Sommersemester 2012 Dr. Dieter Müller RENK AG, Augsburg 11. Juni 2012

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1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Sommersemester 2012 RENK AG, Augsburg 11. Juni 2012 Innovative Power Transmission 1

2 Der Firmengründer 1873 Johann Julius Renk geb , gest Erstes Werk in Deutschland zur Herstellung geschnittener Zahnräder Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 3 RENK - ein Unternehmen der MAN-Gruppe Konzentration auf zwei große Geschäftsbereiche Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4 2

3 Umsatz Umsatzentwicklung der letzten 5 Jahre Mio Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 RENK Geschäftsbereiche Fahrzeuggetriebe Spezialgetriebe Umsatzanteil 23 % Umsatzanteil 35 % Standardgetriebe Gleitlager Umsatzanteil 22 % Umsatzanteil 20 % Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6 3

4 Standorte in Deutschland RENK Gruppe 1903 Mitarbeiter Werk Augsburg 927 Mitarbeiter Rheine Hannover Werk Rheine 432 Mitarbeiter Augsburg Werk Hannover 318 Mitarbeiter Stand: Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 7 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Block 1: Stahl (Einteilung, Bezeichnung, Qualität) Block 2: Gefügeumwandlung der Stähle Glühverfahren Block 3: Härten (martensitisch, bainitisch) Block 4: Härten Verzug Block 5: Thermochemische Diffusionsprozesse Block 6: Thermochemische Sonderprozesse Beschichten Block 7: Wärmebehandlung der NE-Metalle Anlagentechnik Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe 1 Folie 8 4

5 Literatur G. Spur, T. Stöerle (Hsg.) Handbuch der Fertigungstechnik; Band 4/2 Wärmebehandeln Hanser-Verlag, München Wien, 1987 V. Läpple Wärmebehandlung des Stahls Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 8. Aufl., 2003 H.P. Hougardy Umwandlung und Gefüge unlegierter Stähle Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 2. Aufl., 1990 D. Horstmann Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 5. Aufl., 1985 D. Liedtke, R. Jönsson Wärmebehandlung Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2000 D. Liedtke u.a. Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen II Nitrieren und Nitrocarburieren Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2007 K. Heeß u.a. Maß- und Formänderung infolge Wärmebehandlung Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1997 J. Grosch, u.a. Einsatzhärten Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1994 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe 1 Folie 9 Literatur F.-W. Bach, T. Duda Moderne Beschichtungsverfahren Wiley-VCH, Weinheim, 2000 M.F. Ashby, D.R.H. Jones Werkstoffe 2: Metalle, Keramiken und Gläser, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe Elsevier, Heidelberg, 2005 W. Bergmann Werkstofftechnik 2: Werkstoffherstellung Werkstoffverarbeitung - Werkstoffanwendung Hanser, München Wien, 2005 W. Seidel Werkstofftechnik Hanser, München Wien, 2007 Stahl-Informations-Zentrum ( kostenlos oder als download) Merkblatt 447: Wärmebehandlung von Stahl Nitrieren und Nitrocarburieren Stahl-Informations-Zentrum Merkblatt 450: Wärmebehandlung von Stahl Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Stahl-Informations-Zentrum Merkblatt 452: Einsatzhärten ASM The Handbook of Metals Vol. 4: Heat Treatment H. Berns, W. Theisen Eisenwerkstoffe Teile der Vorlesungsunterlagen entstammen Veröffentlichungen folgender Personen bzw. Unternehmen Böhler Stahl AG Dr. Hansjörg Stiele, EFD Induktionserwärmung, Freiburg u.a. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 10 5

6 Umsatzentwicklung der Lohnhärtereien in Deutschland Umsatz (Mio. ) 2008: Lohnhärtebetriebe: 175 Anzahl Mitarbeiter: Umsatz: 1,25 Mrd Quelle: Industrieverband Härtetechnik Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 11 Entwicklungstendenzen in der Wärmebehandlung Quelle: Ipsen GmbH Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 12 6

7 Block 1 Einführung Einteilung der Stähle Bezeichnung der Stähle Qualität der Stähle Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 13 7

