Lern­skript Werk­stoff­technik Hamburger Fern­hoch­schule

Bei Werkstoffen mit hohem Schmelzpunkt

Chemische Verbindungen von Werkstücken die sich unterhalb der Schmelztemperatur schon zersetzten.

Weitere Vorgänge bei Sintern sind Kriechen und Versetzungsbewegungen

Sintern ist die Grundlage der Pulvermetallurgie

Metallpulver wird in Formen gepresst -> Wärmebehandlung mit 80-90% der Schmelztemperatur

Es entsteht mehr oder weniger poröse Teile

Grünling = verdichteter Rohling

Zur besseren Verdichtung werden Hilfsmittel zugesetzt die vor dem Sintern durch Erhitzen herausgetrieben werden.

Beim Sintern des Grünlings kann es zu deutlichem Schrumpfen kommen

Phasenumwandlung in den festen Zustand

• Umwandlung im festen Zustand erfolgt durch Keime

• Volumenterm und Grenzflächenterm (wie beim Erstarren) + Verzerrungsterm

• Kleine Verzerrungsenergie = kugelförmige Keime

• Hohe Verzerrungsenergie = platten- oder stabförmige Keime

• Höhere Anzahl Gitterfehler -> beschleunigt die Phasenumwandlung im festen Zustand

• Phasenumwandlung durch Diffusion

• Martensit = diffusionsloser Umklappprozess durch sehr schnelles Abkühlen. Es handelt sich um einen Platzwechselvorgang der nicht thermisch aktiviert ist. Diffusion wird unterdrückt.

Übergang aus dem gasförmigen Zustand

• Aufdampfen von dünnen Schichten

• Gasphase die aufs Metall trifft bildet bestimmte orientierte Kristalle auf dem Wirtsmetall aus.

• Durch Kohärenz der beiden Metalle bilden sich neue Gitter

• Technische Verfahren:

  • CVD-Verfahren (chemische Gasabscheidung)

  • PVD-Verfahren

• Diese Schichten von Karbiden und Nitriden sind besonders verschleißfest

• Sind oft intensiv gefärbt und werden daher auch zum dekorativen Zweck verwendet

Phasenänderungen im festen Zustand

• Diffusion:

  • Unter Diffusion versteht man einen Vorgang, bei dem Atome, Ionen oder niedermolekulare Bestandteile aufgrund thermischer Anregung ihre Gitterplätze wechseln.

  • Für Wanderung von Atomen auf Gitterplätzen müssen Leerstellen vorliegen

-> Diffusion hängt von der Anzahl und Anordnung der Leerstellen ab

• Selbstdiffusion = es diffundieren arteigene Atome

• Fremddiffusion = es diffundieren artfremde Atome

• Erfolgt an Grenzflächen -> Grenzflächendiffusion ist gegenüber der Volumendiffusion bevorzugt

• 1. Diffusionsgesetz = Die Menge (dm), die in der Zeit (dt) durch eine Querschnittsfläche A fließt ist proportional dem Konzentrationsunterschied (dc) über die Strecke (dx) (Konzentrationsgefälle)

• Kirkendall-Effekt

  • Wenn zwei an einer Grenzfläche zusammentreffende Stoffe unterschiedlich schnell diffundieren

  • Ist charakterisiert durch Massedifferenz an der Grenzfläche

  • Verschiebung der Trennebenen der Stoffe während der Diffusion

Legierungsbildung (Studienbrief 2)

Kristallgemische

• Kristallarten = Phasen

• Heterogenes Gefüge

• Phasen nebeneinander

Mischkristalle (MK)

• Homogenes Gefüge

• Feste atomare Lösung

• Komponente B ist in A gelöst oder A in B (B bzw A kein eigenes Gitter)

• 2 Varianten:

  • Einlagerungsmischkristalle (EMK)

  • Austauschmischkristalle (SMK)

Einlagerungsmischkristall (EMK)

• Element B lagert sich in A (Wirtskristall) auf Zwischengitterplätzen ein.

