Betriebstemperatur angelassen.

9 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: Vergüten Vergüten = Härten dann auf oberhalb 400 C Anlassen Ziel: Erreichung besondere Eigenschaftskombinationen. Erwärmt wird auf Temperaturen größer 400 C bis theoretisch 723 C (prakt. bis 660) Härte wird fallen bzw. sinken Z, A und Kv nehmen zu Vergütungsstähle haben eine starke Verformung vor Bruch Voraussetzung: C > 0,25% und C 0,6% Innere Vorgänge: siehe Anlassen Fe 3 C in ferritischer Grundmasse Problem: Durchhärtung z. B. 42CrMo4 9.4 Zwischenstufenvergüten 1. Austenitisieren 2. Abkühlen auf beispielsweise 400 C 3. Längere Zeit halten 4. Abkühlen an Luft Ziel: Erzeugen eines Gefüges, welches sich zwischen Perlit und Martensit einordnet. Es heißt Bainit (Zwischenstufengefüge). Es entsteht ein übersättigter α MK, in dem der C in Form feinster Fe 3 C-Teilchen ausgeschieden ist. Bild 53: 1. Kurve: Normalglühen 2. Kurve: isothermische Umwandlung von Austenit in Perlit 3. Kurve: Vabkrit niedrieg 4. Kurve: isothermische Umwandlung zu Bainit 5. Kurve: Wärmebadhärten 6. Kurve: H2O- oder Ölbadabschreckung 7. Kurve: Vabkrit hoch Härtefehler Abgeschreckte Teile haben Maß- und Formabweichungen innere Spannungen σ zug Abschreckmittel: Hinweise der Stahlhersteller beachten gebrochenes Härten (2 Abschreckmittel)

10 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 10 Verwendung von Vorrichtungen Dampfblasenbildung (Dampf = hervorragender Wärmeisolator) Problem: Durchhärtung siehe vorher 9.5 Aushärtung bisher: α - γ - Umwandlung Erzeugung der Härte durch Gitterverzehrungen aber: Solche Metalle, wie Al, Cu verändern ihre Elementarzelle nicht Hier ist die Aushärtung nicht möglich. Diese Werkstoffe können nur durch Ausscheidungsvorgänge in ihrer Härte beeinflusst werden. Prinzip: Nutzen der Begrenzten Löslichkeit von Legierungsebenen in Abhängigkeit der Temperatur 9.6 Kalt-, Warm-Aushärtung Verfahren: Lösungsglühen Ziel: Homogenes Mischkristall 1. Abschrecken: Ziel: Erzeugung übersättigter Mischkristalle Auslagern: Ziel: Legierungselement in Mischkristall an die Korngrenze zu bringen, erreichen intermetallischer Phasen. 2. Methoden zum Auslagern Kaltauslagern 7 Tage Warmauslagern ca. 2 Stunden (Bild 55) Aushärten negatives Problem Stahlaltern N und O sind in α-mischkristalle zwangsgelöst, diese Zwanglösung führt in bestimmten Zeiten zum Ausscheiden von N und O. Umformvorgänge beschleunigen diesen Vorgang 10. Oberflächentechnik Umfasst alle Verfahren der Fertigung, Messung und Prüfung, die sich mit Oberflächentechnik befassen Die Oberfläche hat erhebliche Bedeutung in der Technik. Grund: Belastungen greifen direkt an der Oberfläche an. Der Werkstoff wird an der Oberfläche am stärksten beeinflusst. Beispiel: Korrosion, Reibung beide wirken abtragend maximale Spannungen wirken häufig in den Randphasen es ist sinnvoll den Werkstoff an der Oberfläche zu verändern (wirtschaftlich)

