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 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1 Block 2 Zustandsdiagramm Eisen-Kohlenstoff Atomare Vorgänge bei der Gefügeumwandlung der Stähle Diffusionsgesteuerte Umwandlung / bildung Diffusionslose Umwandlung / Martensitbildung Der Zwitter / Bainitbildung ZTA- und ZTU-Diagramme Der Temperaturzyklus / Wärmeleitung Glühverfahren Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Weichglühen Normalglühen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2 1

2 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm Temperatur in C 1. A 1536 C H B 1493 C δ-mk N I 1392 C M α-mk P () Q γ-mk (Austenit) G 911 C O S 723 C Schmelze 0,8 2,06 4, Kohlenstoffgehalt in Ma.-% Ledeburit γ-mk Fe (Zementit) α-mk Fe (Zementit) Schmelze Fe E 1147 C C F Ac Zementitgehalt in % K L D metastabiles System Fe-Fe stabiles System Fe-C Linien: PSK Ac 1 GOS Ac 3 ES Ac cm MO Ac 2 (Curie-Temperatur) Punkte: Eutektikum Eutektoid Peritektikum C S I Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4 2

3 Phasenumwandlungen im System Eisen-Kohlenstoff stabiles Fe-C Diagramm α - Eisen krz metallisch weich [60 HV] verformbar magnetisch [RT] 0.02 % C [723 C] 10-5 % C [RT] Graphit C hexagonal sehr weich Leiter unmagnetisch γ Eisen kfz metallisch weich Austenit verformbar nicht magnetisch 2.06 % C [1147 C] 0.8 % C [723 C] langsame Abkühlung (Erstarrung) Diffusion metastabiles Fe-Fe Diagramm α - Eisen krz metallisch weich [60 HV] verformbar magnetisch [RT] 0.02 % C [723 C] 10-5 % C [RT] Fe rhomboedrisch intermetallisch hart Zementit [> 1200 HV] spröde magnetisch [RT] Energie instabil Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 metastabil stabil ZTU-Diagramm trz metallisch hart Martensit [ 65 HRC ca. 840 HV] spröde magnetisch Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 Korngrenze 0 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6 3

4 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 C16-0,16 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 7 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 C25-0,25 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 8 4

5 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 C35-0,35 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 9 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 C45-0,45 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 10 5

6 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 C60-0,60 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 11 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 C80 0,80 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 12 6

7 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 Sekundärzementit C110 - Sekundärzememtit 1,10 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 13 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl T e m p e ra tu r [ C ] α 0,8 0 0,5 1 1,5 2 Fe 911 C α γ γ-mischkristalle (Austenit) % C S γ γ Sekundärzementit 723 C Sekundärzementit 1147 C 2,06 Ac 1 Sekundärzementit C150 - Sekundärzememtit 1,50 Ma.-% C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 14 7

8 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Gußeisen Kohlenstoffgehalt in Ma.-% Zementitgehalt in % Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 15 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Gußeisen Kohlenstoffgehalt in Ma.-% Zementitgehalt in % Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 16 8

9 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Gußeisen Kohlenstoffgehalt in Ma.-% Zementitgehalt in % Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 17 9

10 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl A C3 Temperatur A C1 Zeit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 20 10

11 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl Temperatur A C1 Zeit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 21 Gefüge des Zustandsdiagramms Fe-Fe Stahl Sekundärzementit Temperatur A Cm A C1 Fe Zeit Fe Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 22 11

12 Diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse bildung fein(st) lamellar (Sorbit) Wachstumsrichtung C Diffusionsweg x = D t rosettenförmig (Troostit) Bainit (Zwischenstufe) d(fe ) d(α-fe) obere Bainitstufe (feinnadeliger Bainit) untere Bainitstufe (grobnadeliger oder globulitischer Bainit) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 23 12

