Eisenwerkstoffe Stabiles und metastabiles Fe-C-Diagramm Stähle Einteilung - Anwendung - Wärmebehandlung Gußeisen Einteilung - Anwendung - Wärmebehandlung Randschichtbehandlungen Thermisch - Chemisch - Mechanisch 120
Krz α-fe Kfz γ-fe Krz δ-fe Eisen Ordnungszahl 26 T[ C] Raumgitter (RT) kubisch-raumzentriert Dichte 7,9 g/cm³ (bei RT) 1536 Schmelzpunkt 1536 ºC Siedepunkt 2750 ºC (bei 1,013 bar) Spezifische Schmelzwärme 276 kj/kg (bei 1,013 bar) Spezifische Wärmekapazität 450 J/kg*k (bei RT) Wärmeleitfähigkeit 74,5 W/m*K (bei RT) 1392 Wärmeausdehnungskoeffizient 13 10-6 K -1 (bei RT) 10-16 10-6 K -1 (Cr-Stähle) 26 2; 3 Symbol Fe 55,847 Fe-Gitterplatz Möglicher Zwischengitterplatz für Kohlenstoff Hauptfundorte: USA, UdSSR, Schweden Eisen besitzt eine graumetallische Farbe 1kg reines Eisen (99,5%) kostet ~ 2 1kg Chrom-Nickel-Stahl kostet ~ 4 1kg warmgewalzter Stahl kostet ~ 1 121 911 Reines Eisen kommt selten zur Anwendung. Meist Eisen- Kohlenstoff Legierungen: Stahl oder Gusseisen
Weltweit größten Stahlhersteller 1 kg 1 122
Preisentwicklung 123
Rohstahlproduktion weltweit Im Jahr 2012 erreichte die Weltrohstahlproduktion mit 1548 Mio. t einen neuen Höchststand. Verantwortlich dafür war wiederum vor allem China, das 46 % der Welt produziert. In Asien, Nordamerika, im Nahen Osten und im übrigen Europa gab es Zuwachsraten gegenüber dem Vorjahr. In den übrigen Regionen der Welt wurde weniger Stahl als im Jahr 2011 geschmolzen. In der EU-27 wurden 10,9 % der Weltrohstahlproduktion erzeugt. Japan, USA, Indien und Russland folgen auf den Rängen. 124
Entwicklung der Rohstahlerzeugung Deutschland importierte im Jahr 2012 37,5 Mio. t Stahlprodukte und exportiert 39,3 Mio. t ( ca. 1,5 Mrd. Überschuss). Zum Vergleich: Kfz und Kfz-Teile (Jahr 2004): Überschuss ~ 75 Mrd. 125
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm metastabiles System Fe-Fe 3 C Stabiles System Fe-C 0,02% C-Löslichkeit im Ferrit bei 723 C < 0,001% C-Löslichkeit im Ferrit bei RT 126
Das Eisen - Kohlenstoff Reineisen Diagramm: 20 μm 127
Untereutektoider Stahl Das Eisen - Kohlenstoff Diagramm: (ferritisch - perlitisch) 20 μm 128
Das Eutektoider Eisen - Kohlenstoff Stahl (perlitisch) Diagramm: 20 μm 129
Übereutektoider Stahl Das Eisen - Kohlenstoff Diagramm: (Perlit + Korngrenzenzemetit) 50 μm 130
Das Eisen - Kohlenstoff Diagramm: Grauguss mit lamellaren Graphit 100 μm 131
Das Eisen - Kohlenstoff Diagramm: Ledeburiteutektikum 100 μm 132
Einteilung der Eisenwerkstoffe Eisenwerkstoff: Eisengehalt am höchsten Stahl: c C < 2 Masse% (schmiedbar) Gusseisen: 2%< c C < 4,3% (für techn. Gusseisen, nicht schmiedbar) Unlegierter Stahl Si < 0.5 %, Mn < 0.8 %, Al und Ti < 0.1 % und Cu < 0.25 %. Niedriglegierter Stahl: Gesamtlegierungsgehalt < 5 %. Hochlegierter Stahl: Gesamtlegierungsgehalt > 5 %. Edelstahl (legiert oder unlegiert): Begrenzter Gehalt an nichtmetallischen Einschlüssen und unerwünschten Begleitelementen, z.b. P und S < 0.035 %. 133
Gefügebestandteile des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms 134
Ausschnitte aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Vorgänge beim Abkühlen Beispiel: Fe mit 0,6% C (untereutektoider Stahl) Temperaturintervall 1: Li (ca. 1490 C): Ausscheidung von γ-mk aus der Schmelze C-Gehalt erstarrter γ-mk ändert sich von Pkt. 1 Pkt. 2. So (ca. 1410 C): Die Erstarrung ist beendet. Temperaturintervall 2: Im Einphasenfeld der γ-mk ändert sich deren Konzentration nicht. Temperaturintervall 3: Pkt. 3 (ca. 760 C): Unterschreitung der Löslichkeitsgrenze GS. Aus den kfz γ-mk scheiden sich an den KG krz α-mk mit der Zusammensetzung von Pkt. 4 aus. Der C- Gehalt der restlichen γ-mk steigt bei weiterer Abkühlung bis auf 0,8 % (Pkt. S: 723 C). Bei Pkt. 5 besteht die Legierung aus: m m 0,8 0,6 100% 0,8 0,02 25,6% Ferrit ( saum) m m 100% 25,6% 74,4% Austenit Pkt 6: Der restliche γ-mk zerfällt unterhalb von 723 C in Perlit. 135
Ausschnitte aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: Vorgänge beim Abkühlen Beispiel: Fe mit 3% C (weißes Gusseisen, metastabiles System) Temperaturintervall 1: Li (ca. 1300 C): Ausscheidung von γ-mk aus der Schmelze. C-Gehalt erster erstarrter γ-mk bei Pkt. 2. Zusammensetzung weiterer ausgeschiedener γ-mk ändert sich entlang So. Die Restschmelze reichert sich dabei an C an. Bei Pkt. 3 besteht die Legierung aus 58% Austenit mit 2,06% C und 42% Restschmelze mit 4,3% C. Temperaturintervall 2: In Pkt. 4 zerfällt die Restschmelze an Punkt C (Eutektikum) eutektisch zu Ledeburit: S C γ 2,06%C + Fe 3 C. Während weiterer Abkühlung scheidet sich sowohl aus den primären γ-mk als auch aus dem Austenit des Ledeburits entlang der Linie A Ccm Sekundärzementit aus (häufig als Schalenzementit, bei beschleunigter Abkühlung auch nadelförmig in den primären γ-mk ). Temperaturintervall 3: In Pkt. 5 erfolgt eutektoidischer Zerfall der γ-mk zu Perlit. Bei RT besteht das Gefüge aus Perlit (= Ferrit + Zementit (Fe3C)) und Ledeburit (=Perlit + Zementit) 136
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl Austenitbildner (eingeengtes α-gebiet) Merke: Ni, C, Co, Mn, N Ferritbildner (eingeengtes γ-gebiet, γ-einschnürer) Merke: Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W 137
Härte Festigkeit Legierungselement Streckgrenze Dehnung Einschnürung Kerbschlagzähigkeit Elastizität Warmfestigkeit Abkühlgeschwindigkeit Karbidbildung Verschleißfestigkeit Schmiedbarkeit Zerspanbarkeit Verzunderung Nitrierbarkeit Rostbeständigkeit Hysteresis Permeabilität Koerzitivkraft Remanenz el. Leistungsverlust Übersicht: Einfluß der Legierungselemente auf die Eigenschaften des Stahls Mechanische Eigenschaften Magnet.Eigensch. Si In perlit. Mn Stählen In austenit. Mn Stählen Cr In perlit. Ni Stählen In austenit. Ni Stählen Al W V Co Mo Cu S P Erhöhung Erniedrigung ~ gleichbleibend - nicht charakteristisch oder unbekannt Mehrere Pfeile = verstärkte Wirkung 138
