Abbildung 1.1: Grafische Darstellung der Nasenbedingung

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1 1 Theorie: Wärmebehandlung 1.1 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild (ZTU) Das ZTU-Schaubild ist ein Diagramm, in dem die Phasen- bzw. Umwandlungsgrenzen eingetragen sind und mit Abkühlungskurven verglichen werden. Es soll erklärt werden, weshalb das ZTU- Diagramm eine nasenähnliche Form hat. Als Erstes wird die Kinetik der Umwandlung betrachtet. Mit stärkerer Unterkühlung nimmt das Umwandlungsbestreben zu (Triebkraft). Und als Zweites nimmt die Diffusionsgeschwindigkeit mit sinkender Temperatur ab (Mobilität der Atome). Dies ist im folgenden Diagramm (Fig. 1.1) ersichtlich. Umwandlungsgeschwindigkeit = Triebkraft ( G) Mobilität der Atome (D) Abbildung 1.1: Grafische Darstellung der Nasenbedingung Nasenbedingung: Es ist eine grosse Keimzahl (grosses G, starke Unterkühlung) und eine hinreichend grosse Diffusionsgeschwindigkeit (grosser Diffusionskoeffizient, hohe Temperatur) notwendig. Eine solche Nase im ZTU-Diagramm geht einher mit einer schnellen Umwandlung (logarithmische Skala). Isothermes ZTU-Schaubild: Der Umwandlungsablauf im unterkühlten Austenit wird bei konstanter Temperatur bestimmt. Die Probe wird durch Abschrecken von der Austenitisierungstemperatur auf die Untersuchungstemperatur gebracht und bei dieser gehalten, während 1

2 die Umwandlung läuft. Das isotherme ZTU-Schaubild darf nur entlang einer Temperaturhorizontalen gelesen werden. Das Temperatur-Zeit-Diagramm in Abb. 1.1 ist ein isothermes ZTU-Schaubild. Kontinuierliches ZTU-Schaubild: In der Praxis sind besonders kontinuierliche Abkühlungen realistisch. Die Mengen der in den einzelnen Umwandlungsbereichen gebildeten Gefügebestandteile sind an den Schnittpunkten der Abkühlungskurven mit der unteren Grenze des jeweiligen durchlaufenen Bereiches in Prozent angeschrieben. Die Härte ist am Kurvenende angegeben. Werden zusätzliche Legierungselemente zugegeben, verschiebt sich das ZTU- Diagramm nach rechts unten und das Bauteil kann trotz tieferer Abkühlgeschwindigkeit immer noch gehärtet werden (Fig. 1.2). Das kontinuierliche ZTU-Schaubild ist nur entlang einer Abkühlungskurve zu lesen. t 8/5 -Zeit: Zeit für die Abkühlung von 800 C auf 500 C Die untere kritische Abkühlungsgeschwindigkeit entspricht am ehesten der Kurve 5. Die obere kritische Abkühlungsgeschwindigkeit entspricht am ehesten der Kurve 2. Abbildung 1.2: Legiertes und unlegiertes kontinuierliches ZTU-Diagramm 1.2 Wärmebehandlung der Oberflächen Durch eine solche Behandlung lassen sich Gefügeverteilungen erzeugen, die an der Oberfläche des Werkstücks für Härte und Festigkeit (Verschleiss- und Ermüdungsfestigkeit) sorgen. Der Kern bleibt weich und duktil und sorgt für ausreichende Bruchzähigkeit und Schlagresistenz. Ohne Legierungsänderung: Bei Stählen mit mittlerem C-Gehalt kommt das selektive Erwärmen der Oberfläche zur Anwendung. Durch das Abschrecken bildet sich an der Oberfläche Martensit. Um die Oberfläche zu erwärmen, werden unter anderem Gasbrenner, Induktionsspulen oder Laser verwendet. So können diejenigen Bereiche selektiv gehärtet werden, die einer hohen Verschleissbeanspruchung unterliegen. 2

