Eigenschaften von Rein-Eisen (Fe)

Transkript

1 Eigenschaften von Rein-Eisen (Fe) Ordnungszahl: 26 Dichte bei 20 C: 7,87 g/cm³ Schmelztemperatur: 1535 C Streckgrenze: ca.100 MPa Zugfestigkeit: ca. 200 MPa Bruchdehnung: 40 % Härte: 60 HB E-Modul: MPa Allotrope Modifikationen des Eisens Roheisenherstellung aus Fe-Erzen im Hochofen

2 Kohlenstoff in Eisenwerkstoffen Gelöst in Einlagerungsmischkristalle α- bzw. γ Eisen mit krz- bzw. kfz-gitter weich und verformbar Gebunden mit Eisen intermetallische Verbindung Eisenkarbid Fe 3 C kompliziertes Kristallgitter sehr hart und spröde Elementar (frei) Graphit Hex. Schichtgitter Dichte 2,1 g/cm³ sehr weich Bildquelle: V. Läpple - Wärmebehandlung des Stahls

3 Gefügearten im Fe C (Fe 3 C) - System Gefügename C - Gehalt Beschreibung F Ferrit temperaturabhängig RT: 0,002 % 723 C: max. 0,02% α - Mischkristall (α-fe) krz Gitter magnetisch A Austenit temperaturabhängig 723 C: 0,8% 1147 C: max. 2,06 % γ - Mischkristall (γ-fe) kfz-gitter unmagnetisch Z Zementit 6,67 % intermetallische Verbindung Fe 3 C rhomboedrisches Gitter P Perlit 0,8 % Kristallgemisch Ferrit + Zementit L Ledeburit 4,3 % Kristallgemisch bei T > 723 C: Austenit + Zementit bei T < 723 C: Ferrit + Zementit

4 Fe C (Fe 3 C) Zustandsdiagramm (vereinfachte Darstellung) Schmelze S A+S Z+S A A+L+Z Z+L A+F A+Z F+P P+Z P+L+Z F P L Z+L A Austenit F Ferrit P Perlit Z Zementit L Ledeburit

5 Austenitumwandlung Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Austenitumwandlung und Bildung verschiedener Gefüge am Beispiel eines Stahls mit 0,5% C Bildquelle: W. Weißbach - Werkstoffkunde

6 Zeit-Temperatur-Verlauf bei Wärmebehandlung Bildquelle: V. Läpple - Wärmebehandlung des Stahls

7 Hauptverfahren der Wärmebehandlung von Stahl Ziel: Veränderung bestimmter Gebrauchsoder Verarbeitungseigenschaften. Ziel: Erhöhung der Härte und der Verschleißfestigkeit im gesamten Querschnitt bzw. an der Oberfläche eines Werkstücks. Ziel: Erhöhung der Festigkeit bei guter oder verbesserter Zähigkeit angepasst an die Einsatzbedingungen. Glühbehandlungen Härten (durchgreifend) Vergüten z. B. Grobkornglühen Weichglühen Normalglühen Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Oberflächenverfahren Randschichthärten ohne Veränderung der Zusammensetzung der Randschicht Thermochemische Verfahren mit Veränderung der Zusammensetzung der Randschicht z. B. Einsatzhärten Nitrieren

8 Unlegierte Stähle Wirkung von Kohlenstoff Festigkeits- und Verformungskennwerte eines unlegierten Stahls (warmgewalzt) Bildquelle: W. Seidel - Werkstofftechnik

9 Legierte Stähle LE Al B Bi Cr Co Cu Mn Mo Ni Nb Pb Se Si Te Ti W V Zr Grenzgehalt in % 0,10 0,0008 0,10 0,30 0,10 0,40 1,60 0,08 0,30 0,05 0,40 0,10 0,50 0,10 0,05 0,10 0,10 0,05 Löslichkeit von Legierungselementen im Eisen Ferritbildner Austenitbildner Element Cr Mo V Si Mn Co Ni Gitter krz krz krz Diamant kfz kfz kfz Maßgebende LE-Gehalte für die Abgrenzung der unlegierten von den legierten Stählen nach DIN EN Max. Löslichkeit in α Fe % 100,0 37,5 100,0 14,4 3,5 76,0 8,0 in γ Fe % 12,5 1,6 1,5 2,2 100,0 100,0 100,0