8 Atomarer Aufbau von Eisen Ordnungszahl 26 α-eisen -Eisen a a Rel. Atomgewicht (g) 55,85 Dichte (g/cm³) 7,875 a a E-Modul (GPa) 215,55 Therm. Ausdehnungskoeffizient α(1/k) Atomdurchmesser d (nm) 0, Gittertyp krz kfz kfz a = 3.56 Å a a Gitterparameter a (nm) ,356 Atome je Einheitszelle 2 4 a a Atomvolumen (10-3 nm³) 11,77 10,81 Koordinationszahl 8 12 Oktaederlücken je EZ 6 (6/2 + 12/4) 4 (1 + 12/4) Tetraederlücken je EZ 12 (24/2) 8 krz a = 2.86 Å Größe der Lücken (nm) (maximaler Kugeldurchmesser) Oktaedrisch Tetraedrisch 0,038 0,072 0,103 0,056 Oktaederlücke Tetraederlücke Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 16 8

9 Atomarer Aufbau von Eisen krz {110} <111> und {112} <111> kfz {111} <110> {111} <112> Gleitsystem Zwillingssystem Spaltsystem {112} <111> {110} <100> Kristallographische Richtungen Kristallographische Ebenen {110} {100} {111} {112} <100> Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 17 9

10 Stähle nach DIN EN 10020:2000 Als Stahl werden Werkstoffe bezeichnet, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elementes und im allgemeinen weniger als 2% C aufweisen und andere Elemente enthalten. Einige Chromstähle enthalten mehr als 2% C. Der Wert von 2% wird jedoch im allgemeinen als Grenzwert für die Unterscheidung zwischen Stahl und Gusseisen betrachtet. Einteilung in Hauptgüteklassen Unlegierte Stähle Nichtrostende Stähle Andere legierte Stähle Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 19 Unlegierte Stähle DIN EN 10020:2000 Als unlegiert gilt ein Stahl, wenn die Gehalte der einzelnen Elemente die in der Norm angegebenen Grenzgehalte erreichen. Als legiert gilt ein Stahl, wenn die in der Norm angegebenen Grenzgehalte überschritten werden. Unlegierte Qualitätsstähle Unlegierte Edelstähle höhere Anforderungen an Reinheitsgrad, insbesondere bezüglich nichtmetallischer Einschlüsse mögliche Anforderungen: - Mindestwert für Kerbschlagzähigkeit - Einhärtungstiefe oder Oberflächenhärte - niedrige Gehalte an nichtmetallischen Einschlüssen - Höchstwert für S und P 0,020% Schmelzanlyse ( 0,025% Stückanalyse) Grenzwerte für unlegierte Stähle aus der Schmelzanalyse(Gew. %) Al B Bi Co Cr Cu La Mn Mo Nb 0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 0,40 0,10 1,65 0,08 0,06 Ni Pb Se Si Te Ti V W Zr Sonst. 0,30 0,40 0,10 0,60 0,10 0,05 0,10 0,30 0,05 0,10 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 20 10

11 Nichtrostende Stähle DIN EN 10020:2000 Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5 % Chrom und höchstens 1,2 % Kohlenstoff. Sie werden nach folgenden Kriterien unterteilt nach dem Ni-Gehalt (< bzw. 2,5%) nach den Haupteigenschaften in korrosionsbeständige hitzebeständige und warmfeste Stähle. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 21 Andere legierte Stähle DIN EN 10020:2000 Legierte Stähle Als legiert gilt ein Stahl, wenn die in der Norm angegebenen Grenzgehalte überschritten werden. Niedriglegierte Stähle enthalten in Summe weniger als 5% Legierungszusätze, hochlegierte Stähle mehr als 5%. Legierte Qualitätsstähle sind im Allgemeinen nicht zum Vergüten oder Oberflächenhärten vorgesehen. Zu dieser Gruppe zählen: Schweißgeeignete Feinkornbaustähle Stähle für Schienen Stähle für warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse Cu-legierte Stähle als einziges Legierungselement Elektroblech Legierte Edelstähle sind Stähle mit eng eingeschränkten und definierten Eigenschaften Zu dieser Gruppe zählen: Maschinenbaustähle Stähle für Druckbehälter, Wälzlagerstähle Werkzeugstähle Schnellarbeitsstähle Stähle mit besonderen physikalischen Eigenschaften Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 22 11