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl (alphabetisch) Al As B Oxid- und Nitridbildner Einsatz als wichtigstes Desoxidationsmittel, Denitrierungsmittel, wirkt Alterung entgegen, in Nitrierstählen (Bildung von Nitriden hoher Härte), in geringen Mengen kornfeinend, wirkt stark -einschnürend (ferritbildend), erhöht Zunderbeständigkeit in ferritischen hitzebeständigen Stählen, durch Alitieren (Einbringen von Al in Oberfläche) läßt sich Zunderbeständigkeit von C-Stählen erhöhen, wegen Erhöhung der Koerzitivkraft in Fe-Al-Ni-Co-Dauermagneten Stahlschädling (starke Seigerungsneigung, erhöht Anlaßsprödigkeit, setzt Zähigkeit stark herab, beeintächtigt in hohem Maße die Schweißbarkeit) hoher Wirkungsquerschnitt für Neutronen-Absorption in Stählen für Regler und Abschirmungen von AKWs, erhöht über Mischkristallhärtung Streckgrenze und (Warm-) Festigkeit von austenitischen Cr-Ni- Stählen, setzt Korrosionsbeständigkeit herab, verbessert Durchhärtung in Baustählen und führt damit zu höherer Kernfestigkeit, beeinträchtigt Schweißbarkeit Be Ni-Be-Legierungen sind hart und korrosionsbeständig Verwendung in chirurg. Instrumenten, starker γ- Einschnürer, mit Be Ausscheidungshärtung möglich, wobei Zähigkeit, wirkt stark desoxidierend, hohe Affinität zu S, toxisch C wichtigstes und einflußreichstes Legierungselement im Stahl, gelangt wie Si, Mn, P, S bei der Herstellung in den Stahl und muß anschließend weitgehend wieder entfernt werden. Mit zunehmendem C-Gehalt steigen Festigkeit und Härtbarkeit des Stahls an, während Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und spanabhebende Bearbeitkeit abnehmen. Der Korrosionswiderstand gegen Wasser, Säuren und heißen Gasen wird durch C praktisch nicht beeinflußt. C ist γ-erweiterer. 139
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl Co Cr Cu H hemmt Kornwachstum bei hohen T, verbessert stark Anlaßbeständigkeit und Warmfestigkeit, in Schnell- und Warmarbeitsstählen sowie in warm- und hochwarmfesten Stählen, begünstigt Graphitbildung, erhöht Remanenz, Koerzitivkraft und Wärmeleitfähigkeit Dauermagnete, bildet unter Neutronenbestrahlung das stark radioaktive Co 60 in Stählen für Atomreaktoren unerwünscht. macht Stahl öl- bzw. lufthärtbar, durch Herabsetzen von v krit. für die Martensitbildung erhöht es die Härtbarkeit und damit die Vergütbarkeit in Vergütungsstählen, verringert Kerbschlagzähigkeit, setzt Dehnung wenig herab, Schweißbarkeit nimmt bei reinen Cr-Stählen mit zunehmendem Cr-Gehalt ab, Zugfestigkeit steigt um 80-100 N/mm² je % Cr. Cr ist Karbidbildner, Karbide steigern Schnitthaltigkeit und Verschleißfestigkeit in Arbeitsstählen. Cr begünstigt Warmfestigkeit ( warm- und hochwarmfeste Stähle) und Druckwasserstoffbeständigkeit. Steigender Cr- Gehalt begünstigt Zunderbeständigkeit ( zunderfeste Stähle), ab 13 % Cr gelten Stähle als dauerhaft korrosionsbeständig. Cr schnürt den γ-bereich ein (γ-loop in Fe-Cr, damit ferriterweiternd), stabilisiert jedoch den Austenit in Cr-Mn- und Cr-Ni- Stählen, verringert Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, senkt Wärmeausdehnung Legierungen für Glaseinschmelzungen. selten als Legierungselement, da Anreicherung unter Zunderschicht und Eindringen über Korngrenzen, verursacht Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen: i.d.r. Stahlschädling, erhöht witterungsbeständigkeit un- und niedriglegierter Stähle, in säurefesten hochlegierten Stählen bewirkt ein Cu-Gehalt von > 1% verbesserte Beständigkeit gegen Schwefelsäure und Salzsäure, in GE ca. 0,5 % Cu: verschiebt Perlitnasen zu (Kurbelwellen). Stahlschädling, Versprödung ohne Festigkeitssteigerung, Flockenbildung, beim Beizen entstehender atomarer Wasserstoff dringt unter Blasenbildung in den Stahl ein. Feuchter Wasserstoff entkohlt bei höheren Temperaturen. Mg begünstigt in Gußeisen die kugelige Graphitausbildung 140
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl Mn Mo N desoxidiert. Bindet Schwefel als MnS, verringert dadurch den ungünstigen Einfluß des Eisen-Sulfides besonders wichtig in Automatenstählen, verringert Rotbruchgefahr. Mn senkt v krit und erhöht damit die Härtbarkeit, EHT wird stark erhöht, Rm und Rp werden erhöht, Mn wirkt sich günstig auf Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit aus. Mn>4% führt auch bei langsamer Abkühlung zu sprödem martensit. Gefüge Mn>12%, bei gleichzeitig hohem C-Gehalt austenitisch (Mn erweitert γ -Bereich erheblich) bei schlagender Beanspruchung Kaltverfestigung an Oberfläche bei zähem Kern Mn-Hartstähle (Gefängnisgitter, Schauvorlesung) Mn > 18% auch nach starker Verformung nicht magnetisierbar, Sonderstähle für Tieftemperatur-Beanspruchung Durch Mn erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient, während Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sinken. meist zusammen mit anderen Elementen legiert, durch Absenken von v krit verbesserte Härtbarkeit, verringert Anlaßsprödigkeit (z.b. in Cr-Ni- und Mn- Stählen), fördert Feinkornbildung, wirkt sich günstig auf die Schweißbarkeit aus. Erhöhung von Rp und Rm, bei hohem Mo-Gehalt erschwerte Schmiedbarkeit, starker Karbidbildner, Schneideigenschaften bei Schnellarbeitsstählen deutlich verbessert, erhöht Korrosionsbeständigkeit in hochleg. Cr- und Cr-Ni- Stählen, hohe Mo-Gehalte senken Lochfraßanfälligkeit, starke Einengung des γ -Bereichs, Erhöhung der Warmfestigkeit Warmarbeitsstähle, verringert Zunderbeständigkeit, bildet festhaftenden Zunder (Werkstofftrennung bei Warmwalzen) Stahlschädling: Verminderung der Zähigkeit durch Ausscheidungsvorgänge, Alterungsempfindlichkeit, Blausprödigkeit (300-350 C), Auslösung interkristalliner Spannungsrißkorrosion in un- und niedriglegierten Stählen. Legierungselement: Erweitert γ-gebiet (stabilisiert Austenit), erhöht in austenitischen Stählen Rp und Rm, verbessert mechanische Eigenschaften in der Wärme; durch Nitridbildung läßt sich beim Nitrieren hohe Oberflächenhärte erzeugen 141
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl Nb,Ta fast immer zusammen, da schwer zu trennen, sehr starke Karbidbildner, Verwendung als Stabilisatoren in chemisch beständigen Stählen, kornfeinend, Ferritbildner (verringern γ-bereich). Nb: Erhöhung von Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit in hochwarmfesten austenitischen Kesselblechen. Ta: Hoher Absorptionsquerschnitt für Neutronen für AKW-Stähle nur Ta-armes Nb. Ni O bei Baustählen Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit, auch bei tiefen Temperaturen zur Erhöhung der Zähigkeit in Einsatz-, Vergütungs-, und kaltzähen Stählen. Ni senkt Umwandlungspunkte A1-A4, erweitert stark das γ- Gebiet, bei c Ni >7% auch unterhalb RT austenitisch. Einige % Ni führt zu nur korrosionsträgen Stähle, in austenititischen CrNi-Stählen Erhöhung der chemischen Beständigkeit gegen reduzierende Chemikalien (keine additive Wirkung mit Cr, Korrosionsbeständigkeit durch Cr!). Austenitische Stähle: Bei T > 600 C erhöhte Warmfestigkeit (Rekristallisationstemperatur hoch), unmagnetisch (einfaches Unterscheidungskriterium), verminderte elektrischeund Wärmeleitfähigkeit. Hohe Ni-Gehalte: Stähle mit speziellen physikalischen Eigenschaften: geringe Temperaturausdehnung (auch negativ möglich) Invar Legierungen (FeNi36). Stahlschädling, mechan. Eigenschaften, insbes. Kerbschlagzähigkeit, werden verringert, Neigung zu Alterungssprödigkeit, Rotbruch, Holzfaserbruch und Schieferbruch werden verstärkt. P meist Stahlschädling, da Primärseigerung bei Erstarrung und Sekundärseigerung durch starke Abschnürung des γ- Gebietes, da geringe Diffusionsgeschw. In α- und γ-fe sind Seigerungen schwer zu beheben Begrenzung des P- Gehalts in Stählen meist auf 0,03-0,05 %, P erhöht schon in geringen Mengen die Neigung zur Anlassversprödung sowie die Empfindlichkeit gegen schlagartige Beanspruchung (Sprödbruchneigung). In niedrig leg. Baustählen mit C 0,1 % erhöht P die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse (unterstützt von Cu), in austenitischen CrNi-Stählen sind durch Zugabe geringer Mengen P Streckgrenzenerhöhung und Ausscheidungseffekte möglich. 142
