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Werkstoffkunde 1 (Fach) / Stähle (Lektion)

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• Definiere Stähle Stähle sind Eisenbasis-Werkstoffe, die kalt- und/oder warmumformbar sind
• Herstellung von Roheisen - Reduktion aus Erzen im Hochofenprozess- Erz, Koks und Zuschlägen zur Schlackenbildung- bis 1600°- direkte Reduktion durch Koks im unteren Teil- indirekte Reduktion durch CO im oberen Teil- und Reduktionsreaktion durch Wasserstoff- Roheisen und Schlacke werden unten abgestochen-
• Herstellung von Stahl - Frischen: Gehalt an C,P, S, Si, Mn reduzieren (Oxidationsvorgang, bei dem Verunreinigungen durch Verbrennen entfernt werden)- Sauerstoffblas-Verfahren - C verbrennt zu CO2- Elektrostahlverfahren (für höher und hoch legierte Stähle) - Einsatz von Schrott anstatt Roheisen- Sekundärmetallurgie (Nachbehandlung nach dem Frischen)- zu hoher Anteil an Gasen, N, O, H durch Frischen, schlecht für Stahl, spröde- daher Entgasung und Desoxidation- Desoxidation: Zugabe von Elementen (Al,Si) mit hoher O-Affinität, binden Sauerstoff- Entgasung: Spülen mit Argon entfernt H
• Umwandlungstemperaturen Reineisen 911° - α (krz) wird zu γ (kfz)1392° - γ (kfz) wird zu δ (krz)1536° - δ (krz) zu Schmelze - Schmelztemperaturα-Eisen = Ferritγ-Eisen  = Austenit
• Kohlenstoff in Eisen - kann nur als Mischkristall (gelöste Form) oder intermediäre Verbind. (gebundene Form) vorliegen- Einlagerungsmischkristalle: besser im kfz γ-Eisen, kaum löslich in krz-Eisen- 723°- kfz 0,8% C-Löslichkeit γ- 1147° - kfz 2,1% C-Löslichkeit γ- intermediäre Verbindung als Fe3C - Zementit- nur in Gusseisen auch in elementarer Form als Graphit
• Was ist ein metastabiles System? System, welches Zementit enthält
• Was ist ein stabiles System? System ohne Zementit, aber mit Graphit
• Kohlenstoffgehalt in % - α-Eisen (Ferrit) :     0 - 0,02% bei 723°- γ-Eisen (Austenit) : 0 - 2,1%- δ-Eisen                 : 0 - 0,1%- Fe3C (Zementit)   : genau 6,67%
• Wichtige Punkte EKD Schmelzpunkt Eisen: 1536°eutektischer Punkt: 1147° und 4,3%CZementit genau bei 6,67%C (bis 1300°)α-Eisen kann kein C aufnehmenKohlenstoff stabilisiert γ-Eisen bis 0,8% und 723°
• Wodurch ist die besondere Bedeutung der Stähle im Vergleich zu anderen metallischen Werkstoffen begründet? Produktionsmenge: wesentlich mehr als alle anderen Metalle in SummeVielseitigkeit der Eigenschaften: durch Wärmebehandlungsverfahren und Legierungselemente sind die Eigenschaften in einem sehr breiten Spektrum variierbarPreis und Verfügbarkeit: Stähle sind vergleichsweise preiswert und gut verfügbarhistorische Bedeutung
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• Welche Wärmebehandlungsverfahren werden unter-Ablschieden? thermische Verfahren (Normalglühen, Härten und Vergüten)nur mit Temperatur-Zeit-Abläufenin Schutzgas, Luft, Vakuum thermochemische Verfahren (Einsatzhärten, Nitrieren)Glühung in Gasen, Salzschmelzen Thermomechanische Verfahren: (Austenitformhärten, Isoforming)Integration plastischer Verformung in Abkühlprozess
• Was heißt Austenitisieren? Wie funktioniert es? Kombination von Erwärmung und Haltezeit- aber nur ein Teil eines Wärmebehandlungsverfahrens - Abkühlung fehlt- Abweichungen vom Ideal (Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) durch fehlende Gleichgewichtsbedingungen, Begleitelemente, - daher Nutzung von ZTA-Diagrammen (Zeit-Temperatur-Austenitisierungs-Diagramme)- sie besagen: bei welcher Temperatur muss wie lange geglüht werden, damit Umwandlung zu homogenem Austenit erfolgt, Korngröße in vernünftigem Rahmen bleibt
• Was sind Glühverfahren, Nenne Beispiele - Wärmebehandlungsverfahren, die dazu führen, dass der Zustand des Werkstoffes bei Raumtemperatur dem Gleichgewichtszustand näher ist, also einen Zustand geringerer innerer Energie erreicht hat- zur Verbesserung der Verarbeitungseigenschaften- Beseitigung ungünstiger Auswirkungen von Bearbeitungsschritten (z.B. Kaltverfestigung) NormalglühenWeichglühen, GKZ-GlühenSpannungsarmglühen