12 Wichtige Stahlgruppen Allgemeine Baustähle (DIN EN :2004) Allgemeine Baustähle sind nach ihren mechanischen Eigenschaften eingeteilt und müssen über eine gute Schweißbarkeit verfügen. Beispiel: S235 Schweißgeeignete Feinkornbaustähle (DIN EN :2001) Schweißgeeignete Feinkornbaustähle sind Stähle, deren Mindeststreckgrenze im Bereich N/mm² liegt und deren chemische Zusammensetzung im Hinblick auf die Schweißeignung gewählt ist. Durch das Stahlherstellungsverfahren wird ein besonders feines Gefüge eingestellt, was eine hohe Sprödbruchunempfindlichkeit aufweist. Ein feines Gefüge wird durch Zulegieren von B, Ti, Ta, Nb erzielt, häufig in Verbindung mit einem thermomechanischen Prozeß Beispiel: P285NH Vergütungsstähle (DIN EN 10083:2003) Vergütungsstähle sind Maschinenbaustähle, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung zum Härten eignen und im vergüteten Zustand gute Zähigkeit bei gegebener Zugfestigkeit aufweisen. Beispiele: 42 CrMo 4 (1.7225), 51 CrV 4 (1.8159) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 23 Wichtige Stahlgruppen Einsatzstähle (DIN EN 10084:1998) Einsatzstähle sind Stähle mit verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die für Bauteile verwendet werden, deren Randschicht vor dem Härten üblicherweise aufgekohlt oder carbonitriert wird. Solche Stähle sind nach der Behandlung gekennzeichnet durch eine Randschicht mit hoher Härte und einem zähen Kern. Beispiele: C15 (1.0401), 16MnCr5 (1.7131), 20MnCr5 (1.2162, ), X19NiCrMo4 (1.2764) Automatenstähle (DIN EN 10087:1998) Automatenstähle sind durch gute Zerspanbarkeit und gute Spanbrüchigkeit gekennzeichnet. Dies wird im Wesentlichen durch hohe Massenanteile an Schwefel (>0,1%, in Verbindung mit Mn), ggf. gemeinsam mit weiteren Zusätzen, z.b. Pb, erzielt werden. Beispiel: 11SMn30; 11SMnPb30 Nichtrostende Stähle (DIN EN 10088:2001) Nichtrostende Stähle enthalten mindestens 10,5% Cr und höchstens 1,2% C. Sie werden nach ihren wesentlichen Eigenschaften weiterhin unterteilt in korrosionsbeständige (Chromoxidschicht), hitzebeständige (>550 C; Cr-Si-Al-Oxid-Schutzschicht) und warmfeste Stähle (hohe Zeitstandfestigkeit >500 C; Ausscheidungen). Nach der chemischen Zusammensetzung und dem resultierenden Gefüge kann weiterhin unterscheiden in ferritische, martensitische, ausscheidungshärtende, austenitische und ferritisch-austenitische Srähle. Beispiele: X6Cr17 (1.4016), X5CrNi18-10 (1.4301) X35CrMo17 (1.4122), X90CrMoV18 (1.4112) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 24 12

13 Wichtige Stahlgruppen Werkzeugstähle (DIN EN ISO 4957:1999) Werkzeugstähle sind Edelstähle, die zum Be- und Verarbeiten von Werkstoffen sowie Handhaben und Messen von Werkstücken geeignet sind. Sie weisen eine dem Verwendungszweck angepasste hohe Härte, hohen Verschleißwiderstand und Zähigkeit auf. Kaltarbeitsstähle sind unlegierte oder legierte Stähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur im Einsatz im allgemeinen unter etwa 200 C liegt. Warmarbeitsstähle sind legierte Stähle für Verwendungszwecke, bei denen die Oberflächentemperatur im Einsatz im allgemeinen über 200 C liegt. Schnellarbeitsstähle sind Stähle, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung die höchste Warmhärte und Anlaßbeständigkeit haben und deshalb bis zu hohen Temperaturen von rund 600 C hauptsächlich zum Zerspanen und zum Umformen einsetzbar sind. Kunststoffformenstähle sind Stähle, welche für die Herstellung von formgebenden Werkzeugen für die Kunststoffverarbeitung verwendet werden. Hierbei kann es sich um unlegierte Stähle, Einsatzstähle und Werkzeugstähle handeln. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 25 13

