Chemie und Werkstoffkunde Script Maschinenbau Semester 2

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1 Chemie und Werkstoffkunde Maschinenbau Semester 2 Vorlesungen bei Prof. Dr. G. Cox Script M. Kringels [1]

2 Inhaltsverzeichnis: Seite I. Fe-C-Legierungen 3 - Element Kohlenstoff Herstellung (Roheisen, Stahlherstellung) Fe-C-Diagramm (Zustandsdiagramm) Behandlung, Manipulation von Fe-C-Legierungen Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU~) Spezielle Wärmebehandlung (Härten, Glühen) II. Legierte Stähle 25 (Niedrig~, Hochlegierte Stähle) Zusatz von Legierungselementen Gusseisen 28 III. Namensgebung 29 IV. Superlegierungen 31 (Hochwarenfeste Legierungen, Basisleg.) Fe < 50% V. Nichteisenmetalle (NE~) [Al~, Cu~, Ti-Legierungen] 33 VI. Keramische Werkstoffe 38 - Eigenschaften und Herstellung Anwendungen (Vergleich zu metallischen Werkstoffen) VII. Kunststoffe 41 - Hauptgruppen - Verarbeitung 44 - Eigenschaften - Prüfung 45 VIII. Verbundwerkstoffe 47 - Arten - Herstellung - Eigenschaften 48 - Anwendung - Berechnung von Verbundwerkstoffen 49 IX. Anhang 52 [2]

3 1. Fe-C-Legierungen I. Fe-C-Legierungen Nach wie vor wichtigster metallischer Konstruktionswerkstoff Stahldaten: ca. 1 Mrd. Tonnen weltweit größte Produzenten: China (~ 200 Mio. Tonnen) Japan USA Deutschland (~ 50 Mio. Tonnen) größte Abnehmerindustrien: Automobilindustrie Bauindustrie Anlagenbau größter Hersteller in Deutschland: Thyssen-Krupp wichtigste Gesichtspunkte (BRD): - Rohstoffbezug: Erze importiert Kohle subventioniert Umweltbelastung Einteilung der Eisenwerkstoffe: Kriterium: Element Kohlenstoff wichtigster Eisenbegleiter Schmelztemperatur T S : Härte (Mindestkonzentration H: erforderlich aber nicht beliebig hoch steigerbar) Mindestzugfestigkeit R m : Streckgrenze R e : Bruchdehnung A: (R m, R e, H) = f(c) A = f(c) Maßgebend: Art und Menge des Kohlenstoffes C kann vorkommen als: chem. Verbindung (Fe 3 C) = Eisenkarbid (Zementit) Mischkristall (in gelöster Form) [,, ] freier Kohlenstoff (Graphit): Lamellenform: GGL [Grauguss, Lamelle] Eigenschaft: relativ geringe Zugfestigkeit (unterbrochene Kraftlinie) Aber gute Schwingungsdämpfung (Einsatz z.b. als Gestell für Werkzeugmasch.) Kraftlinie %C C-Lamellen Kugelform: GGG [Grauguss, globular] heißt auch Sphäroguss Eigenschaft: höhere Festigkeit (ca. 2xGGL) bis ca. 800 N/mm², R m Grund: sanftere Umlenkung der Kraftlinien Kraftlinie C-Kugeln [3]

4 1. Fe-C-Legierungen Temperguss = Guss mit mehr Stahlähnlichen Eigenschaften, insbesondere an der Oberfläche Grund: C-Reduzierungen infolge Langzeitglühen (= temperieren) Menge des Kohlenstoffes: a) Reineisen C-Gehalt < 0,001 % (Masse-%) - sehr weich - keine technische Anwendung - 3 Erscheinungsformen (Modifikationen): f(t): -Fe, -Fe, -Fe = Unterschiedliche Gitterstrukturen - Dilatometerkurve b) Stahl C-Gehalt bis 2% (Masse-%) - entsprechende Eigenschaften (unformbar, härtbar (F(C)), schweißbar ) c) Gusseisen C-Gehalt > 2% bis ca. 5% (Masse-%) - geringe Zugfestigkeit - Spröde - Nur bedingt schweißbar Roheisengewinnung Einsatzstoffe: a) Eisenerze (unterschieden nach Fe-Gehalt) zwischen 20 und 70% [abbauwürdig ab ca. 40%] z.b. Magneteisenstein, Roteisenstein, Brauneisenstein Aufbereitung: Erz zerkleinern, Begleitsubstanzen ( Gangart ) absondern, z.b. magnetisch gute spätere (Wärme-)Energieeinbringung b) Zuschläge Kalkstein, Quarzsand Zweck: Abbindung unerwünschter Eisenbegleiter in Schlacke c) Brennstoffe - Koks (aus Steinkohle) reduziert das Eisenoxid [4]

5 1. Fe-C-Legierungen - Hochofenprozeß Der Hochofenprozess - Aufbau des Hochofens: (Skizze siehe Seite 6) - Gicht: Ofenbeschickung und Abzug des Gichtgases - Schacht: Reduktionsvorgänge - Rast: Erschmelzung des Eisens - Gestell: Abstich von Schlacke und Eisen - Fundament - Technische Daten: Mengen: Tonnen pro Tag Abstiche: ca. alle 2-3 Stunden Laufzeit: bis zu 3 Jahren Instandsetzung: 0,5-1 Jahr Winderhitzer: (gemeinsamer Betrieb von bis zu 5 Winderhitzern) (werden nacheinander zugeschaltet) = Wärmeaustauscher - Hochofenprodukte: Roheisen (3 6% C) Verhältnis weißes Roheisen 9 Stahlerzeugung (Frischen) graues Roheisen 1 Gusseisenverarbeitung Schlacke: Straßenbau, Bauindustrie, Dämmmaterial Gichtgas: Energieträger im gesamten Verhüttungsprozess ca. 75 % des Gases wird genutzt: für Winderhitzung oder weitere Stahlbearbeitung (z.b. Wälzbetrieb) Stoffbilanz: Zur Erschmelzung von t Roheisen: Erze + Zuschläge (4000 t) Roheisen (2000 t) Koks (1200 t) Schlacke (1000 t) Heißwind (5200 t) Gichtgas, Staub (7400 t) Hochofentechnologie = Massentechnologie! wichtig sind Verhältnisse: Beispiele: Roheisen 1 Roheisen 2 = oder Erz 2 Kohle 1 [5]

6 1. Fe-C-Legierungen - Hochofenprozeß Aufbau eines Hochofens Erz + Zuschläge Kohle Winderhitzer 200 C 400 C Gicht Vorwärmzone (Trocknen, Vorwärmen) Heißwind Ringleitung 1100 C Schacht Reduktionszone (indirekt) 800 C Rast 1200 C 1600 C Kohlungszone Schmelzzone (aufkohlen) Heißwind 800 C Gestell 1400 C Schlackenformebene Stichlochebene Roheisen Fundament Schlacke Kaltluft Breite Oben (bei Gicht): ca. 6,4 m Breite Mitte (bei Rast): ca. 12,2 m Breite Unten (bei Gestell):ca. 11,2 m Gesamtinhalt: ca m³ Nutzinhalt: ca m³ Indirekte Reduktion: 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Direkte Reduktion: 3Fe 2 O 3 + C 2Fe 3 O 4 + CO Fe 3 O 4 + C 3FeO + CO FeO + C Fe + CO [6]

7 Alternativverfahren zum Hochofenprozess: 1. Fe-C-Legierungen Hochofenprozeß, Alternativen - Stahlgewinnung Reduktionsverfahren ohne Schmelzfluss, d.h. Herstellung von porösem Eisenschwamm, möglichst reine Erze sind notwendig (sog. Pellets: stark zerkleinertes Erz) und der Einsatz von Reduktionsgasen 1.MIDREX-Verfahren 2.Wirbelschichtofen 3.Drehrohrofen = 2. Ofen drehend Pellets Pellets Gas Eisenschwamm Reduktionsgas Eisenschwamm, porös Roheisen wird erschmolzen Weiterverarbeitung zu Qualitätsstählen Durchsatz: Tonnen pro Tag Stahlgewinnung Ziel: Verringerung des C-Gehalts auf gewünschtes Maß (P, S, Mn, Si, N) Verfahren: FRISCHEN Unterschiede: Art der Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr ältere Verfahren: - THOMAS-BESSEMER-Verfahren (ca. 1850: Einblasen von Luft*) - SIEMENS-MARTIN-Verfahren (ca. 1870: Überleiten von heißer Luft* über Schmelzen-Oberfläche) - Sauerstoff-Aufblas-Verfahren (ca. 1950: Aufblasen von reinem Sauerstoff auf Schmelze. Ziel: schnellere Reaktionen und Vermeidung des Stickstoffes) - LD-Verfahren (LINZ-DONAWITZ-Verfahren) (Chargengröße: t/konverter, Chargenzeit: ca. 1 Stunde, auch Zugabe von Schrott [Kühlschrott, Kreislaufmaterial] (bis zu 30%)) - KALDO-Rotor-Verfahren (Rotation der Stahlkonverter: bessere Durchmischung der Schmelze: Gütestähle) *) großer Nachteil: gleichzeitiges Einleiten von Stickstoff (N) führt zu Stahlversprödung [7]

