Werkstofftechnik für die Praxis

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1 Werkstofftechnik für die Praxis - Klassische Werkstoffe und innovative Entwicklungen - Die Aktivitäten des Labors Werkstofftechnik Folie 1

2 Die Aktivitäten des Labors liegen in zwei Schwerpunkten: Dienstleistungen auf dem Gebiet der Werkstoff- und Bauteilprüfungen, von Schadensfalluntersuchungen sowie von Auftragsarbeiten Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit öffentlichen oder privaten Auftraggebern Folie 2

3 Typische Fragestellungen: Ist der richtige Werkstoff verbaut? Ist der Werkstoff korrekt wärmebehandelt? Hat die Randschicht die notwendige Härte? Welche Festigkeit besitzt der Werkstoff? Ist die Korrosionsbeständigkeit wie gefordert? Hat die Zinkschicht die geforderte Dicke? Was ist die Ursache für einen Schadensfall? Wie lange wird ein Bauteil unter schwingender Belastung halten? Erarbeitung einer optimalen Wärmebehandlung Verbesserung der Bearbeitbarkeit Prüfung einer Fügestelle Folie 3

4 Zur Bearbeitung solcher Fragestellungen steht eine Vielzahl spezialisierter Geräte zur Verfügung Mechanische Prüfungen: statisch und dynamisch Härteprüfungen Zähigkeitsbestimmung Folie 4

5 Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Stählen, Nickel- und Aluminiumlegierungen Schichtdickenmessung Korrosionstests Umweltsimulationsprüfungen Folie 5

6 Durchführung von Wärmebehandlungen (Härten, Vergüten, Glühen, Randschichthärten,..) Folie 6

7 Gefügedarstellung und -analyse im Lichtmikroskop Analyse von Oberflächen im Rasterelektronenmikroskop Folie 7

8 Messung des Verschleißverhaltens (Pin-on-disk, Taber-Abraser, Strahlverschleiß) Folie 8

9 Aufbringen von Korrosions- und Verschleißschutzschichten aus metallischen und keramischen Werkstoffen durch Flammspritzen Beschichtung von Bauteilen, angepasst auf den jeweiligen Einsatzfall Individuelle Schichtentwicklung und -optimierung Folie 9

10 Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Folie 10

11 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Einfaches, zweistufiges Beschichtungsverfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche Auftragen der Schicht durch Tauchen oder Streichen Mehrkomponentiger Werkstoff aus einer Ni- Basislegierunglegierung mit Binder ( ) und möglichen weiteren Komponenten Einschmelzen im Vakuumofen, induktiv oder mit Flamme Auch für Hinterschneidungen geeignet; praktisch nicht geometriegebunden Schichten zwischen 0,1 und ca. 5 mm realisiert Härten bis zu 68 HRC realisiert Folie 11

12 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Mischen der Pulverkomponenten und Anrühren mit Wasser zu einem Schlicker Auftragen des Schlickers auf das Bauteil Einschmelzen und verbinden mit dem Bauteil Folie 12

13 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Beschichten einer Platte Folie 13

14 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Tauchen eines Zahnrades Folie 14

15 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Typische Gefüge Folie 15

16 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Härte in Abhängigkeit von Einschmelztemperatur und Zusammensetzung Härte [H V5] Teile Cr3C2, ST52 6 Teile Cr3C2, ST52 5 Teile Cr3C2, Teile Cr3C2, Einschmelztemperatur [ C] Folie 16

17 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Induktive Innenbeschichtung eines Rohres Folie 17

18 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Anwendung zum Löten von Hartgussverschleißelementen auf Stahlträgern Folie 18

19 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Anwendung zum induktiven Fügen einer Welle-Scheibe-Verbindung Folie 19

20 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung Folie 20

21 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung Folie 21

22 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung Einbringen in das Rohr Form Einformen der Platte Folie 22

23 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung - Einbau zweier Segmente bei ThyssenKrupp Steel Folie 23

24 Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz Beispiele beschichteter Bauteile Folie 24