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl Pb S Sb Se bewirkt durch feine suspensionsartige Verteilung in Gehalten von 0,2-0,5 % kurzbrüchigen Span und saubere Schnittflächen, bessere Bearbeitungseigenschaften in Automatenstählen, die mechanischen Eigenschaften der Stähle werden durch die angegebenen Pb-Gehalte praktisch nicht beeinflusst. bewirkt stärkste Seigerungen, bildet niedrigschmelzende Eutektika (Fe-FeS) auf KG, welche die Körner netzartig umschließen, Aufbruch von KG bei Warmverformung (verstärkt durch O 2 ), Rotbruch und Heißbruchgefahr, verstärkt Schweißrißanfälligkeit, Abhilfe: Abbinden als MnS (punktförmig verteilt, gut verformbar, höhere Schmelztemperatur). Als Legierungselement in Automatenstählen mit bis zu 0,4% zur Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften zugegeben (Schmierwirkung auf Werkzeugschneide vermindert Reibung, erhöht Standzeit, kurzer Span). Stahlschädling, verringert Zähigkeitseigenschaften, schnürt γ-gebiet ab. Als Legierungselement in Automatenstählen bis zu 0,4 % zur Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften zugegeben (Schmierwirkung auf Werkzeugschneide vermindert Reibung, erhöht Standzeit, kurzer Span) Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften wie S in Automatenstählen, bei korrosionsfesten Stählen Verminderung der Beständigkeit gegen S Si wie Mn in jedem Stahl enthalten (Erze, Ofenauskleidung), wirkt desoxidierend, begünstigt Graphitausscheidung ( in GE), engt γ-bereich stark ein, erhöht Festigkeit und Verschleißfestigkeit ( in SiMn-Vergütungsstählen), starke Erhöhung der Elastizitätsgrenze in Federstählen, erhöht Zunderbeständigkeit in hitzebeständigen Stählen, Legierungsgehalt an Si begrenzt, da Beeinträchtigung von Warm- und Kaltverformbarkeit. Si > 0,4 %: Siliziumstähle, bei 12 % Si Säurebeständigkeit (selten, da nur als harter, spröder Stahlguß herstellbar), Si bewirkt Herabsetzung von elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, Koerzitivkraft und el. Leistungsverlusten in Elektroblechen. 143
Wirkungsweise der Legierungselemente im Stahl Sn Ti V W Zr Stahlschädling, reichert sich ähnlich wie Cu unter Zunderschicht an, dringt in KG ein und führt zu Rissen und Lotbrüchigkeit. Sn neigt zu starken Seigerungen, schnürt das γ-gebiet ab. große Affinität zu O, N, S, C, wirkt stark desoxidierend, denitrierend, schwefelbindend, Karbidbildner in korrosionsbeständigen Stählen zur Stabilisierung, wirkt kornfeinend (TiB ebenso wie HfC), schnürt γ-gebiet stark ein, steigert Zeitstandfestigkeit durch Bildung von Sondernitriden, neigt zu Seigerung und Zeilenbildung. Führt in hohen Gehalten zu Ausscheidungsvorgängen, erhöht Koerzitivkraft in Dauermagneten. starker Karbidbildner (sehr harte Karbide), Erhöhung von Verschleißwiderstand, Schneidhaltigkeit und Warmfestigkeit verbessert Anlaßbeständigkeit, vermindert Überhitzungsempfindlichkeit in Schnellarbeits-, Warmarbeits- und warmfesten Stählen; wirkt kornfeinend, hemmt Lufthärtung begünstigt Schweißbarkeit von Vergütungsstählen; erhöht Beständigkeit gegen Druckwasserstiff, engt γ-gebiet ein, verschiebt Curie-Punkt zu höheren Temperaturen. starker Karbidbildner (sehr harte Karbide), verbessert Zähigkeit, behindert Kornwachstum, erhöht Warmfestigkeit und Anlaßbeständigkeit sowie Verschleißbeständigkeit bei erhöhter Temperatur (Rotglut), erhöht Schneidfähigkeit in Schnellarbeits-,Warmarbeits- und warmfesten Stählen und zur Erzielung höchster Härte; engt γ-gebiet ein, Steigerung der Koerzitivkraft in Dauermagneten, beeinträchtigt Zunderbeständigkeit, hohes spezifisches Gewicht. Karbidbildner, zur Desoxidation, Denitrierung, Entschwefelung, hinterläßt wenig Desoxidationsprodukte, übt günstigen Einfluß auf Sulfidbildung aus, vermindert Rotbruchgefahr in völlig beruhigten Automatenstählen, erhöht Lebensdauer von Heizleiterwerkstoffen, bewirkt Einengung des γ-gebietes. 144
Merkregeln/Eselsbrücken: "Niccoman macht gamma an" (Ni, C, Co, Mn, N Austenitbildner) "Craltitasimovw" (Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W Ferritbildner) Bezeichnung niedriglegierte Stähle: "Mit 100 PS nach Canstatt" (Faktor 100 für C, N, P, S) "Alcumotativ" (Faktor 10 für Al, Cu, Mo, Ta, Ti, V) "Chrom connte man nicht sicher wahrnehmen" oder: "Man sieht nie 4 weiße Crocodile" (Faktor 4 für Cr, Co, Mn, Ni, Si, W) Beispiel: 17CrNi6-6 0,17% C + 1,5% Cr + 1,5% Ni Reihenfolge der Häufigkeit von Elementen in der Erdkruste: Osialfe nakampfmg 145
Änderung physikalischer Eigenschaften mit der Temperatur E-Modul [GPa] Dichte [g/cm 3 ] therm. Ausdehnungskoeff.[10-6 /K] Temperaturleitfähigkeit [mm 2 /s] 200 8,0 Dichte 20 6,0 180 7,8 E-Modul 19 5,5 160 7,6 therm. Ausdehnungskoeffizient 18 5,0 140 120 7,4 7,2 Temperaturleitfähigkeit 17 16 4,5 100 0 200 400 600 T [ C] 1000 für Reineisen Werte bei RT für verschiedene Stähle: 146
Atomvolumen Ω [10-30 m 3 ] E-Modul [GPa] Änderung von Werkstoffeigenschaften mit der Temperatur 12,8 12,4 12,0 1392 C γ 911 C 1536 C δ 220 200 180 160 Änderungen von RT auf 700 C bei dem Werkstoff 42 Cr Mo 4 (1.7225): Zugfestigkeit R m von 1600 auf 800 MPa Streckgrenze R p0,2 von 1470 auf 700 MPa Bruchdehnung A von 8 auf 13% 11,6 140 120 11,2-200 200 600 1000 1400 Temperatur [ C] 147 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperatur [ C]
Tendenzen und Arten der Karbidbildung T m HfC = 3890 C 148
Karbidstrukturen M 6 C M 23 C 6 149
Vorgänge bei beschleunigter Temperaturführung: 150
Einfluß einer beschleunigter Abkühlung Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist ein Gleichgewichtsdiagramm. Die Bildung der Gefügebestandteile laut Phasendiagramm erfordert ausreichend lange Zeiten für Diffusionsvorgänge. Es gilt daher streng genommen nur für unendlich lange Abkühlzeiten. Mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit werden Diffusionsvorgänge erschwert. Umwandlungen laufen bei niedrigeren Temperaturen ab und es entstehen andere Gefüge als im Phasendiagramm dargestellt. 151