8 1. Fe-C-Legierungen Stahlgewinnung - Stahlerstarrung neueres Verfahren: Kontinuierliche Stahlerzeugung (Japan, 70er Jahre) direkt vom Roheisen zur Stahlerzeugung, Entfall der Taktzeiten Roheisen Sauerstoff Überlaufwehr LE KONVERTER Stahl Problem: Gewährleistung einer gleich bleibenden Stahlqualität (-zusammensetzung) nicht möglich Stahlkokille Stahlerstarrung Ausbildung von Seigerungen in bestimmten Zonen (Bereiche mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung) Gasblasenseigerungen: (Hohlraum = Einfluss auf Festigkeit (Kerben!)) gasgefüllte Hohlräume Bei Gasabkühlung entsteht Unterdruck Ansaugung von Restschmelze anderer Zusammensetzung Unruhiges/beruhigtes Vergießen: Blocklunker Unberuhigter Stahl: Reaktion: FeO + C = Fe + CO (Blasenbildung) Blasen Beruhigter Stahl: Die Blasenbildung wird durch die Zugabe von zu Sauerstoff affineren Elementen (z.b. Al) unterdrückt. in Form von Al-Pulver: Bildung von Al 2 O 3 Reaktion: 3 FeO + 2 Al = 3 Fe + Al 2 O 3 d.h.: beruhigtes Vergießen! Vorteil: Nachteil: bessere Stahlqualität geringere Ausbringung infolge der Bildung von Blocklunker am Kopf des Stahlblocks Blocklunker Abgetrennt ( verlorener Kopf ) [8]

9 1. Fe-C-Legierungen Stahlerstarrung - Anmerkungen Anschließend ist meist die Weiterverarbeitung durch Massivumformung notwendig. i.d.r.: Umformprozesse: Walzen Schmieden Pressen Herstellung von Halbzeugen (z. B. Bleche, Profile) Anmerkung zur Herstellung von Fe-C-Legierungen Weiterveredelung des Werkstoffes: Sekundärtechnologie Ziel: Qualitätsverbesserung z.b. durch Umschmelzen dabei fungiert der Stahlblock als abschmelzende Elektrode Schema: Primärstahlblock Stromkreis Lichtbogen + Schmelze Keramikführung neuer Stahlblock (ungeschmolzen) gekühlte Bodenplatte (Absenkbar) bis hin zum Vakuum-Umschmelzen (insbesondere für Qualitätsstähle) [9]

10 1. Fe-C-Legierungen Eigenschaften der Legierungen Betrachtung von Eigenschaften der hergestellten Legierungen zunächst Gefügebetrachtung mittels Fe-C-Zustandsdiagramm (siehe Seite 11) Definitionen: Ferrit: -Mischkristalle, krz; (Ferrum) Austenit: -Mischkristalle, kfz; (ROBERTS-AUSTEN) Zementit: Fe 3 C (Eisenkarbid) = härtester Bestandteil in Fe-C-Legierungen (ohne besondere Vorkehrungen) Perlit: Zusammensetzung aus + Fe 3 C 100% Perlit bei 0.8%C = Eutektoid Unter dem Mikroskop bei Lichteinfall: perlmutartiger Glanz Ledeburit: Eutektikum des gesamten Systems (entsteht bei 4,3%C) = niedrigstschmelzende Legierung (nach LEDEBUR) Betrachtung verschiedener Fe-C-Legierungen: Variable: C-Gehalt führt bei normaler Abkühlung zu unterschiedlichen Gefügen C-Gehalt: 0,05% Abkühlung ergibt Gefüge:, Ferrit Fe kann alle C-Atome lösen erkennbar: polygone Fe-Körner relativ Konstante Größe C-Gehalt: 0,15% Abkühlung: Unterschreitung der GS-Linie bei ca. 860 C Unterschreitung einer 723 C Linie (PS) (Ferrit) + (Perlit + Fe 3 C) Perlit unter 723 C: Gefüge besteht aus (bereits über 723 C gebildet) und umgewandeltem Rest-* Rest-* = + Fe 3 C = Perlit 911 0,15 -MK -MK * ,8 Fortsetzung S. 12 [10]

11 1. Fe-C-Legierungen Diagramm Fe-C-Diagramm [ C] A N -MK B -MK (Austenit) Schmelze + -MK -MK + -MK E Schmelze Schmelze + -MK Schmelze + Primärzementit C D F G Q 100% Fe S P -MK (Ferrit) Ferrit + Perlit -MK + Ferrit Perlit -MK + Sek.Zementit Sek.Zementit + Perlit -MK + Sekundärzementit + Ledeburit I Sekundärzementit + Ledeburit II + Perlit Primärzementit + Ledeburit I* Primärzementit + Ledeburit II* ,8 2,06 4,3 Ledeburit K L 6,67 [%C] 100;0 - Gefügeanteil 100% Zementit (6,67% C) Ferrit Perlit Ledeburit Primärzementit 0;100 Sekundärzementit Stahl Gusseisen Punkte/Linien im Diagramm: C = Eutektikum S = Eutektoid ABCD = Liquiduslinie [Rot] AHIECF = Soliduslinie [Blau] PSK = Haltepunkt A 1 (723 C) [Dunkelblau] MO = Haltepunkt A 2 (768 C) [Curie-Punkt] (Hier nicht eingezeichnet) GOS = Haltepunkt A 3 ( C) ECF = Eutektische Linie, Eutektikale (1147 C) HIB = peritektische Linie, Peritektikale (1493 C) [11]

12 Fortsetzung: C-Gehalt 0,15%: 1. Fe-C-Legierungen Eigenschaften der Legierungen Schematisch: >723 C 723 C <723 C * +Fe 3 C = Perlit Herausragende C-Atome (diese Verbinden sich mit Fe zu Fe 3 C) + Fe 3 C Ferrit () + Perlit Zunehmender C-Gehalt erhöht die Perlitbildung. Bis C-Gehalt 0,8%: hier: 100% Perlit (Eutektoid) Perlitischer Stahl Eutektischer Stahl charakteristische Lamellenstruktur (s.r.) Anmerkung: Sichtbarkeit der Lamellenstruktur (Streifenstruktur) durch metallografische Ätztechnik Metallografie = Gefügeuntersuchung Heraustrennen einer Probe Oberfläche schleifen Polieren Ätzen (Säure greift Metall an, -MK mehr, weil weicher) fotografieren (als Vergrößerung, d.h. unter dem Mikroskop) Schema: Schnitt durchs Korn Schatten Lichteinfall (Mikroskop) herausgeätzt Draufsicht Fe 3 C [12]

13 1. Fe-C-Legierungen Eigenschaften der Legierungen C-Gehalt: 1,15% übereutektoider oder überperlitischer Stahl Betrachtung des Stahlausschnitts aus Fe-C-Diagramm ( Stahlecke ) [ C] 1147 E G + P S 2 + Fe 3 C 2 Fe 3 C Ferrit + Perlit Perlit 3 3 Perlit [%C] 0,8 1,15% Betrachtung des Abkühlvorgangs einer Legierung mit 1,15% C Austenitgebiet -Körner (1) Unterschreitung von S-E-Linie Beschreibt Konzentration der -Kristalle an Kohlenstoff. Diese nimmt mit sinkender Temperatur ab (min. bei 723 C = 0,8%) d.h. nicht von gelöste C-Atome (max. 1,15-0,8% = 0,35%) suchen neue Verbindungspartner Fe Verbindung: Fe 3 C (Zementit) Eisencarbid Vorgang passiert insbesondere an Gefügestellen relativ großer Unordnung Korngrenzen 2,06 Fe 3 C Fe 3 C-Bildung Perlit Fe-Atome Fe 3 C-Netz Korngrenze Bezeichnung: [13] Korngrenzenzementit = Sekundärzementit (Sekundär, da Entstehung aus fester Lösung (statt aus Schmelze): aus -MK Zementit an Korngrenzen: rel. festes, hartes Gefüge Werkzeugstähle

