Die Wärmebehandlung Metallischer Werkstoffe

Die Die WrmebehandlungWrmebehandlungmetallischermetallischer WerkstoffeWerkstoffe

Sommersemester 2010

Die Wrmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1

Dr. Dieter Mller

H+W Arnstadt GmbHHrte- und Werkstofftechnik

31. Mai 2010

Die Die WrmebehandlungWrmebehandlungmetallischermetallischer WerkstoffeWerkstoffe

Herstellung und Einteilung der Sthle nach Verwendung und Eigenschaften

berblick ber Wrmebehandlungsverfahren

Glhen


Glhen

Hrten (martensitisch, bainitisch, Auslagern)

Randschichthrten Thermisch

Thermochemisch (Einsatzhrten, Nitrieren)

Beschichten (PVD, CVD)

Anlagentechnik

LiteraturLiteratur

G. Spur, T. Sterle (Hsg.)Handbuch der Fertigungstechnik; Band 4/2 WrmebehandelnHanser-Verlag, Mnchen Wien, 1987

V. LppleWrmebehandlung des StahlsVerlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 8. Aufl., 2003

H.P. HougardyUmwandlung und Gefge unlegierter SthleVerlag Stahleisen, Dsseldorf, 2. Aufl., 1990

D. HorstmannDas Zustandsschaubild Eisen-KohlenstoffDas Zustandsschaubild Eisen-KohlenstoffVerlag Stahleisen, Dsseldorf, 5. Aufl., 1985

D. Liedtke, R. JnssonWrmebehandlungExpert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2000

D. Liedtke u.a.Wrmebehandlung von Eisenwerkstoffen II Nitrieren und NitrocarburierenExpert Verlag, Renningen-Malmsheim, 4. Aufl., 2007

K. Hee u.a.Ma- und Formnderung infolge WrmebehandlungExpert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1997

J. Grosch, u.a.EinsatzhrtenExpert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1994


LiteraturLiteratur F.-W. Bach, T. Duda

Moderne BeschichtungsverfahrenWiley-VCH, Weinheim, 2000

M.F. Ashby, D.R.H. JonesWerkstoffe 2: Metalle, Keramiken und Glser, Kunststoffe und VerbundwerkstoffeElsevier, Heidelberg, 2005

W. BergmannWerkstofftechnik 2: Werkstoffherstellung Werkstoffverarbeitung - WerkstoffanwendungHanser, Mnchen Wien, 2005

W. SeidelWerkstofftechnikHanser, Mnchen Wien, 2007

Stahl-Informations-Zentrum (www.stahl-info.de; kostenlos oder als download)Merkblatt 447:Wrmebehandlung von Stahl Nitrieren und NitrocarburierenMerkblatt 447:Wrmebehandlung von Stahl Nitrieren und Nitrocarburieren

Stahl-Informations-ZentrumMerkblatt 450:Wrmebehandlung von Stahl Hrten, Anlassen, Vergten, Bainitisieren

Stahl-Informations-ZentrumMerkblatt 452: Einsatzhrten

ASMThe Handbook of Metals Vol. 4: Heat Treatment

Teile der Vorlesungsunterlagen entstammen Verffentlichungen folgender Personen bzw. Unternehmen

Bhler Stahl AGDr. Hansjrg Stiele, EFD Induktionserwrmung, FreiburgIpsen Industriefen, KleveSchmetz Vakuumfen, Mendenu.a.


UmsatzentwicklungUmsatzentwicklung derder LohnhrtereienLohnhrtereien in in DeutschlandDeutschland

800

1.000

1.200

Umsatz (Mio. )

2006:

Lohnhrtebetriebe: 178

Anzahl Mitarbeiter: 6.700

Umsatz 1,06 Mrd


0

200

400

600

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Quelle: Industrieverband Hrtetechnik

EntwicklungstendenzenEntwicklungstendenzen derder WrmebehandlungWrmebehandlung


Quelle: Ipsen GmbH

Grundlagen der WrmebehandlungGrundlagen der Wrmebehandlung

Einteilung der Stahlgruppen

Bezeichnung und Nomenklatur der Sthle Bezeichnung und Nomenklatur der Sthle

Idealer / realer Werkstoff


Sthle nach DIN EN 10020:2000Sthle nach DIN EN 10020:2000

Als Stahl werden Werkstoffe bezeichnet, deren Massenanteil an Eisen grer ist als der jedes anderen Elementes und im allgemeinen weniger als 2% C aufweisen und andere Elemente enthalten. Einige Chromsthle enthalten mehr als 2% C. Der Wert von 2% wird jedoch im allgemeinen als Grenzwert fr die Unterscheidung zwischen Stahl und Gueisen betrachtet. Sthle werden nach folgenden Gesichtspunkten eingeteilt:


Sthle werden nach folgenden Gesichtspunkten eingeteilt: - Chemische Zusammensetzung Unlegierte legiert - Verwendung Werkzeugstahl Baustahl - Mechanische und technologische Eigenschaften Tiefziehblech Wlzlagerstahl

UnlegierteUnlegierte SthleSthleAls unlegiert gilt ein Stahl, wenn die Gehalte der einzelnen Elemente die in der Norm angegebenen Grenzgehalte nicht berschreiten. Die unlegierten Sthle werden in die Hauptgteklassen

- unlegierte Qualittssthle und - unlegierte Edelsthle eingeteilt.

Unlegierte Edelsthle knnen hhere Gehalte an verschiedenen Elementen aufweisen und zeichnen sich durch zustzliche Anforderungen hinsichtlich Reinheit (Einschlsse), mechanische Eigenschaften, elektrische Eigenschaften G aus. Eigenschaften, elektrische Eigenschaften G aus. Grenzwerte fr unlegierte Sthle (Schmelzanalyse)

Al B Bi Co Cr 0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 (0,50)

Cu La Mn Mo Nb 0,40 (0,50) 0,10 1,65 (1,80) 0,08 0,06

Ni Pb Se Si Te 0,30 (0,50) 0,40 0,10 0,60 0,10

Ti V W Zr sonst* 0,05 (0,12) 0,10 (0,12) 0,3 0,05 (0,12) 0,10

* mit Ausnahme von C, P, S, N () Grenzwerte fr unlegierte Edelsthle


Nichtrostende SthleNichtrostende Sthle

Nichtrostende Sthle werden ber ihre chemische Zusammensetzung definiert: Cr 10,5 % C 1,2 % C 1,2 % Zustzlich wird noch nach

- dem Nickelgehalt (2,5%) und - den Haupteigenschaften (korrosionsbestndig, hitzebestndig, warmfest)

unterschieden


Legierte SthleLegierte Sthle Legierte Sthle Als legiert gilt ein Stahl, wenn die in der Norm angegebenen Grenzgehalte berschritten werden. Niedriglegierte Sthle enthalten in Summe weniger als 5% Legierungszustze, hochlegierte Sthle mehr als 5%. Legierte Qualittssthle

sind im Allgemeinen nicht zum Vergten oder Oberflchehrten vorgesehen. Zu dieser Gruppe zhlen:

- Schweigeeignete Feinkornbausthle - Sthle fr Schienen - Sthle fr Schienen - Sthle fr warm- oder kaltgewalzte Flacherzeugnisse - Cu-legierte Sthle als einziges Legierungselement - Elektroblech

Legierte Edelsthle

Sind Sthle mit eng eingeschrnkten und definierten Eigenschaften Zu dieser Gruppe zhlen:

- Maschinenbausthle - Sthle fr Druckbehlter, - Wlzlagersthle - Werkzeugsthle - Schnellarbeitssthle - Sthle mit besonderen physikalischen Eigenschaften


Allgemeine Bausthle (DIN EN 10025-1:2004) Allgemeine Bausthle sind nach ihren mechanischen Eigenschaften eingeteilt und mssen ber eine gute Schweibarkeit verfgen. Beispiel: S235 Schweigeeignete Feinkornbausthle (DIN EN 10222-4:2001) Schweigeeignete Feinkornbausthle sind Sthle, deren Mindeststreckgrenze im Bereich 255 - 500 N/mm liegt und deren chemische Zusammensetzung im Hinblick auf die Schweieignung gewhlt ist. Durch das Stahlherstellungsverfahren wird ein besonders feines Gefge eingestellt, was eine hohe

Wichtige StahlgruppenWichtige Stahlgruppen


Stahlherstellungsverfahren wird ein besonders feines Gefge eingestellt, was eine hohe Sprdbruchunempfindlichkeit aufweist. Ein feines Gefge wird durch Zulegieren von B, Ti, Ta, Nb erzielt, hufig in Verbindung mit einem thermomechanischen Proze Beispiel: P285NH Vergtungssthle (DIN EN 10083:2003) Vergtungssthle sind Maschinenbausthle, die sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung zum Hrten eignen und im vergteten Zustand gute Zhigkeit bei gegebener Zugfestigkeit aufweisen. Beispiele: 42 CrMo 4 (1.7225), 51 CrV 4 (1.8159)