3 Mit Legierungsänderung: Der kohlenstoffarme Stahl wird in einer C-reichen Atmosphäre erhitzt. Durch Diffusionsvorgänge und wegen der guten Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit stellt sich in der Oberfläche ein hoher C-Gehalt ein. Nach dem Abschrecken und Anlassen liegt an der Oberfläche kohlenstoffreicher Martensit vor. Dieser ganze Vorgang wird Einsatzhärten genannt (Aufkohlen, Härten und Anlassen). Geeignete Legierungselemente sind: Kohlenstoff Aufkohlen Stickstoff Nitrieren Bor Borieren 1.3 Ausscheidungs- oder Teilchenhärtung Grundprinzip: In einer Legierung mit zwei Komponenten A und B können Teilchen des Mischkristalls β innerhalb der Mischkristalle α eine Steigerung der Festigkeit bewirken. Teilchen stellen, sofern sie fester sind als die Matrix, Hindernisse für die Wanderung von Versetzungen dar. Unter genügend starken Schubspannungen können Versetzungen Teilchen vor dem Erreichen des kritischen Radius durchschneiden. Danach werden noch grössere Teilchen von Versetzungen umgangen. Diese zwei Prozesse sind in Abb. 1.3 ersichtlich. Unterschied zur Martensitbildung: Um Martensit zu erzeugen, musste das Werkstück austenitisiert werden, das heisst der Zustandspunkt des Werkstücks befand sich über der Eutektoiden im reinen Austenitgebiet. Anschliessend wandelte sich das komplette Gefüge spontan in ein anderes Gefüge um. In der Teilchenhärtung wird mit der sich verändernden Löslichkeit einer Phase gearbeitet, das heisst es liegt keine komplette Gefügeumwandlung vor. 3

4 Abbildung 1.3: Umgehen und Schneiden von Hindernissen Abbildung 1.4: Zeit-Temperatur-Folge beim Ausscheidungshärten 4

5 Vorgehen: Abb. 1.4 und Abb Lösungsglühen (Homogenisieren): Halten im Gebiet des homogenen Mischkristalls (alles B wird im α-mk gelöst). 2. Abschrecken: Auf eine Temperatur < 0.3 T S, um thermisch aktivierte Vorgänge (Diffusion) zu vermeiden, es soll kein β-mk entstehen. 3. Auslagern (Altern): Halten bei einer Temperatur (ca 0.5 T S ) im Zweiphasengebiet, damit thermisch aktivierte Vorgänge kontrolliert ablaufen (β-mk kristallisiert aus), es soll eine gute Kombination aus möglichst vielen und optimal grossen Teilchen erreicht werden. Abbildung 1.5: Vorgänge beim Ausscheidungshärten Der Ausscheidungsvorgang ist ein Keimbildungsvorgang (heterogen an Gitterdefekten beginnend), wie er im Kapitel der Erstarrung kennen gelernt wurde. Die durch das Abschrecken erzielte höhere Leerstellenkonzentration erleichtert die Diffusion und damit die Keimbildung. Auf eine Keimbildung folgt das Wachstum der Keime aus dem übersättigten Mischkristall bis zur Gleichgewichtszusammensetzung (nach dem Gesetz d T t). Zum Schluss vergröbern sich die Teilchen zur Verringerung der Oberflächenenergie. Diese erfolgt langsamer nach einem veränderten Zeitgesetz (Ostwaldreifung, d T 3 t). Dabei werden die umgebenden Teilchen aufgezehrt und somit die Teilchenabstände vergrössert. Die Festigkeit sinkt, da der Streckgrenzenzuwachs umgekehrt proportional zum Teilchenabstand ist ( σ T 1/D T ). 1.4 Härte Definition: Härte ist der Widerstand, den ein Werkstoff dem Eindringen eines Prüfkörpers aus einem härteren Werkstoff entgegensetzt. Die Härteprüfung ist ein technisches Prüfverfahren, d.h. sie liefert keine eindeutig physikalisch definierbare Werkstoffeigenschaft. Damit sind Härteprüfverfahren nur sinnvoll, wenn sie durch 5