14 1. Fe-C-Legierungen Eigenschaften der Legierungen siehe auch Werkstoffkunde I: Legierungslehre Diagrammtyp 3: hier: T T +S Segregatlinie Segregatlinie S E Sekundäre Korngrenzen-MK (Zementit) Sek A %B %C Diese Vorgänge [Seite 13 bei 1,15%] bis C-Gehalt 2,0 % (2,06%) C-Gehalt: 4,3% Eutektikum (d.h. niedrigstschmelzende Legierung) Ledeburit Gusseisen relativ Hartes, aber auch Sprödes Gefüge C-Gehalt: 5,5% Bildung von Zementit Primärzementit Nadeliges, sprödes Gefüge [14]

15 1. Fe-C-Legierungen Bestimmung von Gefügezusammensetzung Bestimmung von Phasen- bzw. Gefügezusammensetzungen (siehe auch Werkstoffkunde 1, Hebelgesetz) Parameter: Temperatur T Konzentration C Immer nur in einem 2-Phasen-Gebiet Beispiel 1: gegeben: T = 1350 C C-Gehalt = 1,5% gesucht: Phasenzusammensetzung in % a m S = 100% = 37% a + b 1536 T=1350 a C=1,5% b S m = ( )% = 63% b = 100% a + b a = Menge der Schmelze, weil a von der Fläche der Schmelze (siehe Skizze) abgewandt ist. S+ Fe-C-Diagramm Beispiel 2: gegeben: T = RT (~20 C) Raumtemperatur C-Gehalt = 0,25% gesucht: Phasenzusammensetzung rechnerisch & grafisch Menge Perlit und Menge Ferrit [%] a m Perlit = 100% = 32, 25% a + b C=0,25% + b m Ferrit = 100% = 68, 75% a + b 723 C Ferrit + Perlit oder: m = 100% Ferrit m Perlit RT a b 0,8 Grafische Lösung durch das Gefügerechteck: (siehe Skizze rechts) m F m P Ferrit Perlit [15]

16 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation bisher: Fe-C-Legierungen betrachtet mit der Variable C-Gehalt: Unterschiedliche Gefüge, unterschiedliche Eigenschaften. jetzt: weitere Einflussgrößen (bei konstantem C-Gehalt): Temperatur und Zeit Manipulation der Fe-C-Legierungen durch Wärmebehandlung (WBH) auch: Kontrollierte Eigenschaftsänderung Erzeugung von a) Verarbeitungseigenschaften oder b) Gebrauchseigenschaften langsam (kontrollierte, normale Abkühlung) schnell abschrecken Endgefüge: vornehmlich kubisch raumzentriert Endgefüge: Martensit = Härtegefüge (MARTENS) tetragonal Raumzentriert a a a c a C-Atome (Rot) in allen Lücken des Gitters zu finden a c > a Rote Punkte: Lagen von C-Atomen (Gelangen nicht in das Zelleninnere) Entscheidend für die Ausbildung der Gefüge ist die Geschwindigkeit mit der die Abkühlung erfolgt ( Abkühlgeschwindigkeit ) Definition: Temperaturdifferenz T C C va = = oder Zeitspanne t s min, h, d v A = f(abkühlmedium) z.b. Ofenabkühlung Luft Öl Wasser zunehmende v A [16]

17 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation - Härten Startpunkt für Abkühlung war: Austenit () Dilatometerkurve L V (C = 0,8%) normale Abkühlung kfz krz tetragonal V RT Abschrecken kfz C (M S = Martensit-Starttemp.) T [ C] V = Volumensprung durch tetragonales Gitter = 0,5 1 % (wird später i.d.r. kompensiert durch Nachbehandlung meistens Schleifprozess) unterschiedliche Wärmebehandlung sichtbar machen in einem entsprechenden Diagramm Grund: Aufzeigen von WBH-Vorschriften Parameter: Zeit t, Temperatur T Ergebnis: Gefügeumwandlung Diagramm: ZTU-Schaubild Zweck des ZTU-Diagramms: WBH anhand von Graphen (Abkühlkurven) wieder geben können Hintergrund: - bzw. Austenitumwandlung erzeugbare Gefüge und damit Eigenschaften Perlit (normales Gefüge) weich Martensit (Härtegefüge) hart Bainit (Zwischenstufengefüge) dazwischen (nach C.BAIN) Aufstellung der ZTU-Diagramme Proben anfertigen (rel. kleines Volumen) Probe abkühlen auf sog. Haltetemperatur hier wird die Temperatur T H eine gewisse Zeit konstant gehalten deshalb auch: isothermes Zeit-Diagramm Isotherme T = const nach definierter Zeit: Probe aus dem Haltebad holen und abschrecken Metallografische Untersuchung des Gefüges Rückschluss auf Umwandlungsverhalten bei T H mm Dicke 20 Wenn nach Abschrecken Untersuchung 100% Martensit ergibt: Bei Haltetemperatur auch 100% Austenit nach Abschrecken kein Martensit bei Haltetemp: bereits 100% Perlit [17]

18 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation ZTU-Schaubild Ergebnis: Beginn und Ende der Austenitumwandlung ermitteln Beispiel: ZTU-Diagramm für Stahl (C100) C100 = Stahl mit ca. 1% C (hier 0,98%) Divisor für C: 100 d.h. C100: 100 = wahrer C-Gehalt Beispiel: Haltetemp.: T H = 700 C (Austenitisierungstemperatur = 900 C, Austenitisierungszeit = 5 min) 1. Probe: Abkühlung aus 900 C auf 700 C hier halten: 4 min danach: Abschrecken auf RT dann: Gefüge-Untersuchung Auswertung: 100% Martensit Umwandlung von hatte bei 700 C nach 4 min noch nicht eingesetzt 2. Probe: Haltezeit 5 min (bei 700 C) Abgeschreckt Schliffbild erste Perlitanteile ( Perlitinseln ) beginn der Austenitumwandlung zwischen 4 und 5 Minuten (Ergebnis: 4,2 min) obige Vorgehensweise für mehrere Haltetemperaturen: mehrere Wertepaare bezüglich Beginn und Ende der Austenitumwandlung Linienzüge 100% Martensit Perlitinseln T Aust 900 Austenit () 5 min T H min Ende der Austenitumwandlung T Krit +Perlit Probe 1 Probe 2 Perlit (+Fe 3 C) T [ C] +Bainit M S Martensit Martensit + Perlitinseln t Krit t Start (700) = 4,2 min T Aust = Austenitisierungstemperatur M S = Martensittemperatur log(t) [18]

19 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation ZTU-Schaubild ZTU-Diagramme existieren für alle metallischen Werkstoffe C insbesondere für Stähle, (legierte unlegierte) zu jedem Diagramm gehören: chem. Zusammensetzung des untersuchten Werkstoffs (z.b. C100) Austenitisierungstemperatur (z.b. 900 C) Austenitisierungszeit (z.b. 5 min) Anschließend: Eintragung der Wärmebehandlungskurven T Austenit T H 1: Normalglühen 2: Härten 3: Zwischenstufenvergüten 4: Patentieren T Krit Umwandlungs -gebiet Perlit M S Eintragung von Wärmebehandlung im ZTU-Schaubild 2 Zeit ( hier: isothermes ZTU-Schaubild) 1) Normalglühen (normalisieren) Glühtemperatur ca C über A 3 (911 C) bzw. A 1 (723 C) (G-S-K-Linie im Fe-C-Diagramm) normales Gefüge (gleichmäßig, feinkörniges Gefüge) Abkühlung in Luft alle Eigenschaftsänderungen (z.b. durch Härten oder verformen) werden rückgängig gemacht. (Ausnahme: dauerhafte Materialschädigungen, z.b. Härterisse) T Zeit (log) 2) Härten Starke Austenit- Unterkühlung Umwandlung erst in Martensitstufe (diffusionslos) Temperatur: wie Normalglühen Überschreitung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit vor Ausbildung der Umwandlungsnase a T Zeit (log) a Flächenzentriertes Atom (hellblau, Mitte) wird zu Raumzentriertem Atom der tetragonalen Zelle [19] a 2 a 2