Einsatzsthle (DIN EN 10084:1998) Einsatzsthle sind Sthle mit verhltnismig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die fr Bauteile verwendet werden, deren Randschicht vor dem Hrten blicherweise aufgekohlt oder carbonitriert wird. Solche Sthle sind nach der Behandlung gekennzeichnet durch eine Randschicht mit hoher Hrte und einem zhen Kern. Beispiele: C 15 (1.0401), 16 MnCr 5 (1.7131), 20 MnCr 5 (1.2162, 1.7147), X 19 NiCrMo 4 (1.2764) Automatensthle (DIN EN 10087:1998) Automatensthle sind durch gute Zerspanbarkeit und gute Spanbrchigkeit gekennzeichnet. Dies wird im Wesentlichen durch hohe Massenanteile an Schwefel (>0,1%, in Verbindung mit Mn), ggf. gemeinsam mit

Wichtige StahlgruppenWichtige Stahlgruppen


Wesentlichen durch hohe Massenanteile an Schwefel (>0,1%, in Verbindung mit Mn), ggf. gemeinsam mit weiteren Zustzen, z.B. Pb, erzielt werden. Beispiel: 11 SMn 30; 11 SMnPb 30 Nichtrostende Sthle (DIN EN 10088:2001) Nichtrostende Sthle enthalten mindestens 10,5% Cr und hchstens 1,2% C. Sie werden nach ihren wesentlichen Eigenschaften weiterhin unterteilt in korrosionsbestndige (Chromoxidschicht), hitzbestndige (>550C; Chr-Si-Al-Oxid-Schutzschicht) und warmfeste Sthle (hohe Zeitstandfestigkeit >500C; Ausscheidungen). Nach der chemischen Zusammensetzung und dem resultierenden Gefge kann weiterhin unterscheiden in ferritische, martensitische, ausscheidungshrtende, austenitische und ferritisch-austenitische Srhle. Beispiele: X 6 Cr 17 (1.4016), X 5 CrNi 18 10 (1.4301) X 35 CrMo 17 (1.4122), X 90 CrMoV 18 (1.4112)

Werkzeugsthle sind Edelsthle, die zum Be- und Verarbeiten von Werkstoffen sowie Handhaben und Messen von Werkstcken geeignet sind. Sie weisen eine dem Verwendungszweck angepate hohe Hrte, hohen Verschleiwiderstand und Zhigkeit auf. Kaltarbeitssthle sind unlegierte oder legierte Sthle fr Verwendungszwecke, bei denen die Oberflchentemperatur im Einsatz im allgemeinen unter etwa 200C liegt. Warmarbeitssthle

Wichtige StahlgruppenWichtige StahlgruppenWerkzeugsthle (DIN EN ISO 4957:1999)Werkzeugsthle (DIN EN ISO 4957:1999)


sind legierte Sthle fr Verwendungszwecke, bei denen die Oberflchentemperatur im Einsatz im allgemeinen ber 200C liegt. Schnellarbeitssthle sind Sthle, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung die hchste Warmhrte und Anlabestndigkeit haben und deshalb bis zu hohen Temperaturen von rund 600C hauptschlich zum Zerspanen und zum Umformen einsetzbar sind.

Kunststoffformensthle

sind Sthle, welche fr die Herstellung von formgebenden Werkzeugen fr die Kunststoffverarbeitung

verwendet werden. Hierbei kann es sich um unlegierte Sthle, Einsatzsthle und Werkzeugsthle handeln.

Bezeichnung der SthleBezeichnung der Sthle

Es gibt unterschiedliche Nomenklatursysteme Das geeignete Nomenklatursystem richtet sich nach der jeweiligen Stahlgruppe Der Bezeichnung liegen grundlegende Eigenschaften zugrunde. Es wird bezeichnet nach: Der Bezeichnung liegen grundlegende Eigenschaften zugrunde. Es wird bezeichnet nach: - der chemischen Zusammensetzung - den mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) - technologischen Eigenschaften Neben den genormten Bezeichnungen erhlt jeder Werkstoff eine eigene Werkstoffnr., ber welche er gleichfalls eindeutig beschrieben ist.