Wichtig; Kohlenstoff (C) in Eisen (Fe)= EMK

• 2 Gitterformen:

  • Kfz-Gitter (kubisch-flächen-zentriertes Gitter)

z.B. γ-MK-FE mit C = Austenit

Max. C in Fe = 2,06% bei 1147 C gelöst

• Krz-Gitter (kubisch-raum-zentriertes Gitter)

z.B. α-MK-Fe mit C = Ferrit

Max C in Fe = 0,002% bei 723 C gelöst

• MK-Verfestigung durch Gitterverzerungen

z.B. γ-MK bei 1147 C -> abgeschreckt -> γ-MK -> α-MK = verzertes Gitter entsteht -> Martensit (tetragnonal verzertes Gitter) = hohe Härte

Austauschmischkristall (SMK)

• Element B auf Gitterplätzen von A

• Elemt B auf Gitterplätzen von A

• A und B bilden gleiche Gitter

• Größe Atomradien ähnlich

• Etwa gleiche Anzahl von Valenzelektronen

• B von 0% - 100% anstelle von A = ununterbrochene MK-Reihe

Überstrukturphasen

• MK mit bildet regelmäßiger Anordnung von Atomen (B in A regelmäßig)

• Bilden sich im Gleichgewichtszustand (geglühter Zustand)

• Im Allgemeinen spröder als untergeordnete MK

• Thermisch weniger stabil

• Oberhalb der kritischen Ordnungstemperatur verschwinden die Phasen

Intermetallische Phase

• Benötigt bestimme stöchiometrische Verhältnisse

• Bildet neues komplizierteres Gitter

• Hart, spröde, thermisch stabil

• Beispiele:

  • Fe-C bei max. 6,67% -> Fe3C = Zementit

  • Al-Mg -> Al3Mg2

  • Al-Cu (Kupfer) -> Al2Cu (Festigkeitserhöhung durch Aushärten)

Zustandsbeschreibung und Gefüge

Systeme vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand

• Komponente A wird B hinzugefügt -> niedriger Schmelzpunkt (auch A in B)

• Schmelzpunkterniedrigungen treffen sich bei Punkt E (eutektischer Punkt)

• Abkülungskurve:

  1. Schmelze: e-Funktionskurve

  2. Grenze zum Phasenfeld -> A scheidet aus = verzögerte Abkühlung

  3. Bei waagerrechter Linie von E -> A+B ausgeschieden = Haltepunkt

S -> A+B = eutektische Reaktion

A+B = Eutektikum

1. e-Funktionskurve Abkühlung

• 100% A+B = Eutektikum:

  • Niedrigester Schmelzpunkt der MK-Reihe

  • Viele Keime -> feinkörnig

  • Lotlegierung, Gusslegierung (z.B. Gusseisen)

  • Phasengrenze zur Schmelze = Liquiduslinie

  • Phasengrenze zum Festkörper = Soliduslinie

  • Berechnung Mengenanteil:

    • Hebelgesetz = m1/m2 = (c2-c)/(c-c1)

Systeme mit vollständiger Löslichkeit im festen Zustand

• Es gilt die ununterbrochene MK-Reihe

• Bei Liquidus-/Soliduslinie verzögerte Abkühlung

• Konzentrationsänderungen

Systeme mit teilweiser Löslichkeit im festen Zustand

Obereutektoide Legierungen 30-50 C oberhalb der SK-Linie (Ac1-Punkt)

Abkühlung an ruhender Luft

Feinkornstahl weniger Überhitzungsempfindlichkeit

Haltezeit: abhängig von Werkstoffdicke

Bei Überhitzung:

• Kornwachstum des Austenits

-> nach Abkühlung große Ferrit und Perlitkörner -> ungünstige mechanische Eigenschaften

Grobkornglühen

• Untereutektoider Stahl (<0,2%)

• Temperaturbereich: 1050-1300 C

• Haltezeit: ausreichend lang

• Grobe Körner -> bessere mechanische Bearbeitbarkeit

• Danach Normalglühen

Diffusionsglühen

• Glühen bei hoher Temperatur mit ausreichend langer Haltedauer, dass örtliche Unterschiede der chemischen Zusammensetzung, d.h. Seigerungen durch Diffusion verringert werden

• Temperatur: 1050-1200 C

• Haltedauer: bis 2 Tage

• Bei Aluminium: unterhalb der Soliduslinie, mehrere Stunden

Durchgeglüht = wenn es vom Rand bis zum Kern keine wesentlichen Gefügeunterschiede und damit auch keine oder nur geringe Festigkeitsdifferenzen aufweist.

Härten

• Wärmebehandlung, bestehend aus dem Austenitisieren und dem Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder vollständiger Umwandlung des Austenits in Martensit oberflächlich oder durchgreifend erfolgt.