20 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation ZTU-Schaubild 3) Gebrochenes Härten 1. Härtung in Wasser danach in Öl (milderes Abschreckmedium) Ziel: Minderung der Abschreckspannungen Wenn Perlitbildung einmal unterdrückt ist, dann ist langsamere Abkühlung möglich T Zeit (log) 4) Warmbadhärten Zunächst Unterdrückung der Austenitumwandlung; Halten in Warmbad auf erforderliche Temperatur; vor Umwandlung zu Bainit abschrecken Martensit aber geringere Martensittiefe 5) Zwischenvergütung Zwischenstufe = Bainit ( C. BAIN) ähnlich Warmbadhärtung bei ca. 350 C Halten Durchlaufen der Zwischenstufe Erzeugung des -Gitters mehr Bewegungsfreiheit für C-Atome C verlässt -Gitter unter Bildung von Fe 3 C (Härte zwischen Perlit- und Martensit-Gefüge) 6) Patentieren Vorbereitung zu anschließender Formgebung insbesondere Ziehen von Drähten Gefüge: Perlit feinstreifig (feinlammellar) T Zeit (log) T Zeit (log) T Zeit (log) Ausgesuchte WBH-Verfahren 1. Härten Grundsätzlicher Unterschied Rand- oder Oberflächenhärtung oder Durchhärtung bzw. Direkthärtung (C-Gehalt zum Härten reicht aus) oder Kohlenstoff muss zusätzlich eingesetzt werden Einsatzhärtung (ist eine Oberflächenhärtung) Wichtiges Kriterium: Einsatztiefe ist steuerbar über Abkühlgeschwindigkeit (v a-krit ) LE (Legierungselemente) beeinflussen (reduzieren) erforderliche v a v a-krit Medium Werkstoff hoch Wasser unleg. Stahl mittel Öl niedrig leg. Stahl niedrig Luft hoch leg. Stahl [20]

21 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation Härten bei Zugabe von LE werden auch andere Härtemechanismen wirksam (z.b. karbidoder Nitrierbildung infolge LE) Einsatzhärten: d.h. vorher Aufkohlen Einsetzen des Werkstücks in C-abgebende Medien (bei hohen Temperaturen) erforderlich, wenn C-Gehalt < 0,2 % Medien sind z.b. Holzkohle, Ruß oder Methan (CH 4 ) [für relativ kleine, komplizierte Werkstücke] Prozess: C-Atome diffundieren (Wandern) in oberflächennahe Gitterbezirke Einsatz-Zeit bestimmt spätere Einhärtetiefe und Höhe des C- Gehalts und damit die erzielbare Härte (siehe rote Zahlen in der Skizze) Anmerkung: Auswahl (Steuerung) der Härtebereiche auch möglich durch verhindern der C-Diffusion durch Aufbringen von C-abweisenden Schichten: Typische Einsatzstähle: C10 oder C15 (0,15% C < 0,2%) [unlegierter Stahl] weitere: 16MnCr5 (0,16%C, 1,25% Mn (=5/4), <0,5%Cr und Rest=Fe) [niedrig legierter Stahl] Kohlenstoffgehalt [%] 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Werkstückoberfläche 4 8 Härtediagramm ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 C-Umgebung Einsatztiefe [mm] T Aufkohl [h] 48 C-abweisende Schicht Härtebereich (hier sind C-Atome eindiffundiert, dh. später durch Abschrecken härtbar) Möglichkeiten von Härteverfahren (technische Durchführung) Brause [H 2 O] Vorschub Brenner [O 2- Gemisch] Ofenhärten (Ofentemp.: GSE-Linie) Brennhärten - meist Oberflächenhärten - Vorteil: gute Steuerung örtlicher Härten gehärtet erhitzt Werkstück [21]

22 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation Härten Induktionshärten - relativ sauberes Verfahren - zeichnet sich durch eine sehr gute Steuerung der Härtetiefen aus - häufige Anwendung: rotationssymmetrische Teile (Wellen) - Bei Abweichungen von rotationssymmetrischen Querschnitten: Anpassen von Induktor und Brause Induktion T Brause [H 2 O] erhitzt gehärtet bisher: Härten mittels Schlüsselelement C daneben auch: Härten mittels Stickstoff N Oberflächenhärtung Einsatzhärtung (immer) Eindiffundierende Atome: N-Atome i.d.r. flüssige N-Medien (z.b. Cyan-Bäder) bei ca. 500 C (Also keine Austenit-Bildung) kein Abschrecken erforderlich anderer Härtemechanismus Bildung von Hartstoffen (hier: Nitride mit eingebrachten LE, also: Verfahren nur für legierte Stähle) in oberflächennahe Bezirke LE: Al AlN (Aluminiumnitrid) Ti TiN (Titannitrid) Stähle heißen Nitrierstähle rel. geringe Eindringtiefe (ca. Faktor 10 zum C-Härten) d.h. Härtetiefen bis ca. 0,3 mm aber : höhere Härtewerte Vorteil N-Härtung: kein Bauteilverzug, da kein Abschrecken Anwendung bei fertigen Bauteilen, d.h. keine Nacharbeit (z.b. Schleifen) Nachteil: Umweltbelastender Härte HRC C-Härtung N-Härtung 0, Eindringtiefe [mm] [22]

23 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation Glühen Neben Härteverfahren existiert 2. große Gruppe der WBH Verfahren: Glühen Normalglühen (auch Normalisieren) Hochglühen (Grobkornglühen) insbesondere für untereutektoide Stähle (<0,8%C) Glühtemperatur: >> AC3 ( GS-Linie) Ziel: grobkörniges Gefüge, lamellare Struktur gute Zerspanungseigenschaften ( kurzbrechende Späne ) Diffusionsglühen Temperaturen: 1030 C 1200 C Ziel: Ausgleich von etwaigen Konzentrationsunterschieden ( Seigerung) hervorgerufen durch zu schnelle Abkühlung z.b. Phosphorseigerungen: zuerst aus Schmelze ausscheidende Mischkristalle sind P-ärmer als zuletzt erstarrte Mischkristalle Weichglühen Erwärmen um A1 (Pendelglühen) (PK-Linie 723 C) anschließend langsame Abkühlung Ziel: feinkörniger Perlit fördert die Fließspanbildung, bessere Oberflächenqualität Glühdauer: > 10 h Ergebnis: R m, Härte reduziert bis zu 50% Dehnung verdreifacht Spannungsfreiglühen (Spannungsarmglühen) Temperaturen: C Ziel: Abbau von Eigenspannung Ursache: Unterschiedliche Abkühlung der Werkstücke, z.b. infolge unterschiedlicher Wandstärken oder nach Schweißoperationen (Wichtig für spätere spanende Bearbeitung) Oberjoch Zugspannung Drucksp. Unterjoch zu Spannungsfreiglühen Rekristallisationsglühen Temperatur: T R = 0,4 T S (also ca C) Anwendung: nach erfolgter (Kalt)Verformung entstehen Gitterstörungen und Korngrößenveränderungen die zurückgebildet werden müssen. z.b. Walzen: d A d M d M d E Glühen [23]

24 1. Fe-C-Legierungen Behandlung, Manipulation Fe-C-Diagramm mit WBH-Bereichen Stahlecke des Fe-C-Diagramms mit Angabe der Wärmebehandlungsbereiche [ C] A Schmelze + -MK B Schmelze 1400 N -MK + -MK -MK (Austenit) Schmelze + -MK 1200 Diffusionsglühen E G Hochglühen Auflösung des Karbidnetzes MK + Ferrit Härten + Normalglühen S Weichglühen -MK + Sek.Zementit (K) Rekristallisationsglühen Spannungsfreiglühen Q 0,8 1 2 [%C] bisher: Fe-C-Legierungen und Eigenschaftsänderungen: 1. C-Gehalt ändern Ergebnis: ersichtlich aus Fe-C-Diagramm 2. Parameter ändern T und t Wärmebehandlung in Verbindung mit ZTU-Diagrammen im Wesentlichen bislang für unlegierte Stähle! Jetzt: Bewusste Änderung der chem. Zusammensetzung d.h. Legierungen: legierte Stähle [24]