Bezeichnung der Sthle (DIN EN 10027Bezeichnung der Sthle (DIN EN 10027--1:2001)1:2001)KurznamenKurznamen

Bezeichnung nach Festigkeit (z.B. allgemeine Bausthle)

Alte Benennung: St + Angabe der Mindestzugfestigkeit in kp/mm (1 kp entspricht 10 N) z.B.: St 37 = Baustahl mit einer Mindestzugfestigkeit von 37 kp/mm Neue Bezeichnungen:


Neue Bezeichnungen: Buchstabe fr Stahlgruppe + Angabe der Streckgrenze in MPa z.B.: S Sthle fr den Stahlbau S 235 (= St 37 alt) E Maschinenbausthle P Sthle fr Druckbehlter B Betonsthle L Sthle fr Leitungsrohre H kaltgewalzte Flacherzeugnisse Buchstabe fr Stahlgruppe + Angabe der Zugfestigkeit in MPa z.B.: Y Spannsthle Y1770 HT kaltgewalzte Flacherzeugnisse


Bezeichnung nach technologischen Eigenschaften

Buchstabe fr Stahlgruppe + festgelegte Mindesthrte in HB z.B.: R Sthle fr Schienen R350 Angabe der Tiefziehfhigkeit


Angabe der Tiefziehfhigkeit Flacherzeugnisse fr Kaltumformung: D + Art des Walzens (C kalt; D warmgewalzt) + 2 Ziffern zur Charakterisierung des Stahls z.B. DC04 Sondertiefziehgte


Bezeichnung nach chemischer Zusammensetzung

Unlegierte Sthle C + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 z.B.: C 45 unlegierter Stahl mit 0,45 % Kohlenstoff Niedrig legierte Sthle


Niedrig legierte Sthle Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 + chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der vorstehenden Elemente geteilt durch den entsprechenden Faktor Faktoren: Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10 Ce, N, P, S 100 B 1000 z.B.: 42CrMo4 0,42% C, 1% Cr, Zustze an Mo 40CrMnNiMo8-6-4 0,4% C, 2% Cr, 1% Ni, Zustze an Mo

Hochlegierte Sthle

X (wenn der Gehalt eines Elementes mehr als 5% betrgt) + Angabe des C-Gehaltes in Gew. % geteilt durch 100 + chem. Kurzzeichen der Legierungselemente in abnehmender Konzentration + Konzentration der vorstehenden Elemente in Gew.% z.B.: X38CrMoV5-1 0,38% C, 5% Cr, 1% Mo, Zustze an V X5CrNi18-10 0,05% C, 18% Cr, 10% Ni Schnellarbeitssthle



Schnellarbeitssthle HS (oder PM) + Konzentrationsangabe der Legierungselemente W, Mo, V, Co z.B.: HS6-5-2 6% W, 5% Mo, 2% V HS6-5-2-5 6% W, 5% Mo, 2% V, 5% Co Zustzlich enthalten Schnellarbeitssthle ca. 0,8-0,9 % C und ca. 4% Cr Sonstiges Bei allen Kurznamen wird Gu durch einvorangestelltes G und pulvermetallurgischer Stahl durch ein PM gekennzeichnet. Es knnen noch weitere Symbole zur Kennzeichnung bestimmter Eigenschaften (z.B. Erschmelzung, Umformung G) angehngt sein

X.XXXX(XX)

1. Stelle: Werkstoffhauptgruppe (1.XXXX sind Sthle) 2. und 3. Stelle: Stahlgruppennummer 4. und 5. Stelle: Zhlnr. fr die einzelnen Sthle 6. und 7. Stelle: weitere Zhlnummern (bei Bedarf) Beispiel fr Stahlgruppen 20 Cr-Sthle 35 Wlzlagersthle

Bezeichnung der Sthle (DIN EN 10027Bezeichnung der Sthle (DIN EN 10027--2:2001)2:2001)WerkstoffnummernWerkstoffnummern


20 Cr-Sthle 35 Wlzlagersthle 23 Cr-Mo, Cr-Mo-V ab50 Bausthle 24 W, Cr-W 70 Cr-haltig 27 Ni-haltig 72 Cr-Mo 32 Co-haltige Schnellarbeitsst. 85 Nitriersthle 33 Co-freie Schnellarbeitssthle Beispiele:

1.2343 ist X38CrMoV5-1 1.7225 ist 42CrMo4 Gleiche Sthle knnen je nach Verwendungsgruppe unterschiedliche Werkstoffnummern besitzen. z.B. 1.2067 und 1.3505 ist 100Cr6

Idealer / realer WerkstoffIdealer / realer Werkstoff

Eigenschaften sind unabhngig von

Geometrie

Ort

Richtung

Isotropie

Aber Werkstoffe haben

Querschnittsabhngige Eigenschaften

Unterschiedliche Eigenschaften Oberflche/Kern

Vorzugsrichtungen

Anisotropie


Anisotropie durch ErstarrungAnisotropie durch Erstarrung


Anisotropie durch ErstarrungAnisotropie durch Erstarrung


Anisotropie durch UmformungAnisotropie durch Umformung

Ferrit- Perlitzeiligkeit

Korngrenunterschiede durch

unterschiedliche Umformgrade nach

dem Rekristallisationsglhen


Quelle: TU Mnchen

Anisotropie durch VerunreinigungAnisotropie durch Verunreinigung


Nichtmetallische Einschlsse

-Oxide

-Sulfide

-Phosphorseigerungen

Metallische Gefgebestandteile

-Delta Ferrit

-Vorlegierungen

-Randentkohlung G

QQ--RichtreihenRichtreihen

DIN 50602: Mikroskopische Prfung von Edelsthlen auf nichtmetallische Einschlsse mit Bildreihen


