Sommersemester Dr. Dieter Müller RENK AG, Augsburg 25. Juni 2012

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1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Sommersemester 2012 RENK AG, Augsburg 25. Juni 2012 Ausscheidungshärtung von Al-Legierungen Ausscheidungshärtung von Cu-Legierungen Ausscheidungshärtung von Martensitaushärtenden Stählen Wärmebehandlung von Ti-Legierungen Wärmebehandlung von Ni- und Co-Basislegierungen Messtechnik in der Wärmebehandlung Thermoelement Pyrometer Sauerstoffsonde Anlagentechnik in der Wärmebehandlung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2 1

2 Ausscheidungshärten 800 T [ C] 540 (1) T in C α α+s α+θ S θ+s θ Al 2 Cu 548 C (2) (3) Wärmauslagern T> 20 C Kaltauslagern T = 20 C lg t Al Masse % Cu (1) Lösungsglühen Homogener α-mischkristall (2) Abschrecken Übersättigter α-mischkristall (3) Ausscheidugshärtung / Auslagern Bildung von Al 2 Cu-Ausscheidungen Übersättigter Mischkristall Fließspannung GP I Kohärente Ausschiedung GP I-Zone GP II Kohärente Ausscheidung GP II-Zone Teilkohärente Ausschiedung θ -Phase θ Überalterung Inkohärente Ausschiedung θ-phase θ Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4 Auslagerungszeit 2

3 Auslagern Al-Cu Cu-Legierungen Phasen beim Ausscheidungshärten von AlCu: Gleichgewichtsphasen: Al-Mk: α-phase Cu- reiche intermetallische Verbindung: θ-phase = Al 2 Cu Metastabile Gefügebestandteile: GP I-Zone (Guinier-Preston): Mit dem Matrixgitter kohärente Cluster (mit ca. 90% Cu-Anteil) mit ca. 0,5 nm Dicke und 8 nm Durchmesser Bildung nach mehreren Stunden bei Raumtemperatur Kaltaushärtung GP II-Zone (θ ): Plattenförmige, kohärente Ausscheidungen mit bis zu 2 nm Dicke und 30 nm Durchmesser Entstehung bei C Warmaushärtung kohärent teilkohärent inkohärent θ -Ausscheidungen: Plattenförmige, teilkohärente Ausscheidungen mit bis zu 20 nm Dicke und bis zu 100 nm Durchmesser Entstehung bei ca. 200 C θ-phase: Inkohärente Ausscheidungsphase Al 2 Cu Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 Auslagern Al-Cu-Legierungen Härte (HB) Kupfergehalt: 4,5% 4% 3,5% 3% 2,5% 2% 1,5% 1% Härte (HB) Kupfergehalt: 4,5% 4% 3,5% 3% 2,5% 2% 1,5% 1% Auslagerungszeit bei 150 C (min) Auslagerungszeit bei RT (min) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6 3

4 Aushärtbare Al-Legierungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 7 Aushärtbare Al-Legierungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 8 4

5 Aushärtbare Al-Legierungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 9 5

6 Aushärtbare Cu-Legierungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 11 6

7 Warmaushärtende Stähle Maraging Stähle Beispiel: X3NiCoMoTi Wärmebehandlung: Lösungsglühen: C/Wasser Härte max. 340 HB Aushärten: 6h/490 C/Luft Härte ca. 55HRC Ausscheidung: Bildung harter intermetallischer Verbindungen (z.b. Ni 3 Mo, Ni 3 Ti, Fe 2 Ni, Fe 2 Mo) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 13 7

8 Weichglühen von Titan Weichglühen Werkstoff Temperaturspanne C Haltezeit Abkühlung Reintitan min/mm mind 10 min Luft TiAl5Sn min/mm mind 30 min Luft oder Ofen bis 500 C dann Luft TiAl6V min/mm mind. 30 min Luft oder Ofen bis 500 C dann Luft TiAl6V6Sn min/mm mind. 30 min Luft oder Ofen bis 500 C dann Luft Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 15 Spannungsarmglühen von Titan Werkstoff Spannungsarmglühen Temperaturspanne C Haltezeit Abkühlung Reintitan min Luft TiAl5Sn min Luft TiAl6V min TiAl6V6Sn min Luft oder Ofen bis 500 C dann Luft Luft oder Ofen bis 500 C dann Luft Die angegebene Haltezeit gilt für Dicken bis 10 mm, für jede weitere 10 mm 5 bis 20 min zusätzlich Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 16 8