25 2. Legierte Stähle II. Legierte Stähle bewusste Hinzusetzung von Beimengungen (Legierungselemente) Maß: Gewichts oder Masse-% Ziel: Verbesserung von mechanischen, technologischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften Wichtig: Die Legierungselemente wirken nicht immer verstärkend, sie können sich auch neutralisieren hohe Versuchsaufwendungen sehr große Verwendungspalette von Stählen Unterscheidung der Legierungselemente in zwei Gruppen: 1. ferritische Legierungen Cr, Mo, V, Ti - engen das Austenitgebiet ein (bis zur Abschnürung) - öffnen das -Feld (Ferrit) Ferritbildner 2. austenitische Legierung: Ni, Mn, Co, - erweitern das Austenit- bzw. -Gebiet - transportieren -MK bis Raumtemperatur Austenitbildner Frage: Wie wirken die Legierungselemente auf Fe-C-Legierung? Die jeweilige Wirkung wird an Einzelsystemen untersucht. z.b.: Fe-Ni-System Fe-Mn-System Zustandsdiagramme Fe-Cr-System Aussage bei legierten Stählen hinsichtlich ferritischer oder austenitischer Wirkung liefert das SCHAEFFLER -Diagramm, dazu Bestimmung von Cr- und Ni- Äquivalenten: (siehe auch Vorlage) Wirkung der wichtigsten Legierungselemente C Mn Si Cr Ni Mo W Co Al Kritische Abkühlgeschwindigkeit + Einhärtetiefe Warmfestigkeit Anlassbeständigkeit Zugfestigkeit Dehnung + Zerspanbarkeit + Verschleißfestigkeit Korrosionsbeständigkeit Zunderbeständigkeit erhöht verringert ohne Einfluss C= Kohlenstoff; Mn= Mangan; Si= Silizium; Cr= Chrom; Ni= Nickel; Mo= Molybdän; W= Wolfram; Co= Kobalt; Al= Aluminium [25]

26 2. Legierte Stähle Anwendungsbeispiele wichtiger Legierungselemente Mangan Nickel Chrom Wolfram Molybdän Vanadium Kobalt Einsatz- und Vergütungsstähle, Federstähle, kalthärtende Stähle, Desoxydation von Stählen Einsatz- und Vergütungsstähle, nichtrostende Stähle, hitzebeständige Stähle, Invarstahl, unmagnetische Stähle, Dauermagnete, Widerstandsstähle Einsatz- und Vergütungsstähle, Kugellagerstähle, Federstähle für hohe Temperaturen, nichtrostende und hitzebeständige Stähle, unmagnetische Stähle und Dauermagnete, Widerstandsstähle, Werkzeugstähle Dauermagnete, Werkzeugstähle Einsatz- und Vergütungsstähle, Werkzeugstähle Vergütungsstähle, Federstähle für hohe Temperaturen, Werkzeugstähle Dauermagnete, Werkzeugstähle LE führen zwangsläufig zu Veränderung des Fe-C-Basisdiagramms. 2 Arten von LE: 1. Ferritbildner (Cr) 2. Austenitbildner (Ni) Zuordnung zu 1 oder 2 erfolgt über Zustandsdiagramme: Sie zeigen grundsätzliche Wirkungsweise der LE bei Legierung mit Fe! KFZ Oftmals Einsatz mehrerer LE (sowohl - als auch -Bildner) Frage: Welche Tendenz hat d. Werkstoff bezüglich dem Endgefüge? Lösung mittels SCHAEFFLER-Diagramm! (S.27) öffnen des -Feldes bis auf RT, austenitisch LE: Ni, Co, Mn Beispiel: hochlegierter Stahl (X5NiCr2615) Bestimmung von Cr und Ni-Äquivalent: KRZ X hochlegierter Stahl: d.h. LE sind ohne Divisor (außer C) 5 0,05% C-Gehalt (5/100) Ni 26 26% Nickel Cr 15 15% Chrom schließen des -Feldes (Abschnüren), ferritisch LE: Cr, Al, Ti, Si, V, Mo Dies ist ein hochwarmfester Stahl (Luft & Raumfahrtindustrie) [26]

27 chemische Zusammens.: 0,05% C 26% Ni 15% Cr 2% Ti 1,3% Mg 0,25% V Rest: 55,4% Fe hier Cr-Äquivalent: 19,25% Ni-Äquivalent: 27,5% Punkt im Diagramm: austenitischer Stahl (s.l.) Nickel-Äquivalent Martensit SCHAEFFLER-Diagramm Austenit Austenit + Martensit M+A+F Martensit + Ferrit Chrom-Äquivalent 2. Legierte Stähle Austenit + Ferrit Ferrit Ni- und Cr-Äquivalent gemäß Gleichungen: Chrom-Äquivalent:= 1 Cr + 2 Si + 1,5 Mo + 5 V + 5,5 Al + 1,75 Nb + 1,5 Ti + 0,75 W Nickel-Äquivalent = 1 Ni + 1 Co + 0,5 Mn + 30 C + 0,3 Cu + 25 N Eigenschaften: austenitisch: - sehr gut kalt umformbar - relativ schwer spanend bearbeitbar kfz, enge Packungsdichte viele Gleitebenen und hohe BD (91%) - hohe Warmfestigkeit - bedingt schweißbar ferritisch: - geringere Verfestigungsfähigkeit - geringe Warmfestigkeit Das Schaeffler-Diagramm ist insbesondere anwendbar bei neu entstehenden Gefügen, etwa bei zusammengesetzten Werkstoffen, z.b. durch Schweißen: A? B Die Schweißnaht setzt sich zusammen aus Werkstoffen A und B. Frage nach Eigenschaften der Schweißnaht. Lösung durch Anwendung der 50%-Regel (angenäherte Lösung) [27]

28 2. Legierte Stähle Beispiel: Bestimmung des Schweißnahtgefüges bei Verbindung aus X5NiCr2615 und St37 (S235): Werkstoff Cr-Äquivalent Ni-Äquivalent Zeichen X5NiCr ,25 % 27,5 % S235 0,0 % 3,0 % Beide Punkte im Schaeffler-Diagramm eintragen Verbinden und Halbieren (50%) Gefügetendenz A+M (Austenit + Martensit) Achtung! Martensitbildung ggf. Schweißnahtversprödung! Anmerkung: Martensitbildung durch hochlegierten Stahl, insbesondere bei zu schneller Abkühlung (X5CrNi2615 ist ein Lufthärter ), d.h. relativ geringes v a-krit. Gegenwirkung: Vor dem Schweißen ggf. erwärmen der Bauteile führt zu geringerem v a-krit Gusseisen generell: > 2%C-Gehalt im Fe-C-Diagramm bis ca. 5% zur Erinnerung: Eutektikum bei 4,3 % Vorteil: günstige Gießeigenschaften Nachteil: hohe Sprödbruchanfälligkeit durch Zementit (Fe 3 C) und freiem Kohlenstoff, Graphit (C) Die Art der Graphitausbildung ist steuerbar über: den Anteil der Legierungselemente (C und Si(Silizium)) und/oder die Abkühlgeschwindigkeit problematischer (vor allem bei komplizierten Bauteilen) Grenzfälle: 1. erhöhte C- und Si-Gehalte und niedrige Abkühlgeschwindigkeiten Graphitbildung graues Gusseisen: Grauguss % C grau 2. niedrige C- und Si-Gehalte und hohe Abkühlgeschwindigkeiten Carbidbildung weißes Gusseisen weiß Informationen über Gefügeausbildung im MAURER-Diagramm: s.o. meliert % Si [28]

29 2. Legierte Stähle - Grauguß Förderung gewollter weißer Erstarrung: Fe 3 C-Bildung an der Oberfläche. verschleißfester Guss Kokillenguss, Schalenhartguss (Einsatz von gekühlten Schreckplatten schnelle Abkühlung am Rand) z.b. für Walzenherstellung Arten der Graphitausbildung: Guss (S) gehärtete Oberfläche gekühlte Wand Lamellenguss (GGL, z.b. GG15 oder GG40): Wegen dem gestörten Kraftfluss infolge der Kerbwirkung der Lamellen ist die Druckfestigkeit bis zu 4mal so hoch wie die Zugfestigkeit. (s.l.) Kugelgraphitguss (Sphäroguss) (GGG, z.b. GGG80) Höhere Festigkeiten, weil die Kraftlinien besser umgeleitet werden können. (siehe auch Seite 3) Temperguss Zunächst gute Gießeigenschaften (hoher C-Gehalt), geeignet für komplizierte Bauteile danach Anstreben stahlähnlicher Eigenschaften: Werkstück randentkohlen tempern (langzeitiges Glühen) C Kraftlinie C Kraftlinie III. Namensgebung Nomenklatur, Bezeichnung von Werkstoffen Grundsätzliche Möglichkeiten der Einteilung: 1. nach chemischer Zusammensetzung (C45) [45/100 %C = 0,45%] 2. nach mechanischen Kennwerten (St42)[R m = 420 N/mm²] 3. nach Einsatz- und Verwendungszweck (Federstahl, Werkzeugstahl) 4. nach Herstellerangaben (Marketingbez. z.b.v2a) 5. nach Werkstoffnummern (Sortennummer, z.b ) (Eindeutig, international) Allgemeine Baustähle: (Nicht für WBH) S, Elastizitätsgrenze R e in N/mm² Beispiel: S235 (R e = 235 N/mm2) Unlegierte Qualitätsstähle: (WBH) C, Kohlenstoffgehalt in % 100 (S,P < 0,045%) Beispiel: C10 (0,1%C) C60 (0,6%C) [29]