25 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Folie 25

26 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Die Tiefsttemperaturbehandlung ist seit vielen Jahrzehnten bekannt als Möglichkeit zur Werkstoffbeeinflussung Sie wird genutzt zur Umwandlung von Restaustenit zur Gewährleistung von Maßhaltigkeit durch Abkühlung auf ca. -80 bis -120 C Effekte bei weiterer Abkühlung sind offensichtlich vorhanden, aber noch nicht geklärt Seit einigen Jahren als Dienstleistung von verschiedenen Unternehmen angeboten, z.t. mit sehr hohem Anspruch, aber völlig fehlendem Verständnis Zur Sicherstellung einer ingenieurmäßigen Anwendung im Hinblick auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften metallischer Bauteile ist eine Klärung der Effekte im Sinne eines metallkundlichen Verständnisses notwendig Folie 26

27 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Kumar 2001 Werkstoff D3 ähnlich Kaltarbeitsstahl Verschleißabtrag im Stift-Scheibe-Verfahren Verschleißwiderstand Werkstoff: D3 Standardwärmebehandlung Tieftemperaturbehandelt 50 0 Belastung 20 N Belastung 30 N Belastung 50 N 0,32 0,49 0,66 0, ,513 0,18 0,272 0,366 Gleitgeschwindigkeit in m/s Folie 27

28 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Singh 2003 Werkstoff AISI 304L Zyklen bis zum Bruch im Zug-Schwell-Versuch (R=0) an Schweißungen 200 Spannungsamplitude (MPa) Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung ,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 Zyklen bis zum Bruch Folie 28

29 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Z.T abenteuerliche publizierte Erklärungsversuche: Innere Spannungen werden abgebaut Es bildet sich ein feineres Korn Die molekulare (!) Struktur des Metall wird verändert Die chaotische Molekülstruktur (!) des Metalls wird geordnet Kohlenstoff im Stahl wird zerstört Verringerung von Porosität im Werkstoff Die Moleküle (!) werden stärker untereinander gebunden Umwandlung von Restaustenit in Martensit Große Unsicherheit; Keine Vorhersagbarkeit Folie 29

30 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Härten TTB Anlassen Anlassen Anlassen TTB Folie 30

31 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Integration der Tiefsttemperaturphase in die Wärmebehandlungskette Härten Variante A TTB Anlassen Anfügen der Tiefsttemperaturphase an die herkömmliche Wärmebehandlung Variante B Härten Anlassen TTB T 0 C T 0 C Zeit Zeit Folie 31

32 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Anlage zur Tiefsttemperaturbehandlung Folie 32

33 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Anlasskurven verschiedener Stähle (Variante A) Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung Härte in HV Martensitischer rostfreier Stahl Martensitischer Rostfreier Stahl Kaltarbeitsstahl Kaltarbeitsstahl Härte in HV Anlasstemperatur in C Anlasstemperatur in C Folie 33

34 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Härte Grundsätzliche Modifikation einer Anlasskurve durch eine Tiefsttemperaturbehandlung (C) (B) (A) A: Höhe des Sekundärhärtemaximums B: Lage des Sekundärhärtemaximums C: Härte bei mittleren Anlasstemperaturen Anlasstemperatur Konventionelle Wärmebehandlung Mit Tieftemperaturbehandlung Folie 34

35 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Gefüge eines 8%igen Chromstahls mit/ohne Tiefkühlung (Variante A) Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung Aufnahme-Vergrößerung: 1000:1 Ätzung: 3%ige HNO3 Wärmebehandlung: 1100 C + 3x 540 C Aufnahme-Vergrößerung: 1000:1 Ätzung: 3%ige HNO3 Wärmebehandlung: 1100 C + TTB + 3x 540 C Folie 35

36 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen TEM-Aufnahmen an einem 12%igen ledeburitischen Chromstahl Hinweise auf eine Zunahme feinstkristalliner Ausscheidungen (Variante A) Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung Folie 36

37 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Härtezunahme (HV10) Anstieg der Härte im mittleren Anlasstemperaturbereich in Abhängigkeit vom Mo-Gehalt (Variante A) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Molybdän-Gehalt (%) (C) Folie 37

38 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Massenabtrag (mg/h) Verschleißabtrag im Stift-Scheibe-Versuch (Variante A) Unbehandelt Behandelt Gehärtet Gehärtet+ 100 C Gehärtet Gehärtet C Nidrige Belastung Hohe Belastung 500 Folie 38

39 Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen Mechanische Eigenschaften Zähigkeit [J] Biegekraft[N] Härte [HV1] Zähigkeit Härte Biegekraft Konventionell vergütet TTB 1 TTB2 TTB Folie 39