Betreuer: M.Sc. A. Zafari

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1 3. Übung Werkstoffkunde I (Teil 2) SS 10 Stahl: Normgerechte Bezeichnungen, Legierungsund Begleitelemente, Wärmebehandlungen Betreuer: M.Sc. A. Zafari Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. C. Broeckmann Aufgabe 1: Ermitteln Sie aus den nachstehenden Kurzbezeichnungen von Stählen den prozentualen Anteil der Legierungselemente bzw. die charakteristische Eigenschaft. Tabelle 1: Kurzbezeichnungen von Stählen Kurzbezeichnung Prozentualer Anteil der Legierungselemente bzw. charakteristische Eigenschaft C45 0,45 m/o C (Unlegierter Stahl mit < 1 m/o Mn) 17MnV7 0,17 m/o C; 1,75 m/o Mn; zusätzlich mit V legiert (Unlegierter Stahl mit > 1 m/o Mn) P501 Mindeststreckgrenze 501 N/mm² (Stahl für den Druckbehälterbau) E420 Mindeststreckgrenze 420 N/mm² (Maschinenbaustahl) 102CrMo6 1,02 m/o C; 1,5 m/o Cr; zusätzlich mit Mo legiert (Werkzeugstahl) HS (1,1 m/o C); 2 m/o W; 9 m/o Mo; 1 m/o V; 8 m/o Co; 4 m/o Cr (Schnellarbeitsstahl) G17NiCrMo13-6 0,17 m/o C; 3,25 m/o Ni; 1,5 m/o Cr; zusätzlich mit Mo legiert (Edelbaustahl, Gussstahl) 32NiCrMoV12-3 0,32 m/o C; 3 m/o Ni; 0,75 m/o Cr; zusätzlich mit Mo und V legiert (Edelbaustahl) X10NiCrAlTi ,1 m/o C; 32 m/o Ni; 21 m/o Cr; zusätzlich mit Al und Ti legiert (Hitzebeständiger Stahl) 1

2 Aufgabe 2: Von einem Stahl mit der Bezeichnung bzw. X45NiCrMo4 liegt das dargestellte isotherme ZTU-Diagramm vor, Bild 1. a) Tragen Sie die fehlenden Gefügebezeichnungen in das ZTU-Schaubild mit Hilfe von Bild 2 ein. b) Der betrachtete Stahl soll ohne Martensitbildung zwischenstufenvergütet werden. Tragen Sie den Temperatur-Zeit-Verlauf der Wärmebehandlung von der Austenitisierungstemperatur, welche hier 860 C betragen soll, bis zur Raumtemperatur in das ZTU-Diagramm ein. Beschreiben und erklären Sie den Ablauf der Wärmebehandlung. Geben Sie die Umwandlungstemperatur und die ungefähre Umwandlungszeit an. c) Zum Vergleich soll an einer weiteren Probe des gleichen Stahls eine Warmbadhärtung durchgeführt werden. Tragen Sie den typischen Temperatur-Zeit-Verlauf dieser Wärmebehandlung von der Austenitisierungstemperatur bis zur Raumtemperatur in das ZTU- Schaubild ein. Beschreiben und erklären Sie den Ablauf der Wärmebehandlung. Geben Sie die Umwandlungstemperatur und die ungefähre Umwandlungszeit an. Bild 1: Isothermes ZTU-Diagramm vom Stahl mit der Bezeichnung bzw. X45NiCrMo4 2

3 Bild 2: Veränderungen des γ-feldes von Fe-C-Legierungen durch ternäre Legierungselemente 3

4 a) ZTU-Schaubild b) Zwischenstufenvergütung: Von der Austenitisierungstemperatur 860 C erfolgt eine schnelle Abkühlung auf eine Temperatur zwischen 300 C und M S -Temperatur im Salzbad. Nach einer Haltedauer von ca Sekunden beginnt die Umwandlung in Bainit. Das Umwandlungsende wird nach ca Sekunden (ca. 11,11 h) erreicht. Danach erfolgt eine beliebige Abkühlung auf Raumtemperatur. c) Warmbadhärtung: Abschreckung von der Austenitisierungs-temperatur 860 C auf 450 bis 500 C im Salzbad. Anschließend wird die Temperatur konstant gehalten, bis ein Temperaturausgleich stattgefunden hat. Nach weniger als 600 Sekunden, noch vor Beginn des Bainit-Gebietes, erfolgt die Abkühlung auf Raumtemperatur. Die Vorteile dieser Behandlung liegen in der Verminderung der Abschreckspannungen und der Rissgefahr. 4