• Was passiert beim Normalglühen? Ziel: feinkörniges Gefüge mit rundlichen Körnern und feinstreifigem Perlit- es verschwinden: ungleichmäßige Körner, Texturen, Grobkorn, Kaltverfestigung, Eigenespannungen- Ausgang: grobkörniges Ferrit-Perlit-Gefüge -> Aufheizen über Ac3 - Austenit -> langsam Abkühlen - feinkörniges Ferrit-Perlit- am häufigsten verwendet, für fast alle Stähle anwendbar- Anwendungsbeispiele: Nach Kaltumformung statt Rekristallisationsglühen, nach Schweißen, Stahlgussteile, Vor Härten / Vergüten, nach fehlerhafter Wärmebehandlung
• Was passiert beim Weichglühen? - Ziel: Verringerung der Härte für bessere Zerspanbarkeit- GKZ-N- ist eine Art von Weichglühen- Ausgangszustand: ferritisch.perlitisch oder perlitisch - gehärtet- langes Glühen knapp unterhalb Ac1- Zementitlamellen werden aufgebrochen, die Bruchstücke formen sich zu runden Zementitteilchen
• Was passiert beim Spannungsarmglühen? Ziel: Abbau von Eigenspannungen (Wärmespannungen, Bearbeitungsspannungen, Gussspannungen)- langsame Erwärmung auf 450-650 ° - Halten - langsame Abkühlung- Reduzierung der Eigenspannungen nicht auf 0 sondern Höhe der Streckgrenze bei Glühtemperatur
• Härten und Vergüten bedeutet Abkühlung bei Nichtgleichgewichtstzuständen ..
• je schneller abgekühlt wird, desto weniger Perlit kann sich bilden ..
• Gefügeumwandlung beim Abschrecken - Martensit - bei rascher Abkühlung keine Zeit für Diffusion, keine Umwandlung zu α-Eisen möglich- irgendwann Druck so groß, Umklappen, Stauchung der Elementarzelle nötig, c-Atome verhindern das- dadurch entsteht Martensit - diffusionslos. 1) Umklappprozess 2) Formanpassung durch Abgleitung und Zwillingsbildung- extrem hohe Versetzungs- und Zwillingsdichte-zwangsgelöster C- stark verspannte innere Struktur, d.h. keine plastische Verformbarkeit, fest, hart aber auch spröde- je mehr C desto härter, aber wird erst ab 0,1% gebildet
• Bainit - weitere Gefügevariante neben Perlit und Martensit - Zwischenstufengefüge- entsteht durch umklappen und c-Diffusion, Bildung feiner Zementitpartikel- Zementit im innern der Nadel bei niedrigen Temperaturenoder auf Krongrenzen zwischen Nadeln bei höheren Temperaturen- weniger hart als Martensit, dafür nicht spröde- sehr feinkörnig mit guten Festigkeitswerten und guter Zähigkeit
• Z-T- U -Diagramme Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme- nicht aus Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ablesbar, da nicht Gleichgewichtszustände- werkstoffspezifisch- Abkühlkurven und Gefügebildungskurven- außerdem Härte, Mengenanteil des Gefügebestandteils
• Härten - Umwandlung zu Martensit-- 1. Austenitisierung 2. Abschrecken so schnell wie nötig 3. Anlassen- Abkühlgeschwindigkeit ist stahlabhängig- Anlassen=glühen unterhalb ac1, damit nicht mehr so spröde, Kerbschlagarbeit nimmt zu-
• Vergüten Ziel: Erhöhung der Festigkeitswerte bei gleichzeitiger Erhöhung der Zähigkeit1. Austenitisieren 2. Abschrecken 3. Anlassen bei deutlich höheren Temperaturen- Anlasstemperatur wichtig für Werkstoffeigenschaften- je höher Anlasstemperatur, desto niedriger Streckgrenze und Zugfestigkeit und Härte, desto höher Bruchdehnung und Brucheinschnürung-
• Härten oberflächennaher Schichten für Maschinenteile, die innen hochfest und zäh aber an der Oberfläche verschleißfest sein sollen, wie Bolzen, Zahnräder, hohe Biegewechselfestigkeit z.B. Wellen-thermische oder thermochemische Verfahren- Randschichthärten = thermisches Verfahren, nur Randschicht wird erhitzt, austenitisiert und abgeschreckt- hohe Temperaturen erforderlich, da nur sehr kurz erhitzt wirdEinsatzhärten = thermochemisches Verfahren, Oberfläche wird mit C angereichert, nur für niedrig kohlenstoffhaltige Stähle, Oberfläche jetzt härtbar - volle Martensithärte - für ZahnräderNitrieren - Eindiffusion von N-Atomen, Bildung von SOnderNitriden, an vergüteten Stählen, kein Abschrecken nötig, Glühung bei niederigen Temperaturen und fehlende Abschreckung - enge Toleranzen möglich, für Bohrer, Extruderschnecken...

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