Werkstofftechnik für die Praxis - FH Münster · Prof. Dr. Jürgen Peterseim Dipl.-Ing. Cordula...

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Fachbereich Maschinenbau

Labor Werkstofftechnik Labor Werkstofftechnik

Labor Werkstofftechnik

Prof. Dr. Ing. Gerd Kötting

Prof. Dr. Jürgen Peterseim

Dipl.-Ing. Cordula Fuest

Dipl.-Ing Holger Albrecht

Dipl.-Ing. Gerald Beermann

2. IKFM Kolloquium

12.10.2009, Münster

Folie 1

Werkstofftechnik für die Praxis

- Klassische Werkstoffe und innovative Entwicklungen -

Die Aktivitäten des Labors Werkstofftechnik


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Folie 2

Die Aktivitäten des Labors liegen in zwei Schwerpunkten:

• Dienstleistungen auf dem Gebiet der Werkstoff- und Bauteilprüfungen, von Schadensfalluntersuchungen sowie von Auftragsarbeiten

• Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten mit öffentlichen oder privaten Auftraggebern


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Typische Fragestellungen:

• Ist der richtige Werkstoff verbaut?

• Ist der Werkstoff korrekt wärmebehandelt?

• Hat die Randschicht die notwendige Härte?

• Welche Festigkeit besitzt der Werkstoff?

• Ist die Korrosionsbeständigkeit wie gefordert?

• Hat die Zinkschicht die geforderte Dicke?

• Was ist die Ursache für einen Schadensfall?• Wie lange wird ein Bauteil unter schwingender Belastung

halten?• Erarbeitung einer optimalen Wärmebehandlung• Verbesserung der Bearbeitbarkeit• Prüfung einer Fügestelle


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Folie 4

Mechanische Prüfungen: statisch und dynamisch

Härteprüfungen Zähigkeitsbestimmung

Zur Bearbeitung solcher Fragestellungen steht eine Vielzahl spezialisierter Geräte zur Verfügung


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Folie 5

Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von Stählen, Nickel- und Aluminiumlegierungen Schichtdickenmessung

Korrosionstests Umweltsimulationsprüfungen


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Folie 6

Durchführung von Wärmebehandlungen (Härten, Vergüten, Glühen, Randschichthärten,..)


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Folie 7

Gefügedarstellung und -analyse im Lichtmikroskop

Analyse von Oberflächen im Rasterelektronenmikroskop


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Folie 8

Messung des Verschleißverhaltens (Pin-on-disk, Taber-Abraser, Strahlverschleiß)


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Folie 9

Aufbringen von Korrosions- und Verschleißschutzschichten aus metallischen und keramischen Werkstoffen durch Flammspritzen

Individuelle Schichtentwicklung und -optimierung

Beschichtung von Bauteilen, angepasst auf den jeweiligen Einsatzfall


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Folie 10

Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum Verschleißschutz


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Folie 11

• Einfaches, zweistufiges Beschichtungsverfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche

• Auftragen der Schicht durch Tauchen oder Streichen

• Mehrkomponentiger Werkstoff aus einer Ni-Basislegierunglegierung mit Binder (Email) und möglichen weiteren Komponenten

• Einschmelzen im Vakuumofen, induktiv oder mit Flamme

• Auch für Hinterschneidungen geeignet; praktisch nicht geometriegebunden

• Schichten zwischen 0,1 und ca. 5 mm realisiert

• Härten bis zu 68 HRC realisiert

Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum

Verschleißschutz


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Verschleißschutz

Mischen der Pulverkomponenten und Anrühren mit Wasser zu einem Schlicker

Auftragen des Schlickersauf das Bauteil

Einschmelzen und verbinden mit dem Bauteil


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Folie 13

Beschichten einer Platte


Verschleißschutz


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Folie 14


Verschleißschutz

Tauchen eines Zahnrades


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Folie 15

Typische Gefüge


Verschleißschutz


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Folie 16

Härte in Abhängigkeit von Einschmelztemperatur und Zusammensetzung


Verschleißschutz

600

640

680

720

760

800

840

880

920

960

1010 1030 1050 1070 1090 1110 1130

Einschmelztemperatur [°C]

Härte

[HV5

]

