Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe ... Eutektoid 19. Mai 2016 17 Abkühlung: T = TE Þ S...

Die Wärmebehandlung metallischer WerkstoffeZustandsschaubild Fe-Fe3CMichaela Sommer, M.Sc.

HKR – Seminar Grundlagen, Abläufe und Kriterien bei der Wärmebehandlung von MetallenHagen, 19.05.2016

© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH

► Daten & Fakten§ Gründung: 01.07.2013§ Mitarbeiteranzahl: 14§ Umsatzplan 2015: ~ 510T Eur§ Umsatzplan 2016: ~ 700T Eur§ Gesellschaftssitz: Lüdenscheid§ Gesellschafter der KIMW-F ist die Trägergesellschaft e.V. mit über

250 aktiven Mitgliedern aus Europa

Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH

Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 2

► Organigramm

Technischer BeiratKuratorium

Trägergesellschaft e.V.

gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH

19. Mai 2016


Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH

3

► Maschinenhersteller

► Rohstoffhersteller

► Werkzeug- und Formenbauer

► Peripheriegeräte, Automatisierung

► Alle Branchen: Automobilindustrie, Elektroindustrie, Leuchtenindustrie, Medizintechnik, …..

► Universitäten, Fachhochschulen, Institute, Cluster, …

sind in der Trägergesellschaft vertreten

Trägergesellschaft e.V.250 Unternehmen, 100%

Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai 2016


Technologie-Roadmap KIMW-F

► Definition der Forschungsbereiche

derzeitige Forschungsbereiche

Prozessentwicklung und Werkzeugtechnik

Oberflächen- und Beschichtungstechnik

Definition:Entwicklung von

Beschichtungsprozessen und Beschichtungen mit

dem Schwerpunkt in der CVD-Technik und teilweise kombiniert mit der PVD-

Technik

Definition:Neu- und

Weiterentwicklung von Kunststoffver-

arbeitungsprozessen und zugehöriger Werkzeuge

4Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai 2016



► Zusammenführung der Ergebnisse






Aktuelle Forschungsthemen KIMW-F

-Schichtentwicklung-Anlagen- und Prozessdesign

-Schichterzeugung -Prüfung der Schichteigenschaften

-Beschichten von Werkzeugeinsätzen

- - Prüfung der erreichten Eigenschaften

► Beispiel: Prozess- und Schichtentwicklung



Inhaltsverzeichnis

Zustandsschaubild Fe-Fe3C 19. Mai 2016 8

Einführung

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (Fe-Fe3C-Diagramm)

► Begriffe (Ferrit, Austenit, Fe3C, Perlit, Ledeburit)

► Begriffe (Eutektoid, Eutektikum)

► Gefügeausbildung (Gleichgewichtsgefüge)

Zusammenfassung


Einführung

9

Beachte: Zunächst „reines“ Eisen

19. Mai 2016Zustandsschaubild Fe-Fe3C


Einführung

1019. Mai 2016Zustandsschaubild Fe-Fe3C


Gesamtdiagramm

19. Mai 2016 11

T

1536

[°C]

1147

911

723

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

GussStahl

L S

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ S+Fe3C

α+γ

Zustandsschaubild Fe-Fe3C


Ferrit, Austenit

19. Mai 2016 12

α-Eisen (krz) + Kohlenstoff (C) = Ferrit (krz)

Ferrit

γ-Eisen (kfz) + Kohlenstoff (C) = Austenit (kfz)

Austenit

(0,02 % C)

(2,06 % C)



Ferrit, Austenit

19. Mai 2016 13

Lage der Kohlenstoff (C) – Zwischengitterplätze im Eisen-Gitter

Ferrit (krz)

α: 0,02 % C

γ: 2,06 % C

z = 0,04 nm z = 0,11 nm

z

Austenit (kfz)

z


© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 19. Mai 2016 14

γ

T[°C]