Gefügebestandteile von Eisen-Kohlenstoff- Legierungen nach beschleunigter Abkühlung Perlitstufe Perlit (180 HV) Sorbit (250HV) Troostit (400 HV) Bainit obere Zwischenstufe 50 µm Martensit Nadeliger Martensit Troostitrosetten (dunkel), Martensit (hell) untere Zwischenstufe 152 Massiver Martensit
Mechanismen der Umwandlung Diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse: Perlitstufe: Perlit γ Diffusionsweg C x D t Abstand der Fe 3 C-Lamellen verringert sich mit steigender Abkühlgeschwindigkeit bis bei extrem verringerten Diffusionswegen sehr feine globulitische Fe 3 C- Ausscheidungen entstehen. Sorbit Troostit Zwischenstufe: (Bainit) obere Zwischenstufe (nadelig) untere Zwischenstufe (globulitisch) d(fe 3 C) : d(α-fe) = 1 : 7 Fe 3 C (wenige nm bis 100 nm) 153 untere Zwischenstufe an 55Cr3 sehr feine Karbidausscheidungen
Umwandlung in der Martensitstufe Hohe Abschreckgeschwindigkeit diffusionsloser Umklappvorgang (Schiebungsumwandlung) Austenitgitter Tetragonal verzerrtes Gitter hoher Spannungszustand Glashärte Anlassen Martensitgitter o Fe C Lattenmartensit Niedrig leg. Stahl C=0,17%; 1200 C/H 2 O Plattenmartensit mit RA überkohlter Rand eines Einsatzstahls1100 C/H 2 O ε-martensit Entkohlter Rand eines X120Mn12 154
Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die Martensitbildung (Härten von Stahl) M s und M f -Temperatur Abkühlgeschw. Restaustenitgehalt 155
Vorgänge bei beschleunigter Temperaturführung: Rasche Erwärmung Zeit- Temperatur- Austenitisierungs- Diagramme EKS Rasche Abkühlung Zeit- Temperatur- Umwandlungs- Diagramme ZTA ZTU 156
Zeit Die 3. Dimension Thermodynamik vs. Kinetik Entstehung von ZTU-Diagrammen Δt ~ v -1 157
ZTU-Diagramme ZTU-Schaubild eines untereutektoiden Stahls mit 0,45% C Isotherm Kontinuierlich 158
Gefügebestandteile nach unterschiedlicher Abkühlung anhand des ZTU-Diagramms Kontinuierliches ZTU für einen Stahl mit 0,45 %C 60% Ferrit (weiß), 40%Perlit 159 Abkühlverlauf 1 (z.b. Luftabkühlung) Abkühlverlauf 2 (z.b.ölabkühlung) Abkühlverlauf 3 (z.b. Wasserabkühlung) 3%Ferrit, 70%Perlit, 17%Zwischenstufe 98% Martensit mit 2% Zwischenstufengefüge
Einfluß der Legierungselemente auf das Umwandlungsverhalten dargestellt an isothermen ZTU-Diagrammen a) unlegierter Stahl b) niedrig legierter Stahl meist großer Existenzbereich des Zwischenstufengefüges c) hoch legierter Stahl (Trennung der Perlitstufe von der Zwischenstufe durch Karbidbildner (Cr, Mo, V, W)) 160
Umwandlungen in der Perlit- und Zwischenstufe 1: Perlitisieren Ziel: gut zerspanbares perlitisches Gefüge, zäh 2: Patentieren Ziel: feinstreifiges sorbitisch-troostitisches Gefüge mit sehr guter Kaltverformbarkeit für die Herstellung von Drähten (Rm bis 3000 MPa). Die unterschiedlichen Abkühlbedingungen zwischen Rand und Kern werden durch die Seigerung der Legierungselemente über den Querschnitt kompensiert. 3. Zwischenstufenvergüten Ziel: Zwischenstufengefüge mit herausragenden mechanischen Eigenschaften; Abbau der Spannungen im gut verformbaren Austenit, daher besonders für rißempfindliche Stähle geeignet, geringer Verzug, keine Anlaßversprödung 161
Härten von Stahl Härtetemperaturen in Abhängigkeit vom C-Gehalt 162
Härtbarkeit = Aufhärtbarkeit + Einhärtbarkeit Maximal erreichbare Härte, im wesentlichen Abhängig vom C-Gehalt Maximale Einhärtetiefe (EHT), im wesentlichen abhängig von Legierungselementen 1200 HV 800 250 163
Prüfung der Härtbarkeit: Jominy- Versuch (DIN 50 191) Typischer Verlauf von Stirnabschreck- Härtekurven Jominy-Versuchsaufbau 164
Wasser-, Öl-, und Lufthärter Abkühlverläufe für unterschiedlich legierte Stähle mit gleichem C-Gehalt (Rand und Kern), 100 mm Durchmesser Wasserhärter Ölhärter Lufthärter 165
Härten, Anlassen, Vergüten Mehr dazu (Härteverzug, Anlassstufen, Gefügeveränderungen beim Vergüten) in den Vorlesungen: Metalle II Bei Wahl des Vertiefungsfachs Metalle: Dr. Dieter Müller, Renkel-MAN, 1 SWS Vorlesung, im SS: "Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe" 166
Nichtrostende Stähle 167
Masseverlust in g / cm² Entwicklungsgeschichte nichtrostender Stähle 1912: Entdeckung V2A=Versuchsschmelze 2 Austenit, X12CrNi18-8 neu: Werkstoffnr. 1.4301 X5CrNi18-10 andere Handelsnamen Nirosta (Krupp), Cromargan (WMF), stainless steel (nicht zu verwechseln mit Edelstahl mit besonderer Reinheit). 0,10 Stahl mit mehr als 12 % Chrom bildet eine 0,08 fest haftende Deckschicht, die Passivschicht. 0,06 0,04 Entwicklung weiterer Legierungssysteme mit anderen Elementen Ni, Mo, Cu, Si, Mn, N, Ti, Nb u.a.. 0,02 0,00 0 2 1992 4 6 8 10 12 14 16 Optimierung der Eigenschaften und der Herstellungsverfahren. Heute: Eine Fülle nichtrostender Stähle und maßgeschneiderte Problemlösungen. 18 168
Einteilung nichtrostender Stähle 1.4301 1.4016 X5CrNi18-10 X6Cr17 austenitisch ferritisch 1.4313 X3CrNiMo13-4 1.4462 X2CrNiMoN22-5-3 martensitisch ferritisch-austenitisch 169
Nickelgehalt [wt.%] Gefügeschaubild nach Strauss und Maurer für Chrom-Nickel-Stähle mit etwa 0,2 % Kohlenstoff 28 24 20 16 12 8 Austenit X5CrNi 18-10 (V2A: X12CrNi 18-8) Austenit - Ferrit 4 Ferrit - Perlit Martensit - Ferrit 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 Chromgehalt [wt.%] 170
Nickel-Äquivalent: %Ni + 0,5 %Mn + 30 (%C + %N) Schaeffler-Diagramm 30 24 18 12 6 0 Austenit + Martensit Martensit Ferrit + Martensit Austenit X5CrNi 18-10 V2A Martensit + Ferrit A +M % Ferrit: 0 +F 171 Austenit + Ferrit 5 10 20 40 80 100 0 6 12 18 24 30 36 42 Chrom-Äquivalent: %Cr + 1,5 %Si + 0,5 %Nb + 2,0 %Ti + 1,4 %Mo
Korrosionsbeständigkeit Relation von Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit der verschiedenen Sorten Austenitische Stähle Superferritische Stähle Ferritischaustenitische Stähle Nickelmartensitische Stähle Martensitische Stähle Ferritische Stähle Festigkeit 172
Übersicht über nichtrostende ferritische Stähle Grundtyp 11-13 % Chrom 16-18 % Chrom 16-18 % Chrom +1 2,5 % Molybdän 28 % Chrom +4 % Molybdän + (Ni) (Superferrite) Typische Stähle nach Norm EN 10088; SEW 400 1.4003 1.4512 1.4016 1.4509 1.4520 1.4521 1.4113 1.4575 1.4592 Anwendung Anwendungsbereiche bzw. -komponenten Schienen- und Straßenfahrzeuge Maschinen- und Anlagenbau Agrartechnik Haushalt Abgasanlagen / Gasturbine Containerbau Wärmetauscher Automobilindustrie Handhabung hochkonzentrierter Schwefelsäure 173
Übersicht über nichtrostende austenitische Stähle Grundtyp Typische Stähle nach Norm EN 10088; SEW 400 Anwendung Anwendungsbereiche bzw. -komponenten 18 % Chrom 8-10 % Nickel 17 % Chrom 12-14 % Nickel 2 % Molybdän Sonderstähle: bis 25 % Chrom bis 20 % Nickel bis 7 % Molybdän bis 0,50 % Stickstoff (Kupfer) 1.4301 1.4306 1.4541 1.4401 1.4435 1.4571 1.4565 1.4562 1.4529 1.4563 Chemische Industrie Haushalt Nahrungsmittelindustrie Apparate- und Behälterbau Rohrleitungen Umwelttechnik Rauchgasentschwefelung Wasseraufbereitung Offshoretechnik Meerestechnik / Meerwasserentsalzung Bauwesen / Architektur Rohrleitungen Schmuck, Schwimmbadarmaturen 174