13 Fe C kubischraumzentriertes Gitter (krz) -Eisen (bis 911 C) maximale Löslichkeit für C 0,02% kubischflächenzentriertes Gitter (kfz) -Eisen ( C) Austenit maximale Löslichkeit für C 2,06% tetragonales Gitter Martensit bildet sich bei schneller Abkühlung von Austenit Kohlenstoff in Zwangslösung große Spannungen, hohe Härte Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 25 Elementarzellen Eisen/Stahl Austenit mit C-Atomen auf Zwischengitterplätzen Abschrecken (γ α) 1 Å 0,4 Å 1,53 Å Austenit C-Atom a a Folgen: - Zwischengitterplatzgröße wird verringert - Fe-Atome müssen Lage ändern - Gitterverzerrung - hohe Härte Martensit a m a a c m kfz a = 3.56 Å Ångström (Å) = m = 0,1 nm krz a = 2.86 Å C-Atom auf Oktaederlücke trz a m = % C [Å] c m = % C [Å] Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 26 13

14 Kinematik der Martensitbildung z γ Orientierungsbeziehungen 30 a γ Kurdjumov-Sachs: (0 1 1) α (1 1 1) γ bis ca. 1,1% C _ [1 1 1] α [1 0 1] γ a γ / 2 a γ / 2 x γ y γ Nishiyama-Wassermann: (0 1 1) α (1 1 1) γ ab 1,1% C _ [0 1 1] α [1 1 2] γ [112]γ z α Stauchung in z-richtung 35 c α Dehnung in x und y-richtung a α a α x α y α Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 27 Mechanismen der Martensitbildung Charakteristika der martensitischen Umwandlung - makroskopisch invariante Ebene (i. A. hoch indizierte Habitusebene) - zwischen Matrix und Martensit besteht eine feste Orientierungsbeziehung - diffusionslose Umwandlung (militärische Umwandlung) - sehr schneller Ablauf Austenitgitter (2 EZ kfz) C auf Oktaederlücken Gleitprozesse Martensitgitter (trz) T Deformation T Scherung Zwillingsbildung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 28 14

15 Kinematik der Martensitbildung Temperatur C M s 200 M f % 100 Martensitanteil Ablauf der Martensitbildung - diskontinuierliche (stufenweise) Phasenumwandlung - die Martensitnadeln klappen innerhalb eines Austenitkorns nacheinander um - das Umklappen erfolgt mit annähender Schallgeschwindigkeit Austenitkorn M s ca. 350 C Heiztisch- Lichtmikroskop Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 29 15

16 Bainitbildung - Mechanismus Bainit entsteht durch Umklappen des Austenits in und Bildung feinst verteilter Karbidausscheidungen Man unterscheidet oberen Bainit: bei hohen Temperaturen gebildet; ähnelt feinslamellaren und unteren Bainit: bei niedrigen Temperaturen gebildet; ähnelt angelassenem Martensit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 31 Bainitbildung %C C γ Carbid C γ C α X [nm] γ α α α α Bainitnadel Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 32 16

17 Bainit - Bildungstemperatur 41 Cr C 515 C C und (feinlamellar) (feinlamellar, schwarz) und Bainit Bainit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 33 Bainit - Bildungszeit 41 Cr 4 20 s 40 s 1000 s Bainit dunkel; hell: Austenit, der beim Abschrecken Martensit gebildet hat Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 34 17

18 Das Austenitisieren ZTA Diagramme Temperatur in C Aufheizgeschwindigkeit in K/s ,05 homogener Austenit Bei der Austenitisierung finden folgende diffusionsbestimmte Vorgänge statt: - Zementit (Fe ) zerfällt und Kohlenstoff wird frei. - Die Eisenatome im krz-gitter () ordnen sich neu zum kfz-gitter (Austenit) an (Allotropie). - der freigewordene Kohlenstoff wird im Austenit (interstitiell) gelöst. 900 Ac 3 Gefügeaufbau Ac Zeit in s Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 36 Austenit 18