14 Bezeichnung der Stähle DIN EN 10027: Es gibt unterschiedliche Nomenklatursysteme Das geeignete bzw. gebräuchliche Nomenklatursystem richtet sich nach der jeweiligen Stahlgruppe Der Bezeichnung liegen grundlegende Eigenschaften zugrunde. Es wird bezeichnet nach: der chemischen Zusammensetzung den mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) den technologischen Eigenschaften Neben den genormten Bezeichnungen erhält jeder Werkstoff eine eigene Werkstoffnummer, über welche er gleichfalls eindeutig beschrieben ist. Firmeneigene Bezeichnungen (z.b. Orvar, Calmax, Dominal ) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie Bezeichnung der allgemeinen Baustähle Bezeichnung nach der Festigkeit Alte Benennung: St + Angabe der Mindestzugfestigkeit in kp/mm² (1 kp entspricht 10 N) z.b.: St 37 = Baustahl mit einer Mindestzugfestigkeit von 37 kp/mm² Neue Bezeichnungen: Buchstabe für Stahlgruppe + Angabe der Streckgrenze in MPa z.b.: S Stähle für den Stahlbau S 235 (= St 37 alt) E Maschinenbaustähle P Stähle für Druckbehälter B Betonstähle L Stähle für Leitungsrohre H kaltgewalzte Flacherzeugnisse Buchstabe für Stahlgruppe + Angabe der Zugfestigkeit in MPa z.b.: Y Spannstähle Y1770 HT kaltgewalzte Flacherzeugnisse Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 28 14

15 29 Bezeichnung Stähle für den Stahlbau DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie Bezeichnung Stähle für Druckbehälter DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 30 15

16 31 Bezeichnung Maschinenbaustähle DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie Bezeichnung Stähle für Schienen DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 32 16

17 33 Kaltgewalzte Bleche aus höherfesten Stählen DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie Bezeichnung Bleche zum Kaltumformen DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 34 17

18 35 Bezeichnung der allgemeinen Baustähle Bezeichnung nach technologischen Eigenschaften Angabe der Härte Buchstabe für Stahlgruppe + festgelegte Mindesthärte in HB z.b.: R Stähle für Schienen R350 Angabe der Tiefziehfähigkeit: Flacherzeugnisse für Kaltumformung: D + Art des Walzens (C kalt; D warmgewalzt) + 2 Ziffern zur Charakterisierung des Stahls z.b.: DC04 Sondertiefziehgüte Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 35 Bezeichnung der un- und niedriglegierten Stähle Bezeichnung nach chemischer Zusammensetzung Unlegierte Stähle C + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 z.b.: C45 unlegierter Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff Niedrig legierte Stähle Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der vorstehenden Elemente geteilt durch den entsprechenden Faktor Faktoren: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000 z.b.: 42CrMo4 0,42% C, 1% Cr, Zusätze an Mo 40CrMnNiMo ,4% C, 2% Cr, 1% Ni, Zusätze an Mo Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 36 18

19 37 Bezeichnung der unlegierten Stähle DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 37 Bezeichnung der niedriglegierten Stähle DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 38 19