9 Lösungsglühen und Auslagern von Ti Lösungsglühen und Auslagern Werkstoff TiAl6Zr5 Behandlung Lösungsglühen Temperatur Spanne C Haltezeit Abkühlung 2 min/mm mind. 60 min Auslagern h Luft Lösungsglühen min/mm mind. 15 min Öl Wasser TiAl6V4 Auslagern h Luft TiAl6V6Sn2 Lösungsglühen min/mm mind. 15 min Auslagern h Luft Wasser Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 17 9

10 Ni-Basis-Superlegierungen Element FeNi- und Ni-Basis- Superlegierungen Wirkung Cr 5-25% Korrosions- und Zunderbeständigkeit Mischkristallhärtung Mo, W 0-12% Bildung von M 6 C Mischkristallhärtung Al, Ti 0,6% Bildung von γ Ni 3 (Al,Ti)-Ausscheidungen, Ti bildet MC, Al erhöht Zunderbeständigkeit Ausscheidungshärtung Co 0-20% Erhöht γ -Lösungstemperatur B, Zr, Hf Verbessert Risszähigkeit; Bildung von Boriden, Hf bildet MC und fördert die Bildung von γ-γ Eutektikum in Gußlegierungen Ni Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 19 Stabilisiert Austenit; bildet Ausscheidungen Ausscheidungshärtung Nb 0-5% Bildet γ, Ni 3 Nb-Ausscheidungen; bildet orthorhombisches δ Ni 3 Nb Ausscheidungshärtung Ta 0-12% Bildet MC; verbessert Zunderbeständigkeit Mischkristallhärtung Ni-Basis-Superlegierungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 20 10

11 Ni-Basis-Superlegierungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 21 Ni-Basis-Superlegierungen γ -Phase entspricht Ni 3 Al Kohärent zum γ-mischkristall LI 2 -Gittertyp Al-Substituenten: Ti, Nb, Ta, V, Mn, Si γ -Phase entspricht Ni 3 Nb Bildung nur bei Fe-Anteilen im MK Teilkohärent zum γ-mischkristall DO 22 -Gittertyp Stabil bis 650 C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 22 11

12 Ni-Basis-Superlegierungen Wärmebehandlung: Lösungsglühen Stabilisierungsglühen Ausscheidungsglühen Stellit 6B (Co-Basisleg.) Lösungsglühen 1230 C Auslagern: 8h/1150 C Quelle: ASM Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 23 12

13 Parameter in der Wärmebehandlung Parameter Temperatur Druck Prozessgasanalyse Prozessgasmenge Messverfahren Thermoelement, Pyrometer Manometer, Druckmessröhre C-Folie, Sauerstoffsonde, Wasserstoffsonde Zählrohr, Mass Flow Controler Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 25 13

14 Temperaturmessung Ausdehnungsthermometer Widerstandsthermometer Thermovoltaik (Thermoelemente) Pyrometrie Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 27 Thermospannung Beobachtung: In einem elektrischen Kreis fließt ein Strom, sobald dessen Leiter aus zwei verschiedenen Metallen bestehen und sich deren Kontaktstellen auf verschiedenen Temperaturniveaus befinden. Ursache für die Thermospannung beim Kontakt zweier unterschiedliche Leiter ist der Seebeck-Effekt. Aufgrund der unterschiedlichen Austrittsarbeit verschiedener Leiter baut sich an der Kontaktstelle eine statische Spannung auf. Die Höhe der Spannung ist temperaturabhängig. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 28 14

15 Schaltkreis eines Thermoelements Externe Vergleichsstelle Interne Vergleichsstelle a. Meßstelle : Verbindungsstelle der beiden untersch. Metalle des Thermopaares (TP) b. Thermopaar (TP) c. Anschlussstelle : Verbindungsstelle zw. Thermopaar (TP) und Ausgleichsleitung (AGL) d. Ausgleichsleitung (AGL) : hat bis 200 C gleiche thermoelektrische Eigenschaften wie das Thermopaar. e. Vergleichsstelle, extern : mit konstant gehaltener Temperatur (z.b. 0 C oder 50 C) f. Kupferleitung : Verbindungsleitung zwischen der externen Vergleichsstelle und dem Messinstrument. g. Abgleichwiderstand (ist nur bei Messgeräten mit niederohmigem Eingang, wie z.b. bei Drehspulanzeigern ohne Verstärker erforderlich.) h. Messinstrument für Messkreise mit externen Vergleichsstellen (z.b. Regler o. Schieber) i. Messgerät mit interner Vergleichsstelle, wie z.b. Regler, bei denen die Klemmentemperatur intern gemessen und dann in eine Hilfsspannung umgesetzt wird, die das TE-Signal normiert. Transmitter (mv oder 0/4-20mA) mit nachgeschaltetem Instrument (z.b. Regler) Reckmann Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 29 Thermospannung verschiedener Thermoelementpaarungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 30 15