30 3. Namensgebung Unlegierte Edelstähle: (WBH) Ck, Kohlenstoffgehalt in % 100 (S,P < 0,035%) k = kleiner Phosphor- und Schwefelgehalt Beispiel: Ck35 (0,35%C) Niedriglegierte Stähle (LE < 5%) Kohlenstoffgehalt in % 100 und chem. Symbole der wichtigsten LE Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Cu, Mo, Ti, V, Pb, Nb 10 C, P, S, N 100 Beispiel: 16MnCr5 (0,16%C, 1,25%Mn, gering Cr, Rest Fe) Hochlegierte Stähle (LE > 5%) Kohlenstoffgehalt in % 100 und chem. Symbole der wichtigsten LE mit tatsächlichem Gehalt in % (außer C) Beispiel: X7Cr13 (0,07%C, 13%Cr) Vollständige Bezeichnung: 1. Gusszeichen (GS) 2. Herstellungsart (Erschmelzungsart) 3. Besondere Eigenschaften 4. Eigentliche Stahlbezeichnung (s.o.) 5. Gewährleistungsumfang 6. Behandlungszustand Beispiel: GS E R 13 Cr V E Bezeichnung nach Werkstoffnummer: Siebenstellige Zahl: X.ABCD.YZ 1. Werkstoffhauptgruppe (Fe, Stahl, NE, Leichtmetall etc ) X 2. Sortennummer Werkstoff aufgrund chemischer Zusammensetzung/Verwendung AB Unterschied der Werkstoffe in einer Sorte (AB) CD 3. Anhängezahl Art der Erschmelzung Y Nachbehandlung Z Beispiel: Ck Bedeutet: Stahl 1, Sortennummer 1221, beruhigter Thomas-Stahl 2 und vergütet 5. [30]

31 4. Superlegierungen IV. Superlegierungen Hochwarmfeste Legierungen, Basislegierungen keine Stähle, d.h. Fe-Gehalt < 50% Vornehmliche Legierungselemente sind: - (Ni) Nickel-Basis-Legierung - (Co) Cobalt-Basis-Legierung - (Mo) Molybdän-Basis-Legierung Preis: relativ teuer (Faktor zu Stahl ca. 100) Grund: - Legierungselemente - schwierige Weiterverarbeitung (z.b. spanend) spezielles Gießverfahren: Wachsausschmelzverfahren (Feingießen, Präzisionsgießen, Lost-Wax-Verfahren ) 1.Montage 2. Tauchen 3. Besanden 4.Schalenbildung 5. Ausschmelzen Wachstraube 6. Gießen 7. Ausklopfen 8. Trennen 9. Schleifen sowohl für Massen- als auch für Einzelteilfertigung! [31]

32 4. Superlegierungen Nickel-Basis-Legierung Nickel-Basis-Legierungen bis 80% Ni Beispiele: Ni Cr 20 oder Ni 80 (NIMONIC 80), X10 Ni Cr Nickel-Basis-Legierungen werden zusätzlich insbesondere legiert mit: Al, To, Nb und Be Härtemechanismus durch Bildung intermetallischer Phasen z.b. Ni 3 (Al,Ti,Nb) Vorteil: hohe Belastbarkeit bei hohen Temperaturen Zeitlich begrenzt (siehe Zeitstandfestigkeit) Beispiel NIMONIC: Einsatztemperatur: C R m = 200 N/mm² Festigkeit von warmfesten Werkstoffen bei ca. 400 C Einsatz: a) Presskammern für Warmforschung b) Luft und Raumfahrt zeitlich begrenzter Einsatz (Angabe in Werkstoff bzw. Festigkeitsangabe) Bsp.: 0,2 ;10 5 h = N/mm² Anmerkung zu a) Presskammern: z.b. auch beim Pressen von Glaskörpern LE Be! Be-Oxid an der Oberfläche des Presswerkzeuges Vorteil: Be-Oxid ist schwer benetzbar von (durch) Glas ( glasabweisend, geringe Klebeleistung zum Glas) Versuch: z.b. Glas = Maß für die Benetzbarkeit [32]

33 5. Nichteisenmetalle Aluminium V. Nichteisenmetalle Aluminium (Al), Al-Legierungen 3 markante Vorteile im Vergleich metallischer Werkstoffe: - niedriges spez. Gewicht (2,7 g/cm³) - hohe mech. Festigkeit - gute chemische Beständigkeit (korrosionsfest) Herstellung Al aus Bauxit in Verbindung mit Schmelzelektrolyse (4t Bauxit = 1 t Al) ca. 95% des Aluminiums wird zu Al- Legierungen verarbeitet. Verhüttung Al-Gusslegierungen Bsp.: Al-Si-Gusslegierung, siehe Zustandsdiagramm. (V-Diagramm vom Typ III) geringe beschränkte Löslichkeit Eutektikum (E) geringster Schmelzpunkt (hier 577 C) gute Vergießbarkeit kleine Kornform führt zu hoher Festigkeit Name der Legierung: Al Si 12 (ca. 12% Si - genau: 11,7%): Silumin Temperatur [ C] Al Zustandsschaubild Aluminium-Silizium Schmelze +Schm E (11,7%) + Schmelze+ Masse-% Si 1214 C 660 C 577 C Si 2 Hauptgruppen: 1. Korrosionsbeständige Al-Legierungen 2. Legierungen mit hoher Festigkeit (LE: Cu, Mg) aushärtbare Leg. durch WBH Aushärten, Ausscheidungshärten Voraussetzung: Al legiert mit Cu, Mg Beschränkte Löslichkeit oder 1. Al-Gusslegierungen (z.b. Al-Druckguss) 2. Al-Knetlegierungen Formherstellung durch (Massiv-)Umformung ( Kneten ) z.b. Schmieden: Pleuel relativ komplexe Form, ggf. hohe Stückzahl, geringes Gewicht, hohe Fliehkräfte infolge der Winkelgeschwindigkeit Weitere Umformverfahren auch: - Strangpressen (für Halbzeuge) - Fließpressen (eher für Einzelteile) [33]

34 5. Nichteisenmetalle Aluminium Aushärten 1. Lösungsglühen (oberhalb Segregatlinie) ca. 500 C, 30 min. 2. Abschrecken Unterdrückung der Al 2 Cu-Ausscheidung 3. Auslagern a) bei Raumtemperatur (Kaltauslagern, natürliche Auslagerung) Dauer: 5 8 Tage b) bei T = C (Künstliche Auslagerung) Dauer: 4 48 Stunden Vorgang: Zuvor zwangsweise im Al-Gitter gehaltene Cu-Atome diffundieren mit zunehmender Zeit wieder aus Al-Gitter (scheiden aus) Bilden innerhalb des Al-Gitters eigene Gitter [siehe unterste Skizze] Verspannung, Verzerrung des Grundgitters Härte- bzw. Fetigkeitsanstieg sog. GUINIEL-PRESTON-Zonen (GP-Zonen) Temperatur [ C] Al 500 C 160 C RT T Härte / Rm 5,65% 33% 53% 3% Masse-% Cu Al 2 Cu Lösungsglühen Abschrecken Warmauslagerung Kaltauslagerung 30 min t RT t außerdem: Festigkeitssteigerung durch Kaltumformung ( Al-Knetlegierung) Anwendung: Maschinenbau, Bau-, chemische-, Schiffs- und Lebensmittelindustrie Entdecker des Aushärteeffekts: WILM (Eher zufällige Entdeckung) Al-Gitter Cu-Gitter [34]

35 5. Nichteisenmetalle Aluminium Anwendungsbeispiel: Herstellung von Nietverbindungen (insbesondere im Flugzeugbau) Festigkeit und Gewicht spielen eine große Rolle! Vorgehensweise 1. Rohling herstellen (Al-Cu-Legierung) 2. Wärmebehandlung (Glühen und Abschrecken) 3. Zwischenlagern (T = -10 C) Es findet keine Cu-Diffusion statt, d.h. Cu-Atome bleiben zwangsweise in der Lösung (Al-Gitter) 4. Nieten verarbeiten: 5. Auslagern Kaltauslagern (Größe der Bauteile lassen nichts anderes zu (Tragfläche)) Festigkeitssteigerung (GP-Zonen) Härte / R m T > RT (~160 C) Warmauslagern (künstl.) T = RT (Kaltauslagern) T = -10 C t 0 (Ende der Verarbeitung) Zeit t [35]