Übersicht über nichtrostende ferritisch-austenitische Stähle Grundtyp Typische Stähle nach Norm EN 10088; SEW 400 Anwendung Anwendungsbereiche bzw. -komponenten 23 % Chrom 4 % Nickel 22 % Chrom 5 % Nickel 3 % Molybdän Stickstoff 25 % Chrom 7 % Nickel 4 % Molybdän Stickstoff (Cu, W) 1.4362 1.4462 1.4501 1.4507 Chemische Industrie Onshore- / Offshoretechnik Chemikalientankerbau Meerestechnik / Meerwasserentsalzung Behälter Apparate Rohrleitungen 175
Übersicht über nichtrostende martensitische Stähle Grundtyp Kohlenstoff-martensitische Stähle bis 0,50 % Kohlenstoff 13 % Chrom bis 0,50 % Kohlenstoff 17 % Chrom 1 % Molybdän Nickelmartensitische Stähle 13 % Chrom 4 % Nickel 16 % Chrom 5 % Nickel + (Mo) Aushärtbare nickelmartensitische Stähle 13 % Chrom 4 % Nickel + Cu Typische Stähle nach Norm EN 10088; SEW 400 1.4006 1.4034 1.4122 1.4057 1.4313 1.4418 1.4542 176 Anwendung Anwendungsbereiche bzw. -komponenten Wellen, Spindeln Konstruktionsteile im Wasserkraftwerksbau Bremsscheiben Messerklingen Chirurgische Instrumente Pumpen, Verdichter Wasserturbinen Erdöltechnik Kältetechnik Schrauben Spindeln
Formeln zur Berechnung von Martensittemperaturen M d30 = [413-462%(C+N)-9,2(% Si)-8,1(% Mn)-13,7(% Cr)-9,5(% Ni)-18,5(% Mo)] C M d30 ist die Temperatur, bei der nach 30%iger Umformung 50% Martensit gebildet wird. M s = [1305-1665%(C+N)-28(%Si)-33(%Mn)-42(%Cr)-61(%Ni)] C Martensitpunktberechnung nach Hull und Eichelmann 177
Einfluss von Legierungszusätzen auf das Ausscheidungsverhalten korrosionsbeständiger Stähle Wärmezufuhr: Hoch Chrom -Phase (FeCr); ~ 30-35 % Cr tetragonal Hoch Molybdän -Phase (Fe 36 Cr 12 Mo 10 ); ~ 15-25 % Cr kubisch Lavesphase (Fe 2 Mo) bis zu 45 % Mo + Kohlenstoff Carbid (M 23 C 6 ); ~ 65 % Cr kubisch + Stickstoff Nitrid Cr 2 N; 90 % Cr hexagonal + Stickstoff z-phase; 25 % Cr + Niob tetragonal 178
Überblick über physikalische und mechanische Eigenschaften Stahlsorte Dichte E-Modul Wärmeausdehnungskoeffizient (20-200 C) Spezif. Wärme Elektr. Widerstand bei 20 C 0,2%- Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung (kg/dm 3 ) (N/mm 2) (10-6 xk -1 ) (Jxkg -1 xk -1 ) (mwxm) (N/mm 2) (N/mm 2) (%) Ferritisch 7,7 220.000 10,0 460 0,60 370 500 26 Duplex 7,8 200.000 13,0 500 0,80 620 840 30 Austenitisch 7,9 200.000 16,0 500 0,73 270 620 56 Ferrite: Verformungsverhalten grundsätzlich ähnlich zu Baustählen Durch fehlende Phasenumwandlung keine Härtbarkeit Einstellung der Festigkeit nur durch Kaltumformung möglich Bei stabilisierten Ferriten hohe Verformbarkeit Austenite: Niedrige Streckgrenze Starke Verfestigung Sehr hohe Duktilität (auch bei tiefen Temperaturen) Hohe Verformungsfähigkeit 179
Zugfestigkeit und Streckgrenze [N/mm²] Zugfestigkeit und Streckgrenze [N/mm²] Verfestigungsverhalten (schematisch) der nichtrostenden Stähle 1400 1200 Bruchdehnung [%] 70 1400 Bruchdehnung [%] 70 Zugfestigkeit 60 1200 60 1000 800 Streckgrenze 50 40 1000 800 Zugfestigkeit 50 40 600 30 600 Streckgrenze 30 400 20 400 Bruchdehnung 200 10 200 Bruchdehnung 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 Verformungsgrad [%] Verformungsgrad [%] Austenitische Stähle Ferritische Stähle 20 10 0 180
Kerbschlagarbeit [J] Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven verschiedener nichtrostender Stahltypen 150 Chrom-Nickel-Austenit Chrom-Nickel-Martensit 100 Chrom-Ferrit 50 0-300 -200-100 0 100 200 Prüftemperatur [ C] (DVM-Proben) 181
Einstufung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender ferritischer Stähle 182
Einstufung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender austenitischer Stähle (V2A) (V4A, X5CrNiMo 17-12-2) 183
Chrysler Building, New York 184
Plaza Tower Costa Mesa, Kalifornien (USA) Werkstoff: Edelstahl Rostfrei mit strukturgewalzter Oberfläche (Dessin Leinen) 185
Neuer Zollhof Hafen Düsseldorf Architekt: Frank Gehry, USA 186
Dubai Höchstes Gebäude der Welt (828 m) Einweihung 04.01.2010 "Geschmückt ist die Fassade des Wolkenkratzers mit Edelstahl, der in Deutschland hergestellt worden ist. Die ThyssenKrupp Nirosta in Krefeld fertigte das Material, das im Werk Dillenburg gewalzt wurde. Die deutsche Partnerfirma Strukturmetall (bei Heilbronn) bearbeitete den Werkstoff weiter und lieferte diesen nach Dubai - insgesamt rund 400 Tonnen. Dort wurden sie in Streifen geschnitten. Die am Ende 420 Millimeter breiten Bänder sind an den Stirnseiten der Etagen- Plattformen angebracht und umfassen die riesigen Glasfenster der Außenfront." ThysscenKrupp Stainless Steel AG 187
Einsatzgebiet martensitischer Chromstähle (NIROSTA 4021 = 1.4021 = X20Cr13 NIROSTA 4034 = 1.4034 = X46Cr13) 188
Einsatzgebiete austenitischer Cr-Ni-Mo-Stähle NIROSTA 4401 = X5CrNiMo17-12-2 NIROSTA 4571 = X6CrNiMoTi17-12-2 189
Einsatzgebiet höherlegierter Cr-Ni-Mo-Stähle NIROSTA 4439 = X2CrNiMoN17-13-5 NIROSTA 4539 = X1NiCrMoCu25-20-5 190
Hochtemperaturlegierungen Ni-, Cr-, Co- Basis oder intermetallische Verbindungen 191
Nickel Ordnungszahl 28 Raumgitter kubisch-flächenzentriert Dichte 8.9 g/cm³ (bei 20ºC) Schmelzpunkt 1455ºC Siedepunkt 2732ºC (bei 1,013 bar) Spezifische Schmelzwärme 301 kj/kg (bei 1,013 bar) Spezifische Wärmekapazität 0,45 J/(g K) (bei 20ºC) Wärmeleitfähigkeit 90 W/(m K) bei 25ºC) Hauptfundorte: Kanada, Russland, China, auch Neukaledonien, Philippinen, Amerika. Nickel lässt sich gut schweißen, löten und zerspannen Preis 13,66 /kg (12.12.12) /100 kg 192
Zustandsdiagramm Nickel-Chrom A ssessed N i-c r p h ase diagr am. krz kfz 193
Nickel-Chrom-Legierungen Wegen ihrer hohen Hitzebeständigkeit und ihres hohen spezifischen elektrischen Widerstandes werden die bis zu 32% Cr enthaltenden Legierungen für Widerstände, Heizleiter und Ofenbauteile eingesetzt. Die Widerstandslegierungen: NiCr 8020: ( 20ºC =1,0 10-6 W/m); 18-20% Cr, 76-80% Ni. Hochhitzebeständig, sehr warmfest. Elektroöfen und -geräte. Emailieröfen, Lötkolben. Atmosphäre muß schwefelfrei sein. NiCr 6015: ( 20ºC =1,11 10-6 W/m); 14-16% Cr, 58-62% Ni, Rest Fe. Hitzbeständig, warmfest, hoher spezifischer Widerstand. Elektrowärmegeräte, hochbelastbare Widerstände. NiCr 3020: 20-22% Cr, 29-31% Ni Rest Fe. Hitzbeständig, sehr warmfest unempfindlicher gegen schwefelhaltige u. aufkohlende Gase. Elektroofen bis 1150 C. Haushaltgeräte. NiCr 2520: 23-25% Cr, 18,5-19,5% Ni, Rest Fe. Hitzebeständig, warmfest. Für Härtöfen besonders geeignet. Temperaturgebiet 700-950 C. NiCr10 gegen Ni Thermoelement Typ K bis 1250 C) NiCr Heizelement 194