10 Bezeichnungssystem der Stähle - 1 Kurznamen nach Verwendung und mechanischen Eigenschaften Buchstabe Dreistellige Zahl Zusatzsymbole Verwendung S Stähle für den Stahlbau P Druckbehälterstähle L Stähle für den Rohrleitungsbau E - Maschinenbaustähle u.a. Mechanische Eigenschaften für Buchstaben S, P, L, E : Mindeststreckgrenze in N/mm² Zusatzsymbole (für Buchstaben S, P, L) z.b. M Thermomechanisch umgeformt N Normalgeglüht (Normalisiert) Q Vergütet W wetterfest T Rohre Zusatzsymbole (für Buchstabe P) z.b. B Gasflaschen S Einfache Druckbehälter Zusatzsymbole (für Buchstabe S) Kerbschlagarbeit 27 J JR JO J2 J3 J4 J5 J6 40 J KR KO K2 K3 K4 K5 K6 60 J LR LO L2 L3 L4 L5 L6 Prüftemp. C

11 Bezeichnungssystem der Stähle - 2 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung Unlegierte Stähle C Zahl Zusatzsymbole selten Kennbuchstabe 100* mittlerer C - Gehalt Niedriglegierte Stähle Zahl chemische Symbole Zahlen Zusatzsymbole getrennt durch Bindestriche selten 100* mittlerer C - Gehalt Die den Stahl charakterisierenden Legierungselemente Der mittlere Gehalt der LE multipliziert mit den Faktoren: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100

12 Bezeichnungssystem der Stähle - 3 Kurznamen nach chemischer Zusammensetzung Hochlegierte Stähle X Zahl chemische Symbole Zahlen getrennt durch Bindestriche Kennbuchstabe 100* mittlerer C - Gehalt Schnellarbeitsstähle Die den Stahl charakterisierenden Legierungselemente Der mittlere, auf die nächste ganze Zahl gerundete Gehalt der LE HS Zahlen getrennt durch Bindestriche Kennbuchstaben Der Gehalt folgender Legierungselemente: W, Mo, V, Co (in der Reihenfolge)

13 Bezeichnungssystem der Stähle - 4 Werkstoffnummern nur mit einem Stahlschlüssel zu verstehen, interessant für Kaufleute (eindeutige Bestellung).. Werkstoffhauptgruppe Sortennummer Werkstoffsorte Anhängezahl (nur bei Bedarf) Werkstoffzustand 0 Gusseisen, Roheisen 1 Stahl 2 NE Schwermetalle 3 Leichtmetalle 4 Sinterwerkstoffe 5 bis 8 - Nichtmetallische Werkstoffe 9 nicht belegt Die ersten beiden Ziffern bezeichnen die Sortenklasse z.b chemisch beständige Stähle Die 3. und 4. Ziffer bilden eine reine Zählnummer zur Unterscheidung der einzelnen Stahlarten Beispiele: X5CrNi X6CrNiMoTi

14 Stahlgruppen nach Verwendung Baustähle - Allgemeine Baustähle - Feinkornbaustähle - Wetterfeste Baustähle Stähle für bestimmte Bauteile - Federstähle - Ventilstähle - Wälzlagerstähle Stähle für Wärmebehandlung - Vergütungsstähle - Einsatzstähle - Stähle für Randschichthärten - Nitrierstähle Stähle mit besonderen Eigenschaften - Kaltfließpressstähle - Kaltzähe Stähle - Druckwasserstoffbeständige Stähle - Nichtmagnetisierbare Stähle Chemisch- und wärmebeständige Stähle - Korrosionsbeständige Stähle - Hitzebeständige Stähle - Warmfeste Stähle - Hochwarmfeste Stähle Werkzeugstähle - Kaltarbeitsstähle - Warmarbeitsstähle - Schnellarbeitsstähle

15 Baustähle Allgemeine Baustähle (Beispiele) Stahl- Kurzname S235JRG1 S275JR S355JO E295 WNr Mind. R eh N/mm² R m N/mm² Feinkornbaustähle (Beispiele) Stahl- Kurzname S420N S1100QL WNr Mind. R eh N/mm² R m N/mm² Konstruktion aus einem Baustahl Kranausleger aus einem Feinkornbaustahl

16 Vergütungsstähle Vergüten Vergütungsstähle (Beispiele) Stahl Kurzname WNr. R e N/mm² R m N/mm² C45E bis Mn bis Cr bis CrMo bis CrNiMo bis 1100 Festigkeitswerte im vergüteten Zustand Schrauben aus Vergütungsstählen Bilderquelle: E. Ignatowitz Werkstofftechnik für Metallbauberufe