11 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 11 Schichtaufbau Randschicht Zwischenschicht Schichtwerkstoff Basiswerkstoff Grundwerkstoff übernimmt die Festigkeitsanforderungen (Temperatur) Schichtwerkstoff übernimmt verschleiß und Korrosionsbeanspruchungen, Reibminderung, Diffusionssperre. Bestehen erhebliche physikalische Unterschiede zwischen dem Rand des Werkstoffs, z.b. Wärmeausdehnung, so werden 1 bis n Zwischenschichten aufgebaut Verfahren zur Stoffeigenschaftsänderung Widerspruch am Bauteil: hohe Härte an der Oberfläche Zähigkeit im Kern Lösung des Widerspruchs Umlagern von Stoffteilchen (z.b. Martensit nur an der Oberfläche) Einbringen von Stoffteilchen (Pulver an der Oberfläche einschmelzen) Kombination weiterer vorheriger verfahren. N und C einbringen, dann umlagern Mechanische Verfestigung der Oberfläche 10.3 Thermische Verfahren Grundlage: Die Randschicht wird chemisch nicht verwendet Verwendet wird Energiequelle hoher Leistung Nach dem Erwärmen muss abgeschreckt werden. Ziel: Martensitische oder Ledeburitische Oberflächen Randschichtenhärten Gasflamme Induktionsspule Laserstrahl, Elektronenstrahl Umschmelzhärten An der Oberfläche muss eine Temperatur von größer Ts vorhanden sein. Vorzug bei Gusseisen 10.4 Thermochemische Verfahren Verfahren: Aufbau eines Diffusionsgefälles an der Oberfläche durch ein Überangebot des Stoffes, welche in die Oberfläche eingebaut werden soll. Hinweis: Diffusionsvorgänge sind temperaturabhängig Einsatzhärten Basis: C-arme Stähle: A, Härte Zweck: Kohlenstoff in die Oberfläche einbringen, C-Gehalt > 0,3 % Voraussetzungen wie beim durchgehenden Härten Nebeneffekt: Eine günstige Beeinflussung des Kerns ist oft möglich.

12 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: - 12 Verfahrensdurchführung: 1.) Aufkohlen 2.) Austenitisieren 3.) Abschrecken Zu 1.) - Austenit kann bei 1147 C 2,1 % C aufnehmen - Bei hohen Temperaturen ist die Elemntarzelle erweitert - C ist bei hohen Temperaturen einzubringen Aufkohlungsmittel: - Holzkohlepulver - NaCN Zyankali - C 3 H 8 Propan Nachteil: Beim Erwärmen mit hohen Temperaturen und längeren Zeiten kommt es zu Grobkornbildung. Nach dem Einsetzen Normalglühen danach Austenitisieren und Härten Nitrieren Ziel: Erreichen von Randschichten hoher Härte ohne Martensitbildung Vorteil: kaum Werkstückverzug, da kaum Volumenveränderung eintreten. Innere Vorgänge: Aufbau von Metall-Stickstoff-Verbindungen, so gennate Nitriede Schichtaufbau: - Außen eine Nitritschicht mit Härte von ca HV - Unterhalb liegt eine Zwischenschicht mit angereichertem Stickstoff Voraussetzungen: N- aufnehmende Elemente Beispiel a: Al, Cr, Mo, V sind Nitritbildner Beispiel b: Das α MK (Ferrit) kann bei 600 C ca. 0,1 % N aufnehmen bei schneller Abkühlung entsteht Eisennitrit im MK Verfahrensdurchführung: 1.) Gasnitrieren: bei ca. 500 C; NH 3

13 Werkstofftechnik 2 WS 03/04 Seite: ) Salzbadnitrieren: NACN, T= C Atomdurchmesser C: 0,077 nm Atomdurchmesser N: 0,071 nm 3.) Plasmanitrieren: im Vakuum Gleichspannung zwischen Anode (N) und Kathode (Werkstück) N wird in die Oberfläche geschossen Nitrocarbunieren Eine Kombination von Aufkohlen und Nitrieren Grundlage: - N verbessert ab 700 C die Diffusion von C - N verringert Vabkrit - N verringert die Abschrecktemperatur die Linie G S wird runtergehen - N Verbessert die Abriebfestigkeit von Martensit Verfahrensdurchführung: a) T > 800 C Randschicht von 0,2 nm 90 min Rand- und Kernumwandlung b) T < 700 C 0,1 nm 90 min nur eine Randumwandlung Kolsterisieren Oberflächenhärten von Austenitstählen X5CrNi18-10 V2A X5CrNiMo18-9 V4A hier wird C in die Oberfläche reingeschossen Patentiertes Verfahren; wird erst seit kurzem in Appeldorn NL von der Firma Bdycot gemacht ist in keinem Lehrbuch zu finden 10.5 MECHANISCHE VERFAHREN Ziel: Erzeugen von Druckspannungen in der Oberfläche Vorgänge: Wird dieses Bauteil durch Kräfte auf Zug belastet, so werden zuerst Druckspannungen abgebaut, bevor die Zugspannungen das Bauteil belasten Vorspannungsprinzip Prinzip zur Dauerfestigkeitserhöhung