36 5. Nichteisenmetalle Kupfer Kupfer (Cu), Cu-Legierungen - Schwermetall (8,9 g/cm³) - Eigenschaften: Gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, gut plastisch verformbar (kfz-gitter: hohe BD, viele Gleitebenen (8) in einer Zelle) - Hauptanwendung: a) Cu-Zn-Legierung (Messing: Kupfer-Zink) b) Cu-Sn-Legierung (Bronze: Kupfer-Zinn) - Komplizierte Zustandsdiagramme (s. Vorlage), Peritektikum (Typ IV) - ab bestimmten Konzentrationen an Zn bzw. Sn Ausbildung spröder Phasen, Einfluss auf mech. Eigenschaften (s. Diagramme) - -Phasen gut umformbar (Drücken, Ziehen) - Neusilber (Zusatz von 10-15% Ni) T Cu S S+ MK MK Ni - Cu-Ni-Legierungen (völlige Löslichkeit im festen Zustand, Linsendiagramm, Typ II, s.o.) - Widerstandslegierung KONSTANTAN CuNi44 (hoher spezifischer elektrischer Widerstand, geringe Abhängigkeit von Temperatur) für Cu-Zn-Legierung: Vorgehensweise: (für alle Legierungen) 1. Zustandsdiagramm betrachten ( hier Ausprägung des homogenen -MK) (existiert bis ca. 35% Zn danach: Ausbildung spröder Werkstoffphasen) 2. Betrachtung des Eigenschaftsdiagramms etwa A, HB, R m, R e, = f ( zu legierte Komponente, hier: Zn) 3. Zusammenhang herstellen etwa: Extremwert A drastische Reduzierung von A Anstieg HB, R m ABER: spröde! T Cu Zusammenfassend: Typ IV Spröde 30-40% Zn Typ IV A Zn HB Verschlechterung des Verformungsverhaltens z.b.: Tiefziehen Typischer Tiefziehwerkstoff Cu Zn 28 (28% Zink bis ca. 35%) Cu R m Zn Gleiche Betrachtung gilt auch für Cu-Sn oder Cu-Al-System [36]

37 5. Nichteisenmetalle Titan Titan (Ti), Ti-Legierungen - Leichtmetall (4,5 g/cm³) - T s = 1665 C - Gewinnung aus Erzen (Rutil, Titaneisen) Titanschwamm (TiCl [KROLL- Prozess] Umschmelzung - Zwei Erscheinungsformen: (Analogie zu Fe) bis 882 C: -Ti, hexagonales Gitter über 882 C: -Ti, krz-gitter Ti-Legierungen: Wirkung der Legierungselemente analog zu hochlegierten Stählen (hier wurden die Ausbildung von und Phasen beeinflusst). (Ferrit, Austenit) LE zu Titan: Al, Sn begünstigen hexagonale Struktur V, Cr, Fe begünstigen raumzentrierte Struktur Entwicklung von,, +-Legierungen Kompromisse hinsichtlich Festigkeit und Gewichtsersparnis - Wärmebehandlung ähnlich wie bei Al-Legierungen (Ausscheidungshärtung) erst seit Beginn der 50er Jahre Aushärten: hier: Kombination aus Kalt- und Warmauslagerung Spezielle Ti-Legierung = Titanflex (z.b. für Brillengestelle) hohe Verformungsfähigkeit erzeugt durch Anisotropie, d.h. besondere Gitterausrichtung, = Texturen Texturerzeugung durch wiederholte Umformprozesse (hier: ziehen ) Nach letztem Umformgang: Glühen (Rekristallisationsglühen) Generelle Anwendung von Ti-Legierungen chemische Industrie (10%) Luft und Raumfahrt (80%) Maschinenbau (10%) Beispiel: Hartmetall = Metallpulver + Hartstoff gesintert, ggf. beschichtet TiN Beschichtung 3-5 µm Metallpulver Hartstoff z.b. TiC, TaC Span (erzeugt hohe Reibung) TiN-Schicht Verwendung z.b. im Zerspanungsprozess, etwa drehen Hartmetall Drehmeißel [37]

38 6. Keramische Werkstoffe VI. Keramische Werkstoffe Einteilung: a) klassische Keramiken (Porzellan, Steingut) b) Industriekeramiken: - Oxidkeramik (z.b.: Al 2 O 3 Al-Oxid) - Nichtoxidische Keramiken (Karbide, Nitride, Boride: TiC, TiN, BN) - Werkstoffe aus Kohlenstoff (Graphit, Diamant) - Gläser (anorganische Gläser) Eigenschaftsprofil - geringe Dichte - hohe Bindungskräfte (Ionenbildung) - hohe Schmelztemperaturen und Härte - nicht plastisch verformbar = f(innerer Struktur) Amorph - spröde - gute chemische Beständigkeit - pulvermetallurgische Herstellung (Sintern) Fehlende Gleitfähigkeit: Gleitebenen fehlen bei Keramiken, nur bei kristallinem Aufbau vorhanden: Nahordnung Fernordnung Gleitebene Bei Keramiken: Nahordnung SiO 4 -Tetraeder keine Fernordnung fehlende Verformungsfähigkeit [38]

39 Herstellung (Sinter) Pulvertechnische Herstellung Problem: a) rel. ungleichmäßige Dichteverteilung infolge unterschiedlicher Reibungsverhältnisse (Körperinneres oder Pulverkörner / Formwand) b) generell Poren: = Kerben: Sollbruchstellen Parameter: (Pulver) Korngrößen und Pressdruck B 6. Keramische Werkstoffe - Oxidkeramik F p Grundsätzlich bietet sich ein Vergleich von Metallen und Keramiken an. hinsichtlich mechanischer Kenngrößen ( Festigkeitskenngrößen (s.u.)) Vergleich mechanischer Eigenschaften Korngröße Al 2 O 3 Bornitrid BN Hartmetall allg. Baustahl HV Kerbschlagzähigkeit 0,5 J / cm² - 1 J / cm² 100 J / cm² Anwendungen Oxidkeramik [39] Schneidkeramik (Al 2 O 3 ) Zerspanungstechnik Schleiftechnik verschleißfeste Oberflächen (Textilindustrie) Dichtungsmaterial (bei Korrosiven Medien) Beschichtung von Heißdüsen (ZrO 2 ), Raketendüsen (Zirkonoxid) -Sonden (Kfz-Technik, Sauerstoff-Leitfähigkeit ) Schwingquarze (Bei TiO 3, Piezokristall) [s. Werkstoffprüfung: Ultraschall] zu Zerspanungsprozess/technik: Schleifscheiben Schleifkorund Selbstschärfend (neue Schleifkörner werden permanent freigelegt) neue Schneiden Aber: Schleifscheibendurchmesser wird kleiner: Werkstückabmessungen würden sich ändern! Hilfsmittel: Kompensation durch automatische Nachregelung zu Textilindustrie: fadenführende Bauteile, z.b.: Nähfadenösen (siehe Skizze) oder grundsätzlich Webmaschinen. Faden Keramikring (Fadenführung) Metallring

40 6. Keramische Werkstoffe Oxidkeramik/Nichtoxidkeramik Anderes Beispiel: Herstellung der Schussspulen: Kreuzspule (Fadenanlieferung) Fadenumlenktrommel (Al) Schussspule Webstuhl Keramik- Einsätze Faden zu Lambda-Sonden (Automobiltechnik) Mischung aus Zr 4+ O 2 + Ca 2+ (Zusatz von Ca bewirkt freie Sauerstoffbrücken) Sauerstoffleitfähigkeit Aussage über Verhältnis CO / CO 2 Nichtoxidische Keramik - Umwandlung von Metalloxiden bei hohen Temperaturen zu Karbiden, Nitriden - Einteilung in metallische (TiC, TaC, WC [Wolframcarbid] ) und nichtmetallische Hartstoffe (SiC, BN, Si 3 N 4 ) - extrem hohe Härten, Einsatz bei thermischer und/oder mechanischer Beanspruchung Anwendungen Auskleiden von Schmelzwannen (SiC) Thermoelement-Schutzrohre Zerspanungstechnik (Hartmetalle) als Hartstoffphase (WC, VC, TiC, TiN), [siehe auch Kapitel 5, Nichteisenmetall] sowie Hartmetallbeschichtungen (BN) [40]