19 ZTU-Diagramme 2,0 1,5 0,45 1, A C3 0, Temperatur ( C) 200 A C1 M S F P B (Zw) Temperatur ( C) Zeit (s) ZTU-Diagramme beschreiben die Gefügeausbildung bei realer/technischer Abkühlung Im Gegensatz zum Phasendiagramm treten auch metastabile Gefügezustände auf Für unendlich lange Abkühlzeiten entsprechen die Umwandlungstemperaturen den Temperaturen im Fe-Fe -Diagramm Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 37 ZTU-Diagramme 42 CrMo 4 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 38 19

20 ZTU-Diagramme C 45 Für kontinuierliche Abkühlung Für isotherme Umwandlung Quelle: Stahlinformationszentrum Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 39 ZTU-Diagramme Einflussgrößen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 40 20

21 ZTU-Diagramme - Legierungsgehalt Temperatur ( C) M S A M F B P F B P Zeit (s) Zeit (min) Zeit (h) B P A C3 A C1 C45 42CrMo4 X45NiCrMo4 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 41 ZTU-Diagramm 3D Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 42 21

22 ZTU-Diagramm - Gefüge Temperatur ( C) A M S M Zeit (s) F B 42CrMo4 P A C3 A C1 Bildnachweis: Dietrich Horstmann, Das Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff, Verlag Stahleisen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 43 Härteprozesse A C3 Temperatur M S Härten A C1 F P B (Zw) Patentieren Warmbadhärten Normalglühen Gebrochenes Härten Bainitisieren Zeit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 44 22

23 Begriffe der Wärmebehandlung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 46 23

24 Begriffe der Wärmebehandlung (DIN EN 10052:1993) Abkühlen Senken der Temperatur eines Werkstücks. Das Abkühlen kann in einem Schritt oder mehreren Schritten erfolgen. Das Mittel (z.b. Ofen, Luft Öl ) ist anzugeben. Abkühlgeschwindigkeit Sie gibt die Temperaturänderung in Abhängigkeit von der Zeit während des Abkühlens an. Man unterscheidet: Die momentane Abkühlgeschwindigkeit bei einer bestimmten Temperatur und Die mittlere Abkühlgeschwindigkeit in einem Temperaturintervall Abkühlvermögen Fähigkeit eines Abkühlmittels, ein Abkühlprogramm zu verwirklichen. Austenitisieren Wärmebehandlungsschritt, in dessen Verlauf das Werkstück auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Matrix austenitisch wird. Durchwärmen Wärmen nach dem Erreichen der vorgegeben Temperatur an der Oberfläche eines Werkstücks bis zum Erreichen dieser Temperatur im gesamten Querschnitt. Halten Teil in einer Zeit-Temperatur-Folge, in der die Temperatur konstant gehalten wird. Überhitzen und Überzeiten Erwärmen auf so hohe Temperatur (Überhitzen und/oder so langem Halten (Überzeiten), dass eine übermäßige Kornvergröberung eintritt Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 47 Wärmeübertragung und -leitung Mechanismen der Energie- (Wärme)ausbreitung: (1) Konvektion Haupttransport der Wärme zum Bauteil in einer Gasatmosphäre oder einer Flüssigkeit (2) Wärmestrahlung Abstrahlung Absorption von elektromagnetischen Wellen / Transport der Wärme zum Bauteil im Vakuum (3) Wärmeleitung Transport der Wärme im Bauteil (1, 2) (3) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 48 24

25 Wärmeübertragung und -leitung Eindimensionale Wärmeleitungsgleichung für den instationären Zustand: Lösung als Fourier-Reihe: C, B: Konstanten Kern Oberfläche Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 49 Erwärmdauer Das Erwärmen muss gestuft durchgeführt werden, damit der Temperaturgradient zwischen Rand und Kern nicht zu groß wird und dadurch Eigenspannungen entstehen. Die Anzahl der Vorwärmstufen richtet sich nach der Behandlungstemperatur, der Teilegröße und der verfügbaren Anlagentechnik Quelle: Stahl-Informationszentrum Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 50 25

26 Abschätzung der Erwärmdauer Quelle: Prof. Illgner Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 51 26