Nickelanteile in verschiedenen Legierungen Turbinenbau C Mn Cr Ni Fe Mo Co W Nb Ti Al X 10 CrNiNb 18 9 (W. Nr. 1.4550) max. 0,04 max. 2,0 17-19 9-11 Rest (~ 70) - - - > 8 x C - - Incoloy 800 (W. Nr. 1.4876) max. 0,03 max. 1,5 21 32 Rest (~ 45) - - - - 0,4 0,4 Hastelloy X (W. Nr. 2.4603) max.0,10 max 1,0 22 Rest (~ 48) 18 9 1,5 0,6 - - - NiCr Stähle Rm Rp0,2 20 C Rp0,2 300 C R m/1000h/750 C R m/1000h/900 C A 550 210 140 - - 40 570 400 300 - - 40 800 N/mm² 350 N/mm² 320 N/mm² 110 N/mm² 24 N/mm² 40% 195
Korrosionsfeste Nickel-Legierungen HASTELLOY alloy C-276 HASTELLOY alloy B-2 HASTELLOY alloy C-22 HASTELLOY alloy G-30 Nickel 200/201 MONEL alloy 400 MONEL alloy 405 MONEL alloy 500 INCONEL alloy 600 INCONEL alloy 625 Anwendungen: Chemie- und Ölindustrie Flüssiggasrohre Säuretanks Vakuumanwendungen Filtern für chloridhaltige Säuren Goldputzen Hochtemperatur Chemie (bis 550 C) Rohre für Atomkraftwerke HASTELLOY B-2 Chemiewerke HASTELLOY C-22 Gasrohre HASTELLOY C-22 Säurepumpe 196
Nickellegierung mit hohem Kobalt Anteil bis 850 C Waspaloy (2.4654) Ni 58% (bal.) Cr 20% Co 14% Mo 4% Ti 3% Al 1% Erstes Schaufelkranz der Turbine 197 Waspaloy Bolzen
Extrem Temperaturbeständige Nickel-Legierungen (bis 1050 C) Inco z.b. Inconel 738 LC RollsRoyce SRR 99 Canon-Muskegon CMSX-4... Anwendungen: Gasturbinenbau Propeller- und Pumpenteile Teile von Atomreaktoren Raketendüsen Ofenteile Seewasserfeste Teile 198
Zustandsdiagramm Nickel-Aluminium A ssessed A l - N i p h ase d i ag r am. 1395 C 1385 C 199
Warum Nickel als Basiselement mit Al-Zugabe? Anomales Verhalten der mechanischen Eigenschaften von Ni 3 Al bei Zunahme der Temperatur: 500 superalloy heat treated flow stress [MPa] 400 300 200 100 Copley and Kear, Trans. AIME Vol. 239 (1967), 984-992 0 superalloy as cast Ni 3 Al nickel solid solution 0 200 400 600 800 1000 temperature [ C] 70 % 100 % 0 % 200
Kristallstrukturen NiAl Ni 3 Al Ni Al Ni B2-geordnet L1 2 -geordnet (Basis krz) (Basis kfz) kfz a b 2 111 2 oder a 100 a b 2 110 2 oder a 100 d Ni3 Al = 358,0 pm Legierungselemente statistisch verteilt (Mischkristall, solid solution) a b 110 2 d nickel solid sol. = 358,7 pm 201
Zweiphasig, Einkristall: Mikrostruktur der Legierung CMSX-4 kfz-matrix (Nickelmischkristall) Ni 3 Al L1 2 geordnete ' Phase Volumenanteil 70% 202 Annähernd Versetzungsfrei Titelblatt Habilitationsschrift Glatzel
Ternäres Phasendiagramm Al-Ni-Cr Cr engt Phasengebiet der '-Phase ein, bei hohen Cr- Zugaben müssen ' bildende Elemente zugegeben werden. Entwicklung zu höherer Temperaturbeständigkeit (Cr und Al ) 203
Big, Single Crystal Blade Blade for stationary gas turbine for power production $ 40.000 204
Coefficient of Efficiency regular fuel car engine: 23% diesel car engine: 27% aircraft turbine: 30-35% stationary gasturbine: 40% gas and steam generation: 60,4% gas + steam + long distance heating: 87% max theor. Tin T T in out increase of T in increases coefficient of efficiency 205
temperature [ C] 2000 1500 1000 Increase in Temperature due to Improved Construction and Material polycrystalline military civilian directional solidified material temperature single crystal gas temperature improved cooling improved materials ceramics?? platinum base alloys? constant improvement 5-10 C/year 500 1950 1960 1970 1980 1990 2000 year 206
Mehr über (einkristalline) Nickel-Basis- Superlegierungen und deren Anwendung als Hochtemperaturwerkstoffe in der Vorlesung Advanced High Temperature Alloys im Vertiefungsfach Metalle 207
Kobalt Ordnungszahl 27 Raumgitter hexagonal Dichte 8,93 g/cm³ (bei 20ºC) Schmelzpunkt 1494 ºC Siedepunkt 2870 ºC (bei 1,013 bar) Spezifische Schmelzwärme 243 kj/kg (bei 1,013 bar) Spezifische Wärmekapazität 422 J/kg*k (bei 20ºC) Wärmeleitfähigkeit 100 W/m*K (bei 25ºC) Hauptfundorte: Mittel- und Nordafrika, Kanada, USA; auch Deutschland. Kobalt ist ferromagnetisch. Preis pro 1kg Kobalt ist ~ 30 /kg (Jan. 2006) 208
Kobalt-Basis-Superlegierungen Legierungbezeichnung Art der Chemische Zusammensetzung in Masse- % Typische Anwendungen Legie- rung C Cr Ni Fe Co Mo W Ti Nb Ta Cb B Zr S-816 Knet 0,38 20 20 3 44 4,0 4,0-4 - - - - Gasturbinen Laufräder und Schaufeln HS-25 Knet 0,15 20 10-55 - 15 - - - - - - Leitschaufeln, Nachbrenner MAR-M509 Guß 0,6 21,5 10 1 54-7 0,2-3,5-0,010 0,4 Lauf- und Leitschaufeln (Flugtriebwerke) MAR-M302 Guß 0,85 21,5 - - 58-10 - - 9,0-0,005 0,15 Gasturbinen-Lauf- und Leitschaufeln MAR-M322 Guß 1,0 21,5 - - 61-9 0,75-4,5 - - 2,25 Desgl. HS-21(LK4) Guß 0,25 27 3 1 62 5 - - - - - - - Gasturbinen Teile X-40 Guß 0,5 25 10 1,5 54-7,5 - - - - - - Gasturbinen Teile FSX414 Guß 0,35 27,5 10 2 50-7 - - - - - - Leitschaufeln UMCo 50 Guß 0,1 28-21,9 50 - - - - - - - - UMCo 51 Guß 0,3 28-19,6 50 - - - - - 2,1 - - Viele Legierungen werden mit eigenem Namen gehandelt wie z.b.: Waspaloy: United Aircraft Co. Rene: General Electric. Co. MAR-M: Martin Marietta Corp. UMCo: Union Miniere Udimet: Special Metals Inc. 209
Kobalt Korrosionschutzlegierungen ULTIMET ist eine Korrosionsschutzlegierung. Sie ist beständig in Seewasser und Säuren. 54% Co 26% Cr 9% Ni 5% Mo 3% Fe 2% W 0,8% Mn 0,3% Si 0,08% N 0,06% C ULTIMET Maschinenelemente für Marinediesel Dichte 8,47g/cm³ HV: 20 C - 296 ULTIMET Blasdüse 210 ULTIMET H-2082 Säuretank
Hartmetall mit Kobalt als Bindemetall WC, TiC, TaC, NbC sind ineinander löslich. Als Bindemetall verwendet man in den meisten Fällen Kobalt. Karbide in der Größe 1-10 mm mit 80-95% Volumenanteil. Sie werden über die pulvermetallurgische Route hergestellt Z.B.: Co-WC Legierungen (Widia, eingetragener Markenname der Firma Krupp für Hartmetall, 1926). Quasibinäres Zustandsschaubild Co-WC Beschichtungen mit TiC, Al 2 O 3, TiN und TiCN (ab ca. 1970) verbessern die Produktivität der Zerspanung nochmals beträchtlich 211
Recycling Werkstoffprüfung / Qualitätssicherung Vom Werkstoff zum Bauteil Fertigungsabläufe Energie Erze Zuschläge Schmelzmetallurgie Metalldarstellung Raffination Schmelzen / Legieren Pulvermetallurgie Formguß Gießen Block- Strang- Bandguß Verdüsen Metallpulver Mischen / Kompaktieren Umformen Spanende Formgebung Stoffeigenschaftsänderung Beschichten Trennen Abtragen Verbinden Fertigteil Demontage 212 Montage / Einsatz
Verteilung der Inhalte auf die Urformen verschiedenen Vorlesungen Gießen: Form-, Block-, Strang- und Bandguß Pulvermetallurgie (Sintermetalle, metal-injectionmoulding (MIM)) in Einführungsvorlesung (G3) Umformen: Schmieden, Walzen, Ziehen, Blechumformung in Werkstofftechnologie und Halbzeuge (H1) 213
Umformen Definition und Einteilung Definition: Umformen ist Ändern der Form mit Beherrschung der Geometrie (Gegensatz zu Verformen). Blechumformung: Massivumformung: Biegen und Tiefziehen - Stauchen - Schmieden Gesenkschmieden Freiformschmieden - Walzen - Ziehen - Fließpressen - Strangpressen Vorwärtsstrangpressen Rückwärtsstrangpressen 214