DIN EN ISO 643: Mikrophotographische Bestimmung der scheinbaren Korngre

SEP 1520: Mikroskopische Prfung der Carbidausbildung in Sthlen mit Bildreihen


KorngrenbestimmungKorngrenbestimmungRichtreihenLinienschnittverfahren


Flchenzhl-

verfahren

StahlerzeugungStahlerzeugung


Quelle: Stahl-Informationszentrum

Ausgangsmaterial:Roheisen (Hochofen) / OxygenstahlStahlschrott / Elektrostahl

Erschmelzung im Lichtbogenofen oder Induktionsofen

SchmelzmetallurgieSchmelzmetallurgieRohstahlerzeugungRohstahlerzeugung

Erschmelzung im Lichtbogenofen oder Induktionsofen

Zulegieren der Legierungselemente(Vorlegierungen)

Abgu in Kokillen oder Stranggu


SekundrmetallurgieSekundrmetallurgie

Weitere Verbesserung der Stahlqualitt durch:

Vakuumlichtbogenofen(verzehrende und nichtverzehrende Elektrode)(verzehrende und nichtverzehrende Elektrode)

Elektroschlacke-Umschmelzen (ESU)

Verringerung des Gehalts an nichtmetallischen Verunreinigungen


VakuumVakuum--LichtbogenofenLichtbogenofen mit nicht mit nicht verzehrender Elektrodeverzehrender Elektrode

Vorteile:


Vorteile:

Niedrigste Gasgehalte

Exakte Einstellung derLegierungselemente

Geringste nichtmetallische Einschlsse

Quelle: Bhler Edelstahl

VakuumVakuum--Lichtbogenofen mit verzehrender Lichtbogenofen mit verzehrender ElektrodeElektrode

Vorteile:



Optimale Blockstruktur

niedrigste Gasgehalte

gleichmige Verteilungverbleibender Einschlsse

hohe Isotropie

ElektroschlackeElektroschlacke--UmschmelzenUmschmelzen

Vorteile:

Optimale Blockstruktur

niedrigster Schwefelgehalt



niedrigster Schwefelgehalt

hchster Reinheitsgrad (nichtmetallische Einschlsse)

hohe Isotropie

SeigerungenSeigerungen -- HerstellungHerstellung

ESU-Qualitt

Konventionell

ESU-Qualitt konventionell


Geschmiedet+geglht

Konventionell

gewalzt


MikroseigerungenMikroseigerungen -- HerstellungHerstellung

Konventionell + gewalztKonventionell + geglhtESU-Qualitt



Richtreihe Richtreihe MakroseigerungenMakroseigerungen



Richtreihe Gefge WarmarbeitsstahlRichtreihe Gefge Warmarbeitsstahl


Umformung des erschmolzenen Stahls:

Walzen (flach, rund, Profil)

Ziehen

Schmieden

Wrmebehandeln

Weiterverarbeitung des StahlsWeiterverarbeitung des Stahls


Wrmebehandeln

Glhen

Vergten

Schlen

Frsen, SchleifenPrzisionsflachstahl

Herstellung von PMHerstellung von PM--StahlStahl



PulververdsungPulververdsung

Pulververdsung mit

Gas (Stickstoff, Edelgas)

Wasser

Flssiggas


PM-StahlSchmelzmetallurgischer Stahl

MakroseigerungenMakroseigerungen



MikrogefgeMikrogefge



Gleichmigkeit der Eigenschaften (Isotropie)Keine Gefgeunterschiede ber dem QuerschnittGleichmig fein verteilte KarbideSehr gute Zhigkeitseigenschaften bei hoher HrteGeringe Richtungsabhngigkeit

Gute Bearbeitbarkeit

Vorteile der PMVorteile der PM--SthleSthle


Gute Bearbeitbarkeit

Herstellung (Design) einer optimierten ZusammensetzungenHhere Karbidanteile als durch Schmelzmetallurgie mglichLokal optimierte Zusammenstellung der Legierungskomponenten mglich

Nachteil

Kostenintensive Herstellung

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