20 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 1:2001) Kurznamen Hochlegierte Stähle X (wenn der Gehalt eines Elementes mehr als 5% beträgt) + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der vorstehenden Elemente in Gew.% z.b.: X38CrMoV5-1 0,38% C, 5% Cr, 1% Mo, Zusätze an V X5CrNi ,05% C, 18% Cr, 10% Ni Schnellarbeitsstähle HS (oder PM) + Konzentrationsangabe der Legierungselemente W, Mo, V, Co z.b.: HS % W, 5% Mo, 2% V HS % W, 5% Mo, 2% V, 5% Co Zusätzlich enthalten Schnellarbeitsstähle ca. 0,8-0,9 % C und ca. 4% Cr Sonstiges Bei allen Kurznamen wird Guß durch ein vorangestelltes G und pulvermetallurgischer Stahl durch ein PM gekennzeichnet. Es können noch weitere Symbole zur Kennzeichnung bestimmter Eigenschaften (z.b. Erschmelzung, Umformung ) angehängt sein Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 39 Bezeichnung der hochlegierten Stähle DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 40 20

21 Bezeichnung der hochlegierten Stähle DIN EN :20011:2001 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 41 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 2:2001) Werkstoffnummern X.XXXX(XX) 1. Stelle: Werkstoffhauptgruppe (1.XXXX sind Stähle) 2. und 3. Stelle: Stahlgruppennummer 4. und 5. Stelle: Zählnr. für die einzelnen Stähle 6. und 7. Stelle: weitere Zählnummern (bei Bedarf) Beispiel für Stahlgruppen 20 Cr-Stähle 35 Wälzlagerstähle 23 Cr-Mo, Cr-Mo-V ab50 Baustähle 24 W, Cr-W 70 Cr-haltig 27 Ni-haltig 72 Cr-Mo 32 Co-haltige Schnellarbeitsst. 85 Nitrierstähle 33 Co-freie Schnellarbeitsstähle Beispiele: ist X38CrMoV5-1; ist 42CrMo4 Gleiche Stähle können je nach Verwendungsgruppe unterschiedliche Werkstoffnummern besitzen. z.b und ist 100Cr6 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 42 21

22 43 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 2:2001) Werkstoffnummern Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 43 Bezeichnung der Stähle (DIN EN :2001) 2:2001) Werkstoffnummern 44 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 44 22

23 Idealer / realer Werkstoff Eigenschaften sind unabhängig von Geometrie Ort Richtung Isotropie Aber Werkstoffe haben Querschnittsabhängige Eigenschaften Unterschiedliche Eigenschaften Oberfläche/Kern Vorzugsrichtungen Anisotropie Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 46 23

24 Anisotropie durch Erstarrung T S Schmelze mit Konzentration C L kühlt ab. Bei T 1 bilden sich in der Schmelze α-mischkristalle der Konzentration C 1. T 1 : Schmelze T 1 T 2 T e α C 1 C 2 C e C A L α + β X B Bei weiterer Abkühlung reichert sich die Restschmelzen durch den Verlust an A-Atomen mit B-Atomen an. Der sich bildende α-mischkristalle reichert mit sinkender Temperatur mehr B- Atome bis zur Konzentration C e ein. Bei T e kommt es zur eutektischen Erstarrung der Restschmelze. α-mischkristall C 1 T 2 : Schmelze α-mischkristall Innen C 1, außen C 2 T e : Ergebnis ist ein Gefüge mit anisotropen Eigenschaften im Mikro- und Makrobereich Eutektikum α + β α-mischkristall Innen C 1, außen C e Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 47 Anisotropie durch Erstarrung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 48 24

25 Anisotropie durch Umformung Ferrit- Perlitzeiligkeit Korngrößenunterschiede durch unterschiedliche Umformgrade nach dem Rekristallisationsglühen Quelle: TU München Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 49 Anisotropie durch Verunreinigung σ-phase in CrNi-Stahl Nichtmetallische Einschlüsse - Oxide - Sulfide - Phosphorseigerungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 50 Metallische Gefügebestandteile - σ-phase - Delta Ferrit - Vorlegierungen - Randentkohlung 25

26 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 51 Stahlerzeugung Quelle: Stahl-Informationszentrum Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 52 26