Umformen Vorteile/Nachteile Vorteile: Verbesserung des Gefüges (Poren, Seigerungen, Einschlüsse (Korngröße/-form) hohe Bauteilsteifigkeit Kaltverfestigung Hohe Materialausnutzung Geringer Energiebedarf Geringe Stückkosten Niedrige Stückzeiten Entwicklungsaufwand geringer als beim Gießen Nachteile: Wirtschaftlich erst bei hohen Stückzahlen Geometrieeinschränkungen Bei falscher Prozessführung Risse, Fehlstellen 215
Umformen - Einteilung (nach Temperatur) Warmumformung: Große Umformbarkeit Geringe Umformkräfte Geringe Änderung von Festigkeit und Dehnung Kaltumformung: Enge Maßtoleranzen Keine Verzunderung der Oberfläche Erhöhung der Festigkeit und Dehnung 216
Umformen - Einteilung (nach wirksamen Spannungen) Umformen Zug-Druckumformen Druckumformen Zugumformen Biegeumformen Schubumformen Walzen Freiformen Gesenkformen Durchziehen Tiefziehen Kragenziehen Längen Weiten Tiefen Biegen mit geradlinieger Werkzeugbewegung Verschieben Verdrehen Eindrücken Durchdrücken Drücken Knickbauchen Biegen mit drehender Werkzeugbewegung IHU 217
Umformen Blech- und Massivumformung Blechumformung Massivumformung Tiefziehen Biegen - flächiges Halbzeug: große Oberfläche/ geringe Wanddicke - i. A. keine gewollte Blechdickenänderung - annähernd zweiachsige Spannungszustände - Hohlteile Fließpressen, Stauchen Schmieden - Halbzeug: Stäbe, Gußstücke - räumliche Hohlteile mit großen Querschnittsänderungen - mehrachsige Spannungszustände 218
Abgrenzung von Umformtechnik und Festigkeitslehre = F A 0 R P0,01 elastisch-plastischer Bereich (Umformtechnik) elastischer Bereich (Festigkeitslehre) ε = 0,01% ε = (l-l 0 )/l 0 219
Umformen - Fließkurve Merke: In der Umformtechnik wird das wahre Spannungsdehnungsdiagramm (Fließkurve) herangezogen Grundsatz: Material wird nicht verdichtet und Zusammenhang bleibt erhalten Volumenkonstanz (Grundlage der Plastizitätstheorie) 220
Relativer Energiebedarf und Rohstoffausnutzung beim Umformen im Vergleich zu anderen Verfahren einschließlich dem Aufwand für Stahlherstellung und Energieinhalt des Abfalls Doege, Behrens: Handbuch Umformtechnik 221
Schmieden 222
Schmieden - Werkstoffe Zum Schmieden eignen sich grundsätzlich alle knetbaren Metalle. Umformverhalten unterschiedlicher Werkstoffgruppen 223
Temperatur, C Schmieden - Werkstoffe 1400 1200 Schmiedeteile aus Stahl haben aufgrund der Vielfalt der Stahlsorten mit ihren anpassbaren Eigenschaften eine überragende Bedeutung. -Austenit, kfz Anfangsschmiedetemperatur 1000 800 723 600 + Endschmiedetemperatur + Fe 3 C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Kohlenstoffgehalt, % 224 Normblätter, in denen die für Schmiedeteile gebräuchlichsten Stahlsorten aufgeführt sind Verunreinigungen wie S und P dürfen höchstens insgesamt 0,1% betragen, da sie den Stahl kalt- bzw. rotbrüchig machen
Schmiedetemperatur nach Werkstoffen Werkstoff Anfangstemperatur [ C] Schmiede- Endtemperatur [ C] Aluminiumlegierungen AlCuMg 500 400 Kupferlegierungen CuZn42 750 600 Unlegierter Baustahl 1200 800 HSS, S18-1-2-5 1150 900 Nitrierstahl, 27CrAl4 1050 850 Merke: Unlegierte Stähle bis 0,4% C rasch erwärmen. Stähle mit C > 0,4% langsam bis 700 C danach rasch auf Schmiedetemperatur, um Spannungsrisse zu vermeiden 225
Temperatur Beispiel: TiAl6V4 T [ C] 1050 β - Region β-phasengrenze β transformiert 1000 α + β Region 10% α 950 60% α 90% α Block Anlassen Fertig- Schmieden Lösungsglühen TiAl6 900 850 800 α - Region 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Vanadium, wt.% Zeit Die Temperaturführung muß beim Schmieden auf 20 C genau eingehalten werden, damit das gewünschte äquiaxiale Gefüge entsteht. Geschmiedeter Ti-Ring (ø ca. 90 cm) 226 V98MD002
Vergleich herkömmliches Stauchen mit Elektrostauchen Herkömmliches Stauchen 4 Stufen Elektrostauchen + Presse 2 Stufen 1: Stauchstempel 2: Klemmbacke 3: Führungselektrode 4: Verschleißplatte 5: Amboßelektrode 6: Transformator Hohe Stauchverhältnisse möglich durch genaue Temperaturführung/Stempelweg Reduzierung der Arbeitsschritte Anstauchen unter örtlicher elektrischer Widerstandserwärmung (Warmstauchen) 227
Gesenkschmieden Warmstauchen ist fast immer der erste Schritt beim Gesenkschmieden 4 8 Waspaloy l Billet Positioned in dies Finish forged 10 Type 410 stainless steel Billet 5 3 / 4 Ends tapered Positioned in dies Finish forged 2 5 1 / 2 6 6 6 11 / 64 Billet 4620 steel 3 3 / 4 Pancake Positioned in dies Finish forged 10 3 / 4 228
Gesenkschmieden einer Kurbelwelle Gesenkschmieden: - Werkstücke werden in Hohlformen (Gesenke) aus Stahl geschlagen - wirtschaftliche Herstellung komplizierter Bauteile Entfernen des Rohlings aus dem Untergesenk Herstellung einer Kurbelwelle 229 Wichtig: - schmiedegerechte Konstruktion - genaue und wiederholbare Herstellung - kurze Werkzeugwechselzeiten - hohe Standzeiten
Maschinen zur Umformung Umformmaschinen Arbeitsgebundene Maschinen - Schmiedehammer - Schwungrad-Spindelpresse Genauigkeit hängt ab von der Steifigkeit der Maschine d. h. Kosten der Maschine. Weggebundene Maschinen - Kurbelpresse - Kniehebelpresse Kraftgebundene Maschinen - Hydraulische Presse - Schwungradlose Spindelpresse 230
Umformen - Maschinen 231
Schmiedehammer Down Roll Piston Up Board Ram (Bär) Energiebegrenzte Maschine (m g h) Billigster Weg um hohe Kräfte zu erzielen Keine große Genauigkeit (Maschine, Umformbedingungen) Work Upper die Lower die Anvil Viel Lärm und Vibrationen 232
Umformkraft F Schmiedehammer W = 3 E N E N 1. Arbeitsspiel 2. Arbeitsspiel 3. Arbeitsspiel Wegen der Erschöpfung des Arbeitsvermögens wird der s F Vorgang auf mehrere Arbeitsspiele (Hübe, Schläge) E N E N E N aufgeteilt. Umformweg s 233
Einsatz von Schmiedeteilen PKW-Achsteile 234
Einsatz von Schmiedeteilen Flugturbine 235
Einsatz von Schmiedeteilen PKW-Motor Höherwertige Kolben sind geschmiedet. In der Regel Al- Guss-Kolben. 236
Schmieden/Ringwalzen gestochener Ring 1 2 237 Nahtlose Ringe
Walzen Definition und Einteilung Definition: Walzen ist stetiges oder schrittweises Druckumformen mit einem oder mehreren sich meist drehenden Werkzeugen. Dabei können auch Gegenwerkzeuge wie Stopfen, Stangen oder Dorne eingesetzt werden. Walzen (DIN 8583 B.2) Längswalzen Querwalzen Schrägwalzen Profilquerwalzen Flachlängswalzen Flachschrägwalzen Profillängswalzen Flachquerwalzen Profilschrägwalzen Jeweils Unterscheidung von Hohl- bzw. Vollkörpern Ausgangsformen: Gussblöcke aus Kokillen oder Strangguss 238
Prozesskette beim Walzen Beispiel: Feinblechherstellung 239
Entwicklungstendenzen Gießverfahren Verkürzung der Prozesskette Rohstahl-Warmband durch endformnahes Gießen Stranggießen 250mm Stoßofen Warmband 60mm Kaltband Vorgerüst Fertiggerüst Dünnbrammengießen 15-50mm Vorbandgießen Durchlaufofen Fertiggerüst Ausgleichsofen 10mm Fertiggerüst Bandgießen 1-3mm 240