• 30-50 C oberhalb der GOS-Linie bei untereutektoidem Stahl

• 30-50 C oberhalb der SK-Linie bei übereutektoidem Stahl

• Werkzeug-/Einsatzstahl

• Aufhärtbarkeit = erreichbare höchste Härte (abhängig vom C-Gehalt)

• Einhärtung = Einhärtungstiefe

• Durchhärtung = im Kern min. 50% Martensit

Einsatzhärten

• Verfahren zum Oberflächenhärten mit dem Ziel eine harte und verschleißfeste Oberfläche bei zähem Kern zu erreichen.

• Einsatzstähle (0,1-02% C), härtbar durch Aufkohlen

• Einsatzmittel: Salzbäder, Methan, Ethan, Propan (erhöht Aufkohlungstiefe)

• Dauer: ca. 6 Stunden

• Tiefe: 0,5-0,8mm

• Glühtemperatur bis 900 C, danach Normalglühen (für Kern)

Unanfällig für Überhitzung

Härte: 850-900 HV

Abschreckhärten

• Abschrecken aus dem γ-Gebiet (über GOSK-Linie), in einem entsprechenden Medium, dessen Temperatur unterhalb des Martensitpunktes des Stahls liegt.

• 30-50 C über GOSK-Linie

• Ölabschreckung/Wasserabschreckung

• Größerer C-Gehalt -> Ölabschreckung (vermeidet Rissbildung)

• Härtetemperatur zu hoch -> geringere Härte, sehr spröde

Oberflä.....

Gasnitrieren: Nitriertiefe: 0,5 mm ,Ammoniak (Mittel)

Nitrocarburieren: Anreicherung Oberfläche mit, C und N

• Vorteile: geringer Verzug, 200-300 HV höhere Härte

Aushärtung

• Gliedert sich in 3 Schritte:

  1. Lösungsglühen

  2. Abschrecken

  3. Auslagern um Ausscheidungen im Gefüge zu erreichen

• Bei AL-Legi.....

Maximum der Lüders-Dehnung= Rm = Zugfestigkeit

Danach Abfall der Spannung -> Riss

Bruchdehnung A = Messlänge nach Bruch – Ausgangslänge / Ausgangslänge = LBr-Lo/Lo (in %)

Z.B.A 5,65 <- Index der Stablänge

Brucheinschnürung Z = Ausgangsquerschnitt – Bruchquerschnitt / Ausgangsquerschnitt

=So-SBr/So (in %)

• Wenn keine Streckgrenze, dann Ersatzstreckgrenze = 0,2 % der Messlänge

• Absicherung bei Konstruktionen = zulässige Spannung δzul < ReH (obere Streckgrenze)

• Wenn Gleichung vorliegt, dann Sicherheitsfaktor <1 einführen

-> δzul < ReH/S

Härteprüfung

• Vorteile:

  • Relativ einfach

  • Relativ schnell durchzuführen

  • Aus gerätetechnischer Sicht effizient durchführbar

  • Geringe Beschädigung des Werkstoffs

  • Keine Beeinträchtigung der Funktionsweise des Werkstücks

  • Für Qualitätsprüfung in der Großserienfertigung geeignet

In den technologischen Prozess integriert

• Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Körpers

• Eindringtiefe, Eindringdurchmesser, Prüfkraft

• Kennzeichnet den Werkstoffzustand (wie der Zugversuch)

Verfahren der Härteprüfung

• Eindringkörper besteht aus verschiedenen Werkstoffen und unterschiedlichen Abmessungen

• Eindringkörper dürfen nur elastisch verformbar sein.

• 3 Härteverfahren

• Die Härteprüfwerte sind nicht direkt miteinander vergleichbar, da den Prüfverfahren unterschiedliche Messgrößen und Eindrin.....

Eindringköper: Diamantkegel (Öffnungswinkel 120 Grad) oder Hartmeltall-, Stahlkugel

Prüfablauf:

1. Vorkraftstellung mit Prüfkraft Fo (Bezugsebene)

2. Belastungsstellung mit Prüfzusatzkraft F = F1 + Fo

3. Messstellung mit Prüfkraft Fo. Differenz (h) = Eindringtiefe

• Prüfverfahren:

• HRD, HRC = Diamantkegel

• HRF, HRB, HRH, HRE = Stahlkugel

• HMR5/250, HMR5/750 = Hartmetallkugel (5mm)

Irreversible Formänderung

Plastische Verformung