0,02 0,8 2,06 % C

α α + Fe3C

γ + Fe3C

S + γ

α+γ

Begriffe: α-Eisen + C γ-Eisen + C

FerritAustenit

Löslichkeitslinien

T Löslichkeit für Fremdatome

Ursache:Gitterschwingung Platzangebot

1147

723

Fe3CII :Ausscheidung aus dem Austenit

Fe3CIII : Ausscheidung aus dem Ferrit

Ferrit, Austenit



Zementit

gelöstes Kohlenstoffatom

Raumgitter (Karbid; Fe3C)

Ferrit + Perlit

F3C

Ferrit

Perlit

hohe Härte (800 HV10)à nicht umformbar



Eutektikum, Eutektoid

19. Mai 2016 16

T

1536

[°C]

1147

911

723

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

GussStahl

L S

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ S+Fe3C

Eutektikum

E

Eutektoid

eα+γ




19. Mai 2016 17

Abkühlung: T = TE ⇒ S → Fe3C + γ-MK weiß = Fe3C

schwarz = γ-MK

Abkühlung: T = Te ⇒ γ → Fe3C + α-MK

Ledeburit

Perlit

Perlit

Ferrit Fe3C

Fe3C

Ferrit

Eutektische Reaktion:

Eutektoide Reaktion:




19. Mai 2016 18

T

1536°

[°C]

1147°

911°

723°

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ S+Fe3C

α+γ

2 1

untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch

GussStahl

L S

Eutektikum

E

Eutektoid

e



Gefügeausbildung

19. Mai 2016 19

T

1536°

[°C]

1147°

911°

723°

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ S+Fe3C

α+γ

Abkühlung: Bildung von Fe3C (aus der Schmelze „primär“)

übereutektisch

1

E

E: S à Fe3C + γ-MK

6,67 % C 2,06 % C

Ledeburit

Schmelze verarmt an C (4,3 %)



Gefügeausbildung

19. Mai 2016 20

T

1536°

[°C]

1147°

911°

723°

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

S+Fe3C

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ

α+γ

Abkühlung: Bildung von (aus der Schmelze „primär“)γ-MK

2

untereutektisch

E: S à Fe3C + γ-MK

6,67 % C 2,06 % C

Ledeburit

Schmelze reichert sich mit C (4,3 %) an

E



Gefügeausbildung

19. Mai 2016 21

T

1536°

[°C]

1147°

911°

723°

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ S+Fe3C

α+γ

2

untereutektisch

E

T < TE Austenit verarmt an C (0,8 % )T = Te γ à Perlit

γ-MK à Perlit



Gefügeausbildung

19. Mai 2016 22

T

1536

[°C]

1147

911

723

0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67

S

γ-MK

α-MKα-MK + Fe3C

γ-MK + Fe3C

S + γ S+Fe3C

α+γ

GussStahl

L S

2

34

1

untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch

Eutektoid

Eutektikum



Gefügeausbildung

19. Mai 2016 23

Abkühlung: T = Te ⇒ γ (0,8 %C) → α (0,02%C) + Fe3C (6,67%C)

⇒ „eutektoide“ Umwandlung

γ

T

0,02 0,8 2,06 % C

α α + Fe3C

γ + Fe3C

S + γ

α+γ

Perlit

Ferrit Fe3C

1

untereutektoid übereutektoid

T C-Löslichkeit in α-MKFe3CIII-Bildung („Tertiärzementit“)

1147

723



Gefügeausbildung

19. Mai 2016 24

T

0,02 0,8 2,06 % C

α α + Fe3C

γ + Fe3C

S + γ

α+γ

γ 2

Abkühlung: T = TLÖ(C in γ) ⇒ Fe3C-Bildung an Korngrenzen (Keimbildungsgründe)

⇒ Austenit verarmt an C (0,8%)⇒ eutektoide Umwandlung

PerlitSekundärzementit (Fe3CII)