Vorgänge im Walzspalt Definitionen des Walzgrades: Formänderung/Dehnung: = h1 h h 0 0 ("Walzer" lassen Minuszeichen weg) Umformgrad: h1 = ln = ln( + 1) h 0 Englisch oft pl 241
Dehnung im Vergleich zum Umformgrad Vorteil des Umformgrades: Gesamtumformgrad unabhängig von der Anzahl der Umformstufen. ges n i 1 i ges n i 1 i 242
Metallkundliche Abläufe beim Warmwalzen im Walzspalt 243
Kaltbandherstellung Ein wesentlicher Teil der Warmbandproduktion wird zu Kaltband weiterverarbeitet Vorteile der Kaltumformung im Vergleich zu Warmumformung: Dünnere Abmessungen erreichbar Höhere Oberflächenqualität Bessere Maßgenauigkeit Gezielte Einstellung mechanisch-technologischer Eigenschaften Verfahrensablauf Kaltbandfertigung: Beizen Kaltwalzen Glühen Nachwalzen Bandbeschichtung (Optik) 244
Walzen Duo-Walzgerüst Quadro-Walzgerüst Sensimar-Walzgerüst Kleine Walzendurchmesser sind vorteilhaft, da kleinerer Kraftbedarf durch verringerte Reibung. Bei dünnen Folien und starken Stichabnahmen werden deshalb kleine Walzen gewählt. Es werden dann aber Stützwalzen notwendig (Durchbiegung). 245
Kaltwalzen Kaltverformung meist in 4- bis 6- gerüstigen Tandemstrassen. Walzgeschwindigkeiten bis zu max. 2000 m/min (120 km/h!) Umformgrad meist ca. 50 75% Werkstoffkundliche Vorgänge: Starke Verfestigung Gefügestreckung Einstellung einer Walztextur Fünfgerüstige Kaltwalztandemstrasse 246
Walzverfahren 247
Walzverfahren Verfahren: Flachwalzen Profilwalzen Produkte: Eisenbahnschienen Bänder 248
Rohrwalzen (nahtlos) Pilgerwalzen Für größere Außendurchmesser (60-660 mm), ab ca.1890, Gebrüder Mannesmann Verfahrensschritte: Lochen eines erwärmten Blocks zu einem Hohlblock Strecken des Hohlblocks zur Luppe Fertigwalzen der nacherwärmten Luppe zum Rohr Walzen ca. 10x schneller als Austrittsgeschwindigkeit des Rohrs 249
Rohrwalzen (nahtlos) Walze Stopfen Außendurchmesser 140-400 mm seit ca.1880 Werkstück Stopfenstange Stopfenwalzen von Rohren über einem im Walzspalt fest angeordneten Stopfen - mit bewegter Stange - ohne Innenwerkzeug 250
Rohrwalzen (nahtlos) Schrägwalzen 1. Hohlblock 2. Arbeitswalzen 3. Führungswalze 4. Dornstange mit Lochdorn 251
Gewindewalzen mit Flachbacken mit Rundwerkzeugen im Durchlaufverfahren mit Rundwerkzeugen im Einstechverfahren 3 2 2 1 2 3 3 4 1 Ziel: - hohe Maßgenauigkeit - gute Oberflächenbeschaffenheit - gute mechanische Eigenschaften (Härte, Faserverlauf) 1 1) ortsfestes Werkzeug 2) verstellbares Werkzeug 3) Werkstück 4) Werkstückauflage 252
Umformen- Durchdrücken Verfahrensprinzip Strangpressen Pressrohling wird im warmen Zustand in einem Kaliber verpresst. Es wird zwischen Vorwärts Rückwärts und Voll Hohl Strangpressen unterschieden Vollstrang Stempel Block Matrize Matrizenhalter Voll-Vorwärtsstrangpressen Stempel Matrize Verschlussplatte Voll-Rückwärtsstrangpressen Hydraulische Pressen mit Direktantrieb Rückwärtsstrangpressen braucht weniger Kraft (Reibung), aber andererseits kann der hohle Stempel nicht so fest ausgelegt werden. 253
Hohl-Vorwärtsstrangpressen Hohlstrang Dorn 254
Strangpressprofile (Beispiele) Strangpreßprofile aus Aluminium Strangpreßprofile aus Magnesium 255
Weitere Umformverfahren Fließpressen Durchziehen Rundhämmern Biegen... 256
Zugdruckumformung Beispiel Gleitziehen Ziehstein (Ziehring) Ziehbacken Ziehring Gleitziehen von Rundstahl oder Rundstäben (Drahtziehen) Flachziehen Hohl-Gleitziehen eines Rohres Stopfen (Dorn) Ziehring Ziehring Ziehring mitlaufende Stange Gleitziehen über festen Stopfen (Dorn) Stopfen (Dorn) Gleitziehen über losen (fliegenden oder schwimmenden) Stopfen (Dorn) Gleitziehen über mitlaufende Stange (über langen Dorn) Ziel: Profilierung und Reduzierung des Querschnitts bei Hohlkörpern ohne Wanddickenabnahme 257
Verfahrensprinzip Tiefziehen Zug/Druck- Bereich Zugbereich 258
Versagensarten beim Tiefziehen 259
Stahlwerkstoffe zum Tiefziehen Verwendet werden überwiegend kaltgewalzte Feinbleche, oft beschichtet Wichtige Anforderungen für Anwendungen in Blechkonstruktionen des Fahrzeugbaus, z.b. als Karosseriebleche: gute Umformbarkeit, Eignung zum Tiefziehen (wichtige Kenngröße: erreichbare Tiefung) gute Oberflächenqualität Zusätzlich wird eine höhere Festigkeit für Leichtbau angestrebt Trend zur Entwicklung höherfester Stahlsorten 260
Stahlwerkstoffe zum Tiefziehen Feinblech aus weichem, unlegierten Stahl Klassischer Tiefziehstahl ist die Güte DC04 D = Blech aus weichen unlegierten Stählen zum Kaltumformen C = kaltgewalzt 01 bis 06 = Stahlsorte mit zunehmender Tiefziehfähigkeit Chemische Zusammensetzung: C Si Mn P S Al N 0,08% - 0,40% 0,030% 0,030% ( 0,040%)* ( 0,003%)* Mechanische Eigenschaften: * Typische Werte R e R m A 80 210 MPa 270 350 MPa 38% 261
Kennwerte der Tiefziehfähigkeit r Zieh- und Pressversuche Formänderungskurve Computersimulation Bruchdehnung (A80) Verfestigungsexponent (n-wert) Fliessspannung = k φ maxn im Bereich zwischen 10 und 20 % Dehnung oder n = Gleichmaß = ln(1 + Gleichmaß ) Ebene Anisotropie ( r-wert) Breite Dicke r m ln ln b d r L 1 1 b d 0 0 2rD rq 4 r Bestimmung im Zugversuch r L r 0: Zustand vor der Verformung 1. Zustand nach der Verformung L: längs Q: quer D: diagonal Q 2 2r D 262
Beispiele Tiefziehfähigkeit r = 1 homogene Verformung r < 1 stärkere Abnahme der Blechstärke r > 1 stärkere Abnahme der Blechbreite Verfestigungsexponent n groß hohe Streckziehfähigkeit, das Maximum der Dehnug verlagert sich im Tiefungsversuch nach außen. In der Mitte des Stempels wird das Blech durch Verfestigung und Reibung festgehalten. Dehnungs- und Spannungsspitzen werden bei einem hohen Verfestigungsexponenten durch Fließen abgebaut. 263
Formänderungsanalyse in der Blechumformung L 0 Q 0 L 1 Bei der Gridanalyse wird auf die Oberfläche des Bleches ein Kreisraster aufgebracht. Während der Umformung verändert sich die Geometrie der einzelnen Kreise. Je nach Belastungszustand werden aus Kreisen: Kreise mit größerem Durchmesser Ellipsen. In Oberfläche: ln Q 1 Q Q Q 1 264 L ln L L 1 In Blechdicke: 0 t 0 l b
Formänderungsmöglichkeiten in der Blechumformung Das Formänderungsvermögen eines Werkstoffs ist abhängig vom Formänderungspfad, den der Werkstoff während der Umformung durchläuft. Im Rahmen linearer Formänderungspfade kommen grundsätzlich folgende Varianten in Betracht: 265
Grenzformänderungsdiagramm Im Grenzformänderungsdiagramm stellen die Grenzformänderungskurven die Versagensgrenzen bzgl. Einschnüren bzw. Reißen/Bersten dar. Alle Kombinationen von Formänderungen der Blechoberfläche, welche unterhalb der Kurven liegen, führen nicht zu einem Versagen des Werkstücks während der Umformung. Bei allen, die darüber liegen, ist mit Reißern bzw. Einschnürungen zu rechnen. 266