6 Normung vergleichbar gemacht werden. In der Vergangenheit wurden verschiedenste Prüfverfahren entwickelt, von denen sich die Messungen nach Brinell, Vickers und Rockwell in der Härtemessung von Metallen durchgesetzt haben Brinellhärte Zur Ermittlung der Brinellhärte wird eine gehärtete Stahlkugel oder eine Wolframcarbidkugel eines bestimmten Durchmessers D mit definierter Prüfkraft F für eine Zeitdauer von mindestens 10 s in die Probe gedrückt. Danach wird der mittlere Durchmesser d des in der Oberfläche der Probe hinterlassenen Abdrucks ausgemessen. Die Brinellhärte ergibt sich als Kraft pro Abdruckoberfläche: HB = F A F = π D(D D 2 d 2 ) Da der Eindruckdurchmesser sich zwischen bestimmten Werten befinden muss, wird die Prüflast über den Werkstoff spezifischen Belastungsgrad (aus Tabellen) je nach Kugeldurchmesser eingestellt. B = F D 2 Eine korrekte Angabe der Brinellhärte enthält nicht nur den Härtewert sondern verschlüsselt die Prüfbedingungen wie Kugeldurchmesser, Prüfkraft und Belastungsgrad. Beispiel: 275 HBW 2.5/187.5/20 bedeutet Brinellhärte 275, Kugel aus Hartmetall (W), Kugeldurchmesser 2.5 mm, Prüfkraft 1840 N (= kp; 1 kp = 9.81 N), Einwirkdauer 20 s. Aufgrund der begrenzten Festigkeit des Prüfkörpers ist die Brinellhärte auf weiche bis mittelharte Werkstoffe begrenzt Vickershärte Zur Ermittlung der Vickershärte wird eine Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136 mit definierter Prüfkraft F für eine Zeitdauer von mindestens 10 s in die Probe gedrückt. Danach wird die mittlere Diagonale d des in der Oberfläche der Probe hinterlassenen Abdrucks ausgemessen (Fig. 1.6). Beispiel: 210 HV50/30 bedeutet Härte Vickers 210, Prüfkraft 490 N (50 kp, Kilopond, 1 kp = N, Ein Kilopond ist die Kraft, die durch die Schwerebeschleunigung an der Erdoberfläche auf eine Masse von einem Kilogramm ausgeübt wird,veraltete Einheit), Einwirkdauer 30 s. Das Prüfverfahren nach Vickers ist das universellste Verfahren, es ermöglicht die Messung von weichen und extrem harten Werkstoffen. 6

7 HV = F A d = d 1 + d 2 2 = sin(68 ) F d 2 Abbildung 1.6: Diamantpyramide und hinterlassener Abdruck Rockwellhärte Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird nicht die Abdruckfläche gemessen, sondern die Eindringtiefe. Die Rockwellmessung ist besonders zeitsparend und für die Serienprüfung geeignet. Als Eindringkörper wird für die weiche Materialien eine Stahlkugel verwendet (HRB und HRF) bei härteren Materialien ein Diamantkegel mit einem Öffnungswinkel von 120 (HRC und HRA). Zur Ermittlung der Rockwellhärte wird der Prüfkörper nach definierter Prozedur und mit definierter Prüfkraft in die Probe gedrückt. Zunächst wird eine Vorlast F 0 = 98 N aufgegeben, die Oxid- und Walzschichten, sowie Rauheiten durchdringen soll. Danach wird die Prüflast nach der unten aufgeführten Tabelle aufgegeben und nach einigen Sekunden wieder auf die Vorlast entlastet. Diese Vorgänge sind in Fig. 1.7 dargestellt. Die verbleibende Eindringtiefe e ist das aufzunehmende Mass, aus dem sich die Rockwellhärte ermitteln lässt: HRC = 100 e Abbildung 1.7: Vorgänge der Rockwellhärtemessung HRF HRB HRA HRC Geometrie Kugel Kugel Kegel Kegel Material Stahl Stahl Diamant Diamant Abdruck Kreis Kreis Kreis Kreis Vorlast 98 N 98 N 98 N 98 N Prüfzusatzlast N N N 1373 N Messgrösse Eindringtiefe e Eindringtiefe e Eindringtiefe e Eindringtiefe e 7