5 Aufgabe 3: a) Ordnen Sie den folgenden Anforderungen eine geeignete Wärmebehandlungsmethode zu: Tabelle 2: Anforderung Verschleißfeste Randschicht mit einer Schichtdicke von 1 mm Bsp.: 16MnCr5 Verschleißfeste Randschicht; erforderliche Härte in 25 mm Tiefe soll 80 % der Oberflächenhärte betragen Bsp.: 50CrV4 Verschleißfeste Randschicht mit einer Schichtdicke von 0,3 mm Bsp.: 34CrAl6 Wärmebehandlung Einsatzhärten Vergüten Nitrieren b) Welche Eigenschaften werden durch Randschichthärten verbessert? Verschleißfestigkeit und Schwingfestigkeit Aufgabe 4: Beschreiben Sie stichwortartig die aufgelisteten Wärmebehandlungsverfahren. Tabelle 3 Verfahren Spannungsarmglühen Kurzbeschreibung bei 500 bis 650 C, Abbau innerer Spannungen durch lokale plastische Verformung auf das Niveau von R P0,2, das bei der Glühtemperatur herrscht. Weichglühen Normalglühen unter / pendelnd um A C1 (PSK), a) Weichglühen zur Rekristallisation nach Kaltverformung oder b) Weichglühen zur Beseitigung martensitischer oder bainitischer Gefügebestandteile. Bei ferritisch-perlitischen Stählen: Perlit kann seine lamellare Struktur verlieren, Zementit formt sich kugelig ein. Glühen oberhalb der Linie GSK mit anschließender Abkühlung anhand kontinuierlichen ZTU-Diagramm, so dass in möglichst kurzer Zeit feinstfertiger Perlit ohne Zwischenstufe bei niedrigen und hohe Kornvergröberung bei hohen Temperaturen entsteht. Beseitigung von Schmiede-, Walz- und Gussgefügen, Grobkorn und Texturen; Einstellung von feinlamellarem Perlit bei unlegierten oder niedriglegierten ferritisch-perlitischen Stählen Diffusionsglühen bei 1000 bis 1300 C, Homogenisierung von Kristallseigerungen meist im Gusszustand. 5

6 Aufgabe 5: a) Vervollständigen Sie das Diagramm in Bild 3 mit Achsenbeschriftungen und den entsprechenden Einheiten. Bild 3: Härteverlauf an Jominy-Proben mit tiefer und flacher Einhärtung b) Es stehen die folgenden Stähle zur Verfügung: X5CrNi18-9, 50CrV4, 32CrMoV12-10, 37MnSi5. Nach einem JOMINY-Versuch zeigen zwei der Stähle einen Verlauf wie in Bild 2 dargestellt. Bestimmen Sie und tragen Sie die Stahlbezeichnung an den zugehörigen Kurvenverlauf in Bild 2 an. X5CrNi18-9: Austenitischer Stahl, geringer C-Gehalt von 0,05 m/o 50CrV4: C-Gehalt 0,5 m/o => hohe, durch Abschrecken erreichbare Härte, Cr-Gehalt 1 m/o => gute Durchhärtbarkeit 32CrMoV12-10: C-Gehalt mit 0,32 m/o geringer => geringere erreichbare Härte 37MnSi5: Kein merklicher Cr-Gehalt => keine tiefe Einhärtung möglich c) Nennen Sie mindestens zwei Legierungselemente, die ein tiefes Einhärten, wie es im oberen Kurvenverlauf vorliegt, fördern. Erklären Sie anhand der Vorgänge im ZTU- Diagramm, durch welchen Effekt dies geschieht. Die Elemente Cr, Mo, Ni verschieben die Ferrit-Perlit-Nase und die Bainit-Nase im kontinuierlichen ZTU-Diagramm zu langen Zeiten, so dass entsprechend legierte stähle eine geringe kritische Abkühlgeschwindigkeit haben und durchhärten. 6

7 Aufgabe 6: a) Neben Stählen sind Aluminiumlegierungen eine sehr wichtige Werkstoffgruppe. Die physikalischen Eigenschaften von Eisen und Aluminium unterscheiden sich jedoch erheblich. Tragen Sie in der nachstehenden Tabelle jeweils die spezifischen Werte für die beiden Reinstoffe ein: Tabelle 4 Schmelztemperatur [ C] Dichte [g/cm 3 ] Elastizitätsmodul [N/mm 2 ] Reineisen , Reinaluminium 660 2, b) Rein- bzw. Reinstaluminium erfüllt hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit, obwohl diese Werkstoffe elektrochemisch recht unedle Metalle sind. Wie ist das zu erklären? Bei lokalen Verletzungen bildet sich zum Beispiel unter Umgebungsbedingungen innerhalb von Sekunden eine geschlossene Oxidschicht und schützt den Werkstoff auf diese Weise. Al 2 O 3 ist beispielsweise sehr dicht und unterbindet die Diffusion von Oxidatoren zum metallischen Aluminium. Diese passivierenden Eigenschaften lassen das elektrochemisch recht unedle Metall sehr viel edler in seinem Korrosionsverhalten erscheinen, als es der Stellung in der Spannungsreihe entspricht. c) Die Festigkeit von aushärtbaren Aluminiumlegierungen kann durch Ausscheidungshärten gesteigert werden. Geben Sie den Wärmebehandlungszyklus qualitativ als Temperatur-Zeit- Verlauf in einem Diagramm wieder, und kennzeichnen Sie die wichtigen Abschnitte der Wärmebehandlungen. 7