41 7. Kunststoffe - Duromere VII. Kunststoffe Allgemeines Begriff um 1900 (Plaste, Plastics) Industriereife: 30er Jahre (Isolationswerkstoff) großindustrielle Nutzung ab 1950 Produkte: Lacke, Klebstoffe, Faserstoffe, Kunststoffe als Festkörper Verarbeitung mit Füll- und Farbstoffen Einteilung bezüglich der Rohstoffe bzw. der Anwendungen und Verarbeitungseigenschaften 3 Hauptgruppen: Duromere Plastomere Elastomere Festigkeit, Härte Duroplaste (Duromere) Raumnetzmoleküle amorph teilkristallin Thermoplaste (Plastomere) Fadenmoleküle Duromere: - räumlich eng vermaschte Molekülketten, viele Knotenpunkte nicht verschiebbar spröde - Hohe Festigkeit, hohe Oberflächenhärte, geringe Bruchdehnung - Verarbeitung gemeinsam mit Füllstoffen, während der Formgebung Vernetzung, anschließend Aushärtung - Füllstoffe z.b. Textilien, Holz, Glasfasern bestimmen wesentliche Gebrauchseigenschaften ( Verbundwerkstoffe, z.b.: GFK-Werkstoffe) Basis: Polyesterharze Eigenschaften = f (Fasergeometrie, -lage, -benetzungsfähigkeit) Verarbeitung von Duromeren: - Gießen, Pressen (T = C, p = bar) Reaktionszeiten beachten (Angabe in Abhängigkeit der Wandstärken) - anschließend ggf. Weiterverarbeitung (Bohren, Schleifen) [41]

42 7. Kunststoffe - Duromere Einsatzbeispiele: Tragflächen, Rohre, Lagertanks, Behälter, beliebige Profile Verarbeitung durch Laminattechnik (Gewebe, Matten) ausgeprägte Vorzugsrichtungen (Anisotropie) Bauteile: Platinen (Pertinax), Laufrollen, Zahnräder, Gehäuse, Stecker Plastomere (Thermoplaste) - amorph, teilkristallin - Verschiebbarkeit der Fadenmoleküle gegeneinander, wiederholt plastisch verformbar - mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Spannungen, Dehnungen, Härte) diskutiert wie bei Metallen aber Zeitabhängigkeit beachten Wichtig: Spannungsrelaxation, zeitabhängige Kenngröße: Kriechmodul E (t) Verarbeitung von Plastomeren: bei Plastomeren größte Bandbreite - Extrudieren (vergleichbar mit Strangpressen bei Metallen) - Spritzgießen (Einzelteile, Stückgut), geschlossene Werkzeuge - Kalandrieren (Walzen) von Bahnen, Platten, Folien - Schäumen (Thermoplast + Treibmittel) Duromer und Plastomer Mechanisches Verhalten bei Festkörpern Vergleich zwischen Kunststoffen und Metallen = f() keine HOOKE-Gerade Spannung hart glasartig, hornartig zäh-elastisch, verstreckbar weich, lederartig, gummiartig Dehnung [42]

43 7. Kunststoffe Vergleich zwischen Metallen und Kunststoffen Vergleich Metalle Kunststoffe (insbes. Plastomere) HOOKE-Gerade Sekante V Def.: Elastizitätsmodul E = E E = = const V = Vorgegebene Dehnung Def.: eines Ersatz-E-Moduls E v = tan z.b.: E 0,5% Sekantenmodul Generell gilt: Kunststoffe zeigen bereits bei relativ kleinen Belastungen plastisches Formänderungsverhalten ( s. = f() ) Außerdem: Umkehrschluss: Formänderungsverhalten ist Zeitabhängig Spannungsverhalten bei konstanter Formänderung: = const. Betrachtung der Funktion = f( t ) bei = const: Spannungsrelaxation 1: Kunststoffe bei Normaltemperatur Abbau der Spannung als Funktion der Zeit t, 3 2 2: Metalle: T Einsatz = RT 3: Metalle: Einsatz bei höheren Temperaturen: T Einsatz > T Rekristall. 0,4 T Schmelz = const 1 t [43]

44 7. Kunststoffe Verarbeitung Hochtemperaturbelastung hochwarmfeste Werkstoffe Zeitstandverhalten Dehnen Kriechen hierzu werden Zeitversuche durchgeführt T Gewichte Zugprobe Verarbeitung von Kunststoffen: Viele Parallelen zur Metallverarbeitung Sowohl Halbzeuge (Tafeln, Profile, ) und auch Fertigerzeugnisse (Einzelteile Spritzgießen) Granulat Matrize Beispiel: Extrudieren (Kunststoffextrusion, s.rechts) Schnecke T Strang Herstellung eines Endlos-Produktes Anwendung: vornehmlich Herstellung von Plastomeren, z.b.: Herstellung von Zahnritzeln (als Funktion der Matrizenöffnung) Vergleich: Metallverarbeitung: Strangpressen (s.rechts.) (keine Endlosprodukte) Stempel Matrize Strang Analog: Walzen von Kunststofftafeln Kalandrieren (Verwendung innengekühlten Walzen) Granulat (teigige Masse) zwecks Erstarrung des Kunststoffgranulates Spanende Verarbeitung wie bei Metallen (Bohren, Fräsen, Drehen) Tafel [44]

45 7. Kunststoffe Prüfung Prüfung von Kunststoffen: Auch hier Vergleiche mit der Metallprüfung möglich: Beispiele: Zugversuch Unterschiede: - längere Verfahrwerte - Einspannung (häufig Flachproben) - Umgebungsbedingungen: T = 23 C ± 2 K, Luftfeuchte: 50 % ± 5 % (ansonsten müssen diese Versuchsbedingungen eingestellt werden) F Zugfestigkeit = f() E v F Kerbschlagbiegeversuch ggf. Änderung der Kerbproben: Verstärkung der Sollbruchstelle Härteprüfung - Brinell-Härte (Duromere) [ähnlich!] Mit Kugel: hier: Messung der Eindringtiefe - Fallhärte nach Shore (insbes. bei Elastomeren) [Siehe CWK1-9] ausgeprägte Rücksprunghöhe inf. elastischer Verformung Kegeldruckprüfung gemessen: Federkraft nach definierter Zeit t (Kegelstumpf dringt durch die Kraft F ein wenig in die Probe ein!) F Federkraft messen A = 2 mm² h Gehäuse d min = 6 mm Probe [45]

46 Prüfung des Temperatureinflusses F = 50 N 7. Kunststoffe Prüfung Ermittlung der VICAT- Erweichungstemperatur: A = 1 mm² h Höhe messen Klima-Kammer gemessen: Bei welcher Temperatur T ist der Metallstift 1 mm tief in die Probe eingedrungen. T 50 C/h Prüfstift Probe Bedingung: Erwärmung der Probe mit 50 C/h Beispiele: Polyethylen: C Polyamid: C Ziele der Kunststoffprüfungen: Verhalten von Kunststoffen bei thermischer Beanspruchung daneben auch Prüfungen z.b. über Isolierfähigkeit (physikalische Größe) Durchschlagsspannung Durchschlagsfestigkeit = Werkstückquerschnitt [46]

47 8. Verbundwerkstoffe VIII. Verbundwerkstoffe Polymer Metall Bezeichnung nach Einbringungsart der Verbund- bzw. Verstärkungskomponente: Keramik Schicht-, Faser-, Teilchen-, Durchdringungsverbundwerkstoff Benennung: Werkstoff und Form der zugesetzten Phase + Matrix Material, z.b.: G F K markante Größe: spezifische Festigkeit (Reißlänge) Wichtig: Lage des zugesetzten Materials Anisotropes Verhalten, ausgeprägte Vorzugsrichtung Struktur der Verbundwerkstoffe - schematisch Schichtverbund Faserverbund Teilchenverbund Durchdringungsverb. - Grundsätzliche Kombinationsmöglichkeiten - Arten der Verstärkungskomponente u. Matrixkomponente: Namen: Beispielsweise: GFK (Glasfaserkunststoff) - Vorzugsrichtungen Beanspruchbarkeit: Anisotropie Texturen Wichtige Kenngrößen zur Klassifizierung von insbes. Verstärkungskomponenten Reißlänge Faserverbundwerkstoffe spezifische Festigkeit Grundsätzliches Ziel: Hohe Festigkeit optimalen Materialverbrauch möglichst geringes Gewicht [47]