8 Beispiel: 64 HRC bedeutet Härtewert 64, Prüfverfahren C. Die Härteprüfung nach Rockwell C eignet sich für mittelharte Werkstoffe bis zu sehr harten Stählen. Für Hartmetalle ist die Rockwell A Prüfung vorgesehen Umrechnung Näherungsweise lassen sich die Härtewerte in Zugfestigkeiten umrechnen. Als Anhaltswerte dienen folgende Formeln: R m 3.21 HV R m 3.38 HB 8

9 2 Wahr oder Falsch? a) Wird ein metallisches Werkstück bei tiefen Temperaturen eingesetzt, so wird die Verfestigungswirkung durch Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge kompensiert. b) Die zeitliche Veränderung der Kriechkurve entspricht der Kriechrate und ist konstant, also stationär. c) Die Arrheniusfunktion beschreibt die Temperaturabhängigkeit der stationären Kriechrate. Je höher die Temperatur, desto höher ist die Kriechrate. d) Die Spannungsrelaxation bezeichnet einen Vorgang, bei dem elastische Dehnung in Kriechdehnung umgewandelt wird. e) Ein hochwarmfestes Material ist auf gute Standzeiten im Kriechversuch optimiert. f) Liegen langsame Abkühlgeschwindigkeiten vor, sodass zeitabhängige Effekte ausgenutzt werden können, wir von Glühen gesprochen. g) Um eine bessere Zerspanbarkeit zu erreichen, muss während des Glühvorgangs eine Gefügeumwandlung stattgefunden haben. h) Um Martensit zu bilden, muss schnell auf eine tiefe Temperatur abgekühlt werden. i) Vergüten ist eine Kombination aus Härten und Anlassen, um ein Optimum aus Härte und Zähigkeit zu erreichen. 9

10 3 Aufgaben für die Übungstunde 3.1 Isothermes ZTU Diagramm Bainit zeichnet sich durch eine günstige Kombination von Härte, Festigkeit und Zähigkeit aus. Um dieses Gefüge zu erzeugen, ist für einen eutektoiden Stahl folgender Prozess vorgeschlagen: Austenitisieren bei 750 C, Abschrecken auf 250 C und Halten dieser Temperatur über 15 min, danach Abkühlen auf Raumtemperatur. Siehe Abb a) Liegt nach diesem Ablauf ein Gefüge mit 100 % Bainit vor? Erklären Sie. b) Falls nicht, was ist zu ändern? Abbildung 3.1: Isothermes ZTU Diagramm 3.2 Kontinuierliches ZTU Diagramm a) Vervollständigen Sie das Diagramm in Abb. 3.2a durch die folgenden Angaben: M S B S P S F P B M A A C1 A C3 10

11 b) Bestimmen Sie die t 8 Zeit zur Erzielung eines Mehrphasengefüges aus Ferrit, Perlit und 5 Bainit und geben Sie die korrelierende Härte HV an. c) Die Abkühlung eines Werkstückes aus C35 erfolgt so, dass die Temperatur aussen innerhalb von 1 s unterhalb MS sinkt und in der Werkstückmitte nur noch Ferrit und Perlit entstehen. Zeichnen Sie den Härteverlauf über der Materialtiefe in Abb. 3.2b ein. d) Welchen anderen Werkstoff würden Sie wählen, um bei gleicher Abkühlung eine gleichmässige, hohe Härte zu erreichen, und warum? HV r a r (a) Kontinuierliches ZTU Diagramm Abbildung 3.2 (b) Härteverlauf im Material 3.3 Teilchenhärtung Gegeben ist ein Ausschnitt aus dem Phasendiagramm des Zweistoffsystems A-B, das für Ausscheidungshärtung geeignet ist. (Abb. 3.3a) a) Erklären Sie den Wirkmechanismus der Teilchenhärtung. b) Beschreiben Sie den Härtungsprozess der Teilchenhärtung. Welcher Vorgang ist zu vermeiden? 11