KG

(Schalenzementit)

untereutektoid übereutektoidT Fe3CIII-Bildung

1147

723


© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH Januar 2016Vorstellung KIMW-F 25

Gefügeausbildung

T

0,02 0,8 2,06 % C

α α + Fe3C

γ + Fe3C

S + γ

α+γ

γ3

Abkühlung: T = TU ⇒ γ → α ⇒ γ reichert sich mit C (C → 0,8%) an

TU

T = Te ⇒ eutektoide Umwandl. (γ → α+Fe3C)

Ferrit

Perlit

untereutektoid übereutektoidT Fe3CIII-Bildung

1147

723


Gefügeausbildung

T

0,02 0,8 2,06 % C

α α + Fe3C

γ + Fe3C

S + γ

α+γ

γ

Abkühlung: T = TU ⇒ γ → α

⇒ Tertiärzementitbildung

(an KG; Keimbildungsgründe)

4

untereutektoid übereutektoid

T Fe3CIII-Bildung

1147

723



Zusammenfassung (Stahlecke)

19. Mai 2016 27

Austenit

T

0,02 0,8 2,06 % C

Perlit + Fe3CII

Austenit + Fe3CII

S + Austenit

Ferrit+AustenitFerrit

Fe-Fe3C-Diagramm ⇒ Gefügeausbildung = f (T, C-Gehalt) (Gleichgewicht)

Ferrit + Perlit

Perli

t



Zusammenfassung (Stahlgefüge)

19. Mai 2016 28

untereutektoid

Fe3CIII

Ferrit

C = 0,02%

Ferrit

Perlit0,02% < C < 0,8%

eutektoid

C = 0,8%Ferrit

PerlitFe3C

übereutektoid

Fe3CII

Perlit

0,8% < C ≤ 2,06%



Zusammenfassung (Stahlecke)

19. Mai 2016 29

Austenit

T

0,02 0,8 2,06 % C

S + γ

Ferrit+AustenitFerrit

Fe-Fe3C-Diagramm ⇒ Gefügeausbildung = f (T, C-Gehalt) (Gleichgewicht)

Ferrit + Perlit

Perli

tAustenit + Fe3CII

Perlit + Fe3CII

Bsp.: DC06

Bsp.: S235 / C40

Bsp.: C80 Bsp.: C100



Zusammenfassung (Begriffe)

19. Mai 2016 30

Phase / Phasengemisch Aufbau Eigenschaften

γ-MK (Austenit) kfzmax. 2,06 % C (T = 1147°C)

weich, sehr zäh, sehr gut umformbar

α-MK (Ferrit) krzmax. 0,02 % C (T = 723°C)

weich, zäh, gut umformbar

Fe3C (Zementit)Fe3CI = Ausscheidung aus SchmelzeFe3CII = Ausscheidung aus AustenitFe3CIII = Ausscheidung aus Ferrit

rhomboedrisches Gitter6,67 % C

sehr hart, sehr spröde,nicht umformbar

Perlit(Eutektoid, feines Gemisch aus Ferrit und Zementit)

ca. 88 % Ferrit + 12 % Zementit

Lamellenstruktur

hart, spröde, feinkörniges Gefüge

Ledeburit(Eutektikum, feines Gemisch aus Perlit und Zementit)

ca. 50 % Perlit + 50% Zementit

Lamellenstruktur

sehr hart, sehr spröde, feinkörniges Gefüge



Zusammenfassung (Eigenschaften)

19. Mai 2016 31

C = 0 % C = 0,15 % C = 0,30 %

Ferrit Perlit (α + Fe3C)

% C

Beachte: Fe3C (Karbid ist hart!)⇒ HärtePerlit > HärteFerrit (Umformbarkeit)



Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:Michaela Sommer, M.Sc.Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbHMathildenstr. 22, 58507 LüdenscheidTel.: +49 (0) 23 51.6 79 99-14E-Mail: [email protected]: www.kunststoff-institut.de


mailto:[email protected]

www.kunststoff-institut.de

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