27 Schmelzmetallurgie Rohstahlerzeugung Ausgangsmaterial: Roheisen (Hochofen) / Oxygenstahl Stahlschrott / Elektrostahl Erschmelzung im Lichtbogenofen oder Induktionsofen Zulegieren der Legierungselemente (Vorlegierungen) Abguß in Kokillen oder Strangguß Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 53 Sekundärmetallurgie Weitere Verbesserung der Stahlqualität durch: Vakuumlichtbogenofen (verzehrende und nichtverzehrende Elektrode) Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU) Verringerung des Gehalts an nichtmetallischen Verunreinigungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 54 27

28 Vakuum-Lichtbogenofen mit nicht verzehrender Elektrode Vorteile: Niedrigste Gasgehalte Exakte Einstellung der Legierungselemente Geringste nichtmetallische Einschlüsse Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 55 Vakuum-Lichtbogenofen mit verzehrender Elektrode (VAR) Vorteile: Optimale Blockstruktur niedrigste Gasgehalte gleichmäßige Verteilung verbleibender Einschlüsse hohe Isotropie Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 56 28

29 Elektroschlacke-Umschmelzen (ESR) Vorteile: Optimale Blockstruktur niedrigster Schwefelgehalt höchster Reinheitsgrad (nichtmetallische Einschlüsse) hohe Isotropie Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 57 Seigerungen - Herstellung ESU-Qualität ESU-Qualität konventionell Konventionell Geschmiedet+ geglüht Konventionell gewalzt Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 58 29

30 Mikroseigerungen - Herstellung ESU-Qualität Konventionell + geglüht Konventionell + gewalzt Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 59 Weiterverarbeitung des Stahls Umformung des erschmolzenen Stahls: Walzen (flach, rund, Profil) Ziehen Schmieden Wärmebehandeln Glühen Vergüten Schälen Fräsen, Schleifen Präzisionsflachstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 60 30

31 Herstellung von PM-Stahl Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 61 Pulververdüsung Pulververdüsung mit Gas (Stickstoff, Edelgas) Wasser Flüssiggas Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 62 31

32 Makroseigerungen Schmelzmetallurgischer Stahl PM-Stahl Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 63 Mikrogefüge Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 64 32

33 Vorteile der PM-Stähle Gleichmäßigkeit der Eigenschaften (Isotropie) Keine Gefügeunterschiede über dem Querschnitt Gleichmäßig fein verteilte Karbide Sehr gute Zähigkeitseigenschaften bei hoher Härte Geringe Richtungsabhängigkeit Gute Bearbeitbarkeit Herstellung (Design) einer optimierten Zusammensetzungen Höhere Karbidanteile als durch Schmelzmetallurgie möglich Lokal optimierte Zusammenstellung der Legierungskomponenten möglich Nachteil Kostenintensive Herstellung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 65 33

34 Richtreihe Makroseigerungen Quelle: Böhler Edelstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 67 Richtreihe Gefüge Warmarbeitsstahl Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 68 34

35 Q-Richtreihen DIN 50602: Mikroskopische Prüfung von Edelstählen auf nichtmetallische Einschlüsse mit Bildreihen DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngröße ASTM-Korngröße SEP 1520: Mikroskopische Prüfung der Carbidausbildung in Stählen mit Bildreihen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 69 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 70 35

36 Korngrößenbestimmung Linienschnittverfahren Richtreihen Flächenzählverfahren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 71 Korngrößenbestimmung ASTM-Richtreihen ASTM E 19-46: Austenitkorngröße ASTM E 89-52: Ferritkorgröße Entspricht SEP Z = Anzahl der Körner in einem Quadratzoll bei 100-facher Vergrößerung N = Richtreihennummer ASTM Korngrößenskala: Z=2 N-1 Die ASTM-Korngröße Nr.1 gibt also ein Korn an, dessen Querschnitt bei 100-facher Vergrößerung ein Quadratzoll beträgt ASTM-Nr. Körner je inch² Körner je mm² Kornfläche in µm² Für Stähle: N<5 grobkörnig N>5 feinkörnig Quelle: MPA Stuttgart Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 72 36

37 Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP Auszug 1 Ferritanteil Kennzahl der Reihe (Merkmalsart) 2 5 Carbidgröße Carbidnetzwerk 6 Carbidzeiligkeit 0 Kennzahl der Stufe Vergrößerung 100:1 1000:1 200:1 100:1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 73 37