17 Korrosionsbeständige Stähle Ferritische Stähle Austenitische Stähle Duplex Stähle Martensitische Stähle z.b. z.b. z.b. z.b. X2CrNi12 (1.4003) X6Cr17 (1.4046) X5CrNi18-10 (1.4301) X6CrNiMoTi X2CrNiMoN (1.4462) X20Cr13 (1.4021) X50CrMoV15 (1.4571) (1.4116) Zustandsdiagramm der Cr-Ni-Stähle (bei RT) Rohrleitungen einer Offshore-Anlage

18 Werkzeugstähle Kaltarbeitsstähle z.b. C105U (1.1545) 60WCrV8 (1.2550) X153CrMoV12 (1.2379) Warmarbeitsstähle z.b. 55NiCrMoV7 (1.2714) X38CrMoV5-3 (1.2367) Schnellarbeitsstähle z.b. HS2-9-2 (1.3348) HS (1.3207) Kombizange aus Kaltarbeitsstahl Spritzgießform für Kunststoffe aus Warmarbeitsstahl Werkzeuge aus Schnellarbeitsstählen (Fa. Fette)

19 Gusseisen Gusseisen mit Lamellengraphit Starke Kerbwirkung von Graphitlamellen Gusseisen mit Kugelgraphit Schwache Kerbwirkung von Graphitkugeln Bilderquelle: E. Ignatowitz Werkstofftechnik für Metallbauberufe

20 Eigenschaften von Rein-Aluminium (Al) Ordnungszahl: 13 Dichte bei 20 C: 2,7 g/cm³ Schmelztemperatur: 660 C Dehngrenze: ca. 30 MPa Zugfestigkeit: ca. 80 MPa Bruchdehnung: 40 % Härte: 20 HB E-Modul: MPa Kristallgitter: kfz Al - Gussbaren Herstellung von Al aus Bauxit

21 Eigenschaften von Rein- Kupfer (Cu) Ordnungszahl: 29 Dichte bei 20 C: 8,9g/cm³ Schmelztemperatur: 1083 C Dehngrenze: ca. 70 MPa Zugfestigkeit: ca. 250 MPa Bruchdehnung: 50 % Härte: 30 HB E-Modul: MPa Kristallgitter: kfz Walzblankes Kupfer Herstellung von Cu aus Cu-Erzen

22 Aushärten von Al - Legierungen Verfahrensschritte: 1: Lösungsglühen 2: Abschrecken 3: Auslagern (Aushärten) a) b) a) Zustandsdiagramm Al-Si b) Temperatur Zeit Verlauf c) Änderung der Zugfestigkeit c) Bildquelle: Bargel, Schulze - Werkstoffkunde

23 Al Werkstoffe (Legierungen) Knetlegierungen AlMn1 AlMg3 AlMg4,5Mn0,7 AlMgSi AlMg1SiCu AlZn4,5Mg1 AlCu4Mg1 Gusslegierungen G-AlSi12 G-AlSi10Mg G-AlSi9Cu3 Verschiedene Profile und Kleinteile aus Al-Knetlegierungen Bildquellen: Industrieanzeiger 2/2002 E. Ignatowitz Werkstofftechnik für Metallbauberufe

24 Cu-Zn-Legierungen (Messinge) Knetlegierungen CuZn10 CuZn28 CuZn37 CuZn40Mn2Fe1 CuZn38Pb2 Gusslegierungen G-CuZn15 G-CuZn25Al5 G-CuZn37Pb Eigenschaften von Messing in Abhängigkeit vom Zn-Gehalt und Gefüge (aus E. Ignatowitz Werkstofftechnik für Metallbauberufe) Formdrehteile aus Messing Bildquelle: Deutsches Kupferinstitut

25 Cu-Sn- und Cu-Al-Legierungen (Bronzen) Zinnbronzen Knetlegierungen CuSn6 CuSn8P Gusslegierungen G-CuSn12 G-CuSn10Zn (Rotguss) Aluminiumbronzen Knetlegierungen Gusslegierungen CuAl10Fe3Mn2 CuAl10Ni5Fe4 G-CuAl10Fe G-CuAl9Ni Lagerbuchsen und Elektroteile aus Sn-Bronzen Schiffspropeller aus einer Al-Bronze Durchmesser: 8,9 m Gewicht: 55 t Bilderquelle: E: Ignatowitz-Werkstofftechnik für Metallberufe

26 Cu-Ni-Legierungen Beispiele: CuNi10Fe1Mn (Cunifer) CuNi30Fe Zustandsdiagramm des Systems Cu-Ni Bauteile aus Cu-Ni-Leg. für maritime Anwendungen Bilderquellen: Deutsches Kupferinstitut KME Osnabrück