Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Zustandsschaubild Fe-Fe3C

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1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Michaela Sommer, M.Sc. HKR Seminar Grundlagen, Abläufe und Kriterien bei der Wärmebehandlung von Metallen Hagen,

2 Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH Daten & Fakten Gründung: Mitarbeiteranzahl: 14 Umsatzplan 2015: ~ 510 Eur Umsatzplan 2016: ~ 700 Eur Gesellschaftssitz: Lüdenscheid Gesellschafter der KIMW-F ist die rägergesellschaft e.v. mit über 250 aktiven Mitgliedern aus Europa Organigramm rägergesellschaft e.v. Kuratorium gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH echnischer Beirat Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai

3 Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH rägergesellschaft e.v. 250 Unternehmen, 100% Maschinenhersteller Rohstoffhersteller Werkzeug- und Formenbauer Peripheriegeräte, Automatisierung Alle Branchen: Automobilindustrie, Elektroindustrie, Leuchtenindustrie, Medizintechnik,.. Universitäten, Fachhochschulen, Institute, Cluster, sind in der rägergesellschaft vertreten Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai

4 echnologie-roadmap KIMW-F Definition der Forschungsbereiche derzeitige Forschungsbereiche Oberflächen- und Beschichtungstechnik Prozessentwicklung und Werkzeugtechnik Definition: Entwicklung von Beschichtungsprozessen und Beschichtungen mit dem Schwerpunkt in der CVD-echnik und teilweise kombiniert mit der PVD- echnik Definition: Neu- und Weiterentwicklung von Kunststoffverarbeitungsprozessen und zugehöriger Werkzeuge Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai

5 echnologie-roadmap KIMW-F Zusammenführung der Ergebnisse derzeitige Forschungsbereiche Oberflächen- und Beschichtungstechnik Prozessentwicklung und Werkzeugtechnik Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai

6 echnologie-roadmap KIMW-F Zusammenführung der Ergebnisse derzeitige Forschungsbereiche Oberflächen- und Beschichtungstechnik Prozessentwicklung und Werkzeugtechnik Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai

7 Aktuelle Forschungsthemen KIMW-F Beispiel: Prozess- und Schichtentwicklung - - Prüfung der erreichten Eigenschaften -Beschichten von Werkzeugeinsätzen -Schichterzeugung -Prüfung der Schichteigenschaften -Schichtentwicklung -Anlagen- und Prozessdesign Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai

8 Inhaltsverzeichnis Einführung Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (Fe-Fe3C-Diagramm) Begriffe (Ferrit, Austenit, Fe3C, Perlit, Ledeburit) Begriffe (Eutektoid, Eutektikum) Gefügeausbildung (Gleichgewichtsgefüge) Zusammenfassung 19. Mai

9 Einführung Beachte: Zunächst reines Eisen 19. Mai

10 Einführung 19. Mai

11 Gesamtdiagramm 1536 L S [ C] Stahl Guss 1147 g-mk S + g S S+Fe 3 C 911 g-mk + Fe 3 C 723 a-mk a+g a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6, Mai

12 Ferrit, Austenit a-eisen (krz) + Kohlenstoff (C) = Ferrit (krz) (0,02 % C) Ferrit g-eisen (kfz) + Kohlenstoff (C) = Austenit (kfz) (2,06 % C) Austenit 19. Mai

13 Ferrit, Austenit Lage der Kohlenstoff (C) Zwischengitterplätze im Eisen-Gitter a: 0,02 % C g: 2,06 % C z z Ferrit (krz) z = 0,04 nm Austenit (kfz) z = 0,11 nm 19. Mai

14 Ferrit, Austenit Begriffe: α-eisen + C g-eisen + C Ferrit Austenit [ C] Löslichkeitslinien S + g Löslichkeit für Fremdatome a g a+g g + Fe 3 C a + Fe 3 C 0,02 0,8 2,06 % C Fe 3 C II :Ausscheidung aus dem Austenit Fe 3 C III : Ausscheidung aus dem Ferrit Ursache: Gitterschwingung Platzangebot 19. Mai

15 Zementit gelöstes Kohlenstoffatom F 3 C Perlit Ferrit Raumgitter (Karbid; Fe 3 C) hohe Härte (800 HV10) à nicht umformbar Ferrit + Perlit 19. Mai

16 Eutektikum, Eutektoid 1536 [ C] Stahl Guss L S S 1147 g-mk S + g E Eutektikum S+Fe 3 C 911 g-mk + Fe 3 C 723 a+g e a-mk Eutektoid a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6, Mai

17 Eutektikum, Eutektoid Eutektische Reaktion: Abkühlung: = E Þ S Fe 3 C + g-mk Ledeburit weiß = Fe 3 C schwarz = g-mk Eutektoide Reaktion: Abkühlung: = e Þ g Fe 3 C + a-mk Fe 3 C Perlit Perlit Ferrit Ferrit Fe 3 C 19. Mai

18 Eutektikum, Eutektoid Stahl 1536 [ C] a-mk L S Guss S 2 1 S + g E S+Fe 3 C g-mk Eutektikum g-mk + Fe 3 C a+g e Eutektoid a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67 untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch 19. Mai

19 Gefügeausbildung 1536 Abkühlung: Bildung von Fe 3 C (aus der Schmelze primär ) Schmelze verarmt an C (4,3 %) E: S à Fe 3 C + g-mk [ C] 6,67 % C 2,06 % C 1147 S + g S 1 S+Fe 3 C Ledeburit g-mk E 911 g-mk + Fe 3 C 723 a-mk a+g a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67 übereutektisch 19. Mai