16 Temperaturbereiche verschiedener Thermoelemente Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 31 Thermoelemente Thermoelement Mantelthermoelement a. Anschlußkopf (AK) b. Anschlußsockel mit Anschlußklemmen c. Metallenes Schutzrohr (ggf. keramisches Schutzrohr das im Bereich des Anschlußkopfes in ein metallenes Halterohr eingebaut ist) d. Keramisches Innenschutzrohr e. Keramische Isolierröhrchen (bei Edelmetall-Thermopaaren mit einem Draht-Durchmesser von 0,5 bzw. 0,35 mm wird ein keramischer Isolierstab verwendet) f. Thermopaar (TP) unedel (Draht-Durchmesser üblicherweise : 1,38 / 2,0 / 3,0 mm) g. Meßstelle (Verbindungsstelle der beiden Thermodrähte) a. Stecker b. Mantel-Leitung (ML) bestehend aus c), d) und e) c. Metall- bzw. Mantelrohr (Außenmantel) d. Isolierpulver e. Thermopaar (TP) f. Endkappe g. Meßstelle (Verbindungsstelle der beiden Thermodrähte) g1 : vom Außenmantel isoliert (Standard-Ausführung) g2 : mit dem Mantel verschweißt Reckmann Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 32 16

17 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie Dr. 33 Dieter Müller 17

18 Pyrometrie Der schwarze Strahler Das Modell des schwarzen Strahlers (Plank sches Strahlungsgesetz): mit: L e : Strahlungsdichte : Wellenlänge T: absolute Temperatur C 1, C 2 : Konstanten für Geometrieeinfluß C 1 = 1, Wm²sr -1 C 2 = 1, mk Stefan Boltzmannsches Strahlungsgesetz eliminiert Abhängigkeit der Wellenlänge durch Integration: mit : Stefan-Boltzmann-Konstante = 1, Wm -2 K -4 sr -1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 35 Schwarzer Strahler realer Strahler Reale Strahler strahlen bei allen Wellenlängen schwächer als der schwarze Strahler L e (realer Strahler) < L e (schwarzer Strahler) Emissionsgrad: Adsorptionsgrad: Kirchhoffsches Gesetz: Der Emissionsgrad lässt sich mit Adsorptionsmessungen bestimmen! Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 36 18

19 Aufbau eines Pyrometers Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 37 19

20 Sauerstoffsonde Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 39 20

21 Einteilung der Wärmebehandlungsanlagen Nach - Bauweise (Kammer, Schacht...) - Gutbeförderung (Band, Durchstoss,...) - Heizung (elektrisch, gas...) - Atmosphäre (Schutzgas, Vakuum...) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 41 Einteilung Anlagen Die Wärmebe handlung metallisc her Werkstoff e Folie 42 21

22 Kammerofen mit Vorkammer Quelle: Ipsen International Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 43 Durchstosskammerofen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 44 22

23 Vakuumhärteofen Quelle: Ipsen International Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 45 Vakuumhärteöfen Quelle:Schmetz Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 46 23

24 Vakuumkammeröfen Quelle: ALD Industrieöfen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 47 Doppelkammervakuumofen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 48 Quelle:Schmetz 24

25 Vakuummehrkammerofen Quelle: ECM Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 49 Vakuumkammeröfen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 50 Quelle:ALD Industrieöfen 25

26 Kammerofen mit Retorte Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 51 Schachtofen mit Retorte Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 52 26

27 Schachtöfen mit Retorte Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 53 Durchstossanlage Quelle: Ipsen International Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 54 27

28 Durchstossanlage Quelle: Ipsen International Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 55 Drehherdofen Quelle: Ipsen International Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 56 28

29 Drehherdofen mit Härtepresse verknüpft Quelle: Ipsen International Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 57 H 2 -Banddurchlaufofen Quelle: Mahler Industrieöfen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 58 29

30 Exogas-Banddurchlaufofen Quelle: Mahler Industrieöfen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 59 Schutzgas-Banddurchlaufofen mit Ölabschreckung Quelle:Safed Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 60 30

31 Banddurchlaufofenanlage Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 61 Plasmanitrieranlage Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 62 31

32 Plasmanitrieranlage Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 63 32