12 c) Welche der Legierungen 1,2,3,4 eignen sich für die Teilchenhärtung? Warum bzw. warum nicht? d) Erklären Sie in Abb. 3.3b die Verläufe der Kurven C und A während der Auslagerungszeit. (a) Zweistoffsystem A-B Abbildung 3.3 (b) Verlauf der Streckgrenze über die Auslagerungszeit 3.4 Härteprüfung a) Die Härte soll nach Brinell mit einer Prüfkugel D = 5 mm und einer Einwirkdauer von 10 s bestimmt werden. Geben Sie die Brinellhärte für einen gemessenen Abdruckdurchmesser d = 2.06 mm an. (Belastungsgrad B=30) b) Bestimmen Sie Einwirkdauer, Prüfkraft und ungefähre Zugfestigkeit aus der folgenden Härteangabe: 210HV50/20. c) Welches Härteprüfverfahren schlagen Sie für eine randschichtgehärtete Führungsschiene vor? Begründen Sie Ihre Wahl. d) Ist es zweckmässig, wenn einsatzgehärtete Zahnräder nach dem Brinellverfahren geprüft werden? (Begründen Sie.) 12

13 4 Hausaufgaben 4.1 Isothermes ZTU Diagramm Gegeben ist das isotherme Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild eines Stahles. a) Erklären Sie die Bedeutung der Linien und Felder. b) Zeichnen Sie in Abb. 4.1 einen Temperaturverlauf ein, bei dem etwa 50% Bainit und der Rest Martensit entsteht c) Wie gross ist der Kohlenstoffgehalt des Stahles und woran ist das erkennbar? d) Was passiert, wenn der Werkstoff nie unter 200 C abgekühlt wird? e) Was passiert, wenn er nach der Abkühlung auf 200 C erwärmt wird? Abbildung 4.1: Isothermes ZTU Diagramm 13

14 4.2 Kontinuierliches ZTU Diagramm a) Konstruieren Sie in Abb. 4.2 auf Basis der folgenden Angaben ein kontinuierliches ZTU- Diagramm für A C1 = 727 C A C3 = 810 C T A = 900 C M A : t < 10 s : 350 C; t = 500 s : 300 C Ferrit-Startlinie: Beginn bei 80 s und 550 C Perlit Startlinie: Beginn bei 300 s und 560 C Perlit Endlinie: Beginn bei 800 s und 540 C Bainit Startlinie: Beginn bei 10 s und 350 C Bainit-Ende: bei 500 s und 300 C bis 800 s und 540 C sowie bei 20 s und 475 C b) Wie gross ist die Härte HV10 für die Probe gemäss untenstehenden Abkühlkurven, welche bei Raumtemperatur zu 100% aus Martensit und Restaustenit besteht? c) Wie gross ist t 8 5 für die Probe gemäss untenstehenden Abkühlkurven, welche bei Raumtemperatur nur aus Ferrit und Bainit besteht? Abbildung 4.2: Kontinuierliches ZTU Diagramm 14

15 4.3 Teilchenhärtung a) Erläutern Sie den in Abb. 4.3 abgebildeten Streckgrenzenverlauf bei Teilchenhärtung. b) Wie lauten die Zeitgesetze? c) Ordnen Sie die Begriffe "grobe/feine Gleitverteilungßu. σ s A B C d) Erläutern Sie, warum grobe Gleitverteilung schädlich ist. 4.4 Harte Oberfläche, weicher Kern f(t) Abbildung 4.3: Streckgrenzenverlauf a) Warum macht es Sinn, Bauteilen eine harte Oberfläche zu geben? b) Wie soll das Innere eines Bauteiles im Allgemeinen beschaffen sein? c) Beschreiben Sie die Verfahren, mit welchen man bei Stählen eine harte Oberfläche erzeugen kann. 15