20 Gefügeausbildung 1536 Abkühlung: Bildung von g-mk (aus der Schmelze primär ) Schmelze reichert sich mit C (4,3 %) an E: S à Fe 3 C + g-mk [ C] 6,67 % C 2,06 % C 1147 Ledeburit g-mk S + g 2 S E S+Fe 3 C 911 g-mk + Fe 3 C 723 a-mk a+g a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 untereutektisch % C 6, Mai

21 Gefügeausbildung 1536 < E Austenit verarmt an C (0,8 % ) = e g à Perlit [ C] 2 S 1147 g-mk à Perlit g-mk S + g E S+Fe 3 C 911 g-mk + Fe 3 C 723 a-mk a+g a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 untereutektisch % C 6, Mai

22 Gefügeausbildung 1536 [ C] Stahl L Guss S S a-mk 4 g-mk a+g Eutektoid S + g S+Fe 3 C Eutektikum g-mk + Fe 3 C a-mk + Fe 3 C 0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67 untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch 19. Mai

23 Gefügeausbildung Abkühlung: = e Þ g (0,8 %C) a (0,02%C) + Fe 3 C (6,67%C) Þ eutektoide Umwandlung Perlit 1147 g 1 S + g a+g g + Fe 3 C 723 a a + Fe 3 C 0,02 0,8 2,06 % C untereutektoid übereutektoid Ferrit Fe 3 C C-Löslichkeit in α-mk Fe 3 C III -Bildung ( ertiärzementit ) 19. Mai

24 Gefügeausbildung Abkühlung: = LÖ (C in g) Þ Fe 3 C-Bildung an Korngrenzen (Keimbildungsgründe) Þ Austenit verarmt an C (0,8%) Þ eutektoide Umwandlung 1147 g 2 S + g KG 723 a a+g a + Fe 3 C g + Fe 3 C Perlit Sekundärzementit (Fe 3 C II ) (Schalenzementit) 0,02 0,8 2,06 % C untereutektoid übereutektoid Fe 3 C III -Bildung 19. Mai

25 Gefügeausbildung Abkühlung: = U Þ g a Þ g reichert sich mit C (C 0,8%) an = e Þ eutektoide Umwandl. (g a+fe 3 C) Ferrit S + g g 723 a+g U g + Fe 3 C a a + Fe 3 C 0,02 0,8 2,06 % C untereutektoid übereutektoid Perlit Fe 3 C III -Bildung Vorstellung KIMW-F Januar

26 Gefügeausbildung Abkühlung: = U Þ g a Fe 3 C III -Bildung g S + g 723 a a+g a + Fe 3 C g + Fe 3 C Þ ertiärzementitbildung 0,02 0,8 2,06 % C untereutektoid übereutektoid (an KG; Keimbildungsgründe) 19. Mai

27 Zusammenfassung (Stahlecke) Fe-Fe 3 C-Diagramm Þ Gefügeausbildung = f (, C-Gehalt) (Gleichgewicht) S + Austenit Ferrit Ferrit+Austenit Ferrit + Perlit Austenit Perlit Austenit + Fe 3 C II Perlit + Fe 3 C II 0,02 0,8 2,06 % C 19. Mai

28 Zusammenfassung (Stahlgefüge) untereutektoid Fe 3 C III Ferrit Ferrit C = 0,02% 0,02% < C < 0,8% Perlit eutektoid Perlit übereutektoid Perlit Fe 3 C Fe 3 C II Ferrit C = 0,8% 0,8% < C 2,06% 19. Mai

29 Zusammenfassung (Stahlecke) Fe-Fe 3 C-Diagramm Þ Gefügeausbildung = f (, C-Gehalt) (Gleichgewicht) Bsp.: S235 / C40 Austenit Bsp.: C80 S + g Bsp.: C100 Bsp.: DC06 Ferrit Ferrit+Austenit Ferrit + Perlit Perlit Austenit + Fe 3 C II Perlit + Fe 3 C II 0,02 0,8 2,06 % C 19. Mai

30 Zusammenfassung (Begriffe) Phase / Phasengemisch Aufbau Eigenschaften g-mk (Austenit) α-mk (Ferrit) Fe 3 C (Zementit) Fe 3 C I = Ausscheidung aus Schmelze Fe 3 C II = Ausscheidung aus Austenit Fe 3 C III = Ausscheidung aus Ferrit kfz max. 2,06 % C ( = 1147 C) krz max. 0,02 % C ( = 723 C) rhomboedrisches Gitter 6,67 % C weich, sehr zäh, sehr gut umformbar weich, zäh, gut umformbar sehr hart, sehr spröde, nicht umformbar Perlit (Eutektoid, feines Gemisch aus Ferrit und Zementit) ca. 88 % Ferrit + 12 % Zementit Lamellenstruktur hart, spröde, feinkörniges Gefüge Ledeburit (Eutektikum, feines Gemisch aus Perlit und Zementit) ca. 50 % Perlit + 50% Zementit Lamellenstruktur sehr hart, sehr spröde, feinkörniges Gefüge 19. Mai

31 Zusammenfassung (Eigenschaften) Ferrit Perlit (a + Fe 3 C) C = 0 % C = 0,15 % C = 0,30 % % C Beachte: Fe 3 C (Karbid ist hart!) Þ Härte Perlit > Härte Ferrit (Umformbarkeit) 19. Mai

32 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Michaela Sommer, M.Sc. Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH Mathildenstr. 22, Lüdenscheid el.: +49 (0) Internet: Mai

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