4 Teile Cr3C2, ST52

6 Teile Cr3C2, ST52

5 Teile Cr3C2, 1.23796 Teile Cr3C2, 1.2379


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Folie 17

Induktive Innenbeschichtung eines Rohres


Verschleißschutz


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Folie 18


Verschleißschutz

Anwendung zum Löten von Hartgussverschleißelementen auf Stahlträgern


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Folie 19

Anwendung zum induktiven Fügen einer Welle-Scheibe-Verbindung


Verschleißschutz


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Folie 20

Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung


Verschleißschutz


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Folie 21


Verschleißschutz



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Folie 22

Form

Einformen der Platte

Einbringen in das Rohr


Verschleißschutz



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Folie 23


VerschleißschutzVerschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung -Einbau zweier Segmente bei ThyssenKrupp Steel


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Folie 24


Verschleißschutz

Beispiele beschichteter Bauteile


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Folie 25

Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge

von Werkzeugstählen


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Folie 26

Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen

• Die Tiefsttemperaturbehandlung ist seit vielen Jahrzehnten bekannt als Möglichkeit zur Werkstoffbeeinflussung

• Sie wird genutzt zur Umwandlung von Restaustenit zur Gewährleistung von Maßhaltigkeit durch Abkühlung auf ca. -80 bis -120°C

• Effekte bei weiterer Abkühlung sind offensichtlich vorhanden, aber noch nicht geklärt

• Seit einigen Jahren als Dienstleistung von verschiedenen Unternehmen angeboten, z.T. mit sehr hohem Anspruch, aber völlig fehlendem Verständnis

Zur Sicherstellung einer ingenieurmäßigen Anwendung im Hinblick auf die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften metallischer Bauteile ist eine Klärung der Effekte im Sinne eines metallkundlichenVerständnisses notwendig


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Kumar 2001Werkstoff D3 ähnlich Kaltarbeitsstahl 1.2080Verschleißabtrag im Stift-Scheibe-Verfahren

0

50

100

150

200

250

300

350

0,32 0,49 0,66 0,25 0.38 0,513 0,18 0,272 0,366

Gleitgeschwindigkeit in m/s

Vers

chle

ißw

ider

stan

d

StandardwärmebehandlungTieftemperaturbehandelt

Werkstoff: D3

Belastung 20 N Belastung 30 N Belastung 50 N


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Folie 28


Singh 2003Werkstoff AISI 304LZyklen bis zum Bruch im Zug-Schwell-Versuch (R=0) an Schweißungen

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07

Zyklen bis zum Bruch

Span

nung

sam

plitu

de (M

Pa)

Herkömmliche BehandlungMit Tiefsttemperaturbehandlung


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Folie 29


Z.T abenteuerliche publizierte Erklärungsversuche:

• Innere Spannungen werden abgebaut

• Es bildet sich ein feineres Korn

• Die molekulare (!) Struktur des Metall wird verändert

• Die chaotische Molekülstruktur (!) des Metalls wird geordnet

• Kohlenstoff im Stahl wird zerstört

• Verringerung von Porosität im Werkstoff

• Die Moleküle (!) werden stärker untereinander gebunden

• Umwandlung von Restaustenit in Martensit

Große Unsicherheit; Keine Vorhersagbarkeit


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Folie 30

Härten

TTB Anlassen

Anlassen TTBAnlassen



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Folie 31

Integration der Tiefsttemperaturphase in die

Wärmebehandlungskette

Zeit

0°C

T

Härten AnlassenTTB

Variante A

Anfügen der Tiefsttemperaturphase an die

herkömmliche Wärmebehandlung

0°C

T

Zeit

Härten Anlassen TTB

Variante B



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Folie 32

Anlage zur Tiefsttemperaturbehandlung



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Folie 33

Anlasskurven verschiedener Stähle (Variante A)Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung

400

450

500

550

600

650

0 100 200 300 400 500 600

Här

te in

HV1

0

Martensitischer rostfreier Stahl Martensitischer Rostfreier Stahl

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0 100 200 300 400 500 600

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700Anlasstemperatur in °C

Här

te in

HV1

0

Kaltarbeitsstahl Kaltarbeitsstahl

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600Anlasstemperatur in °C



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Folie 34

Grundsätzliche Modifikation einer Anlasskurve durch eine Tiefsttemperaturbehandlung

A: Höhe des Sekundärhärte-maximums

B: Lage des Sekundärhärte-maximums

C: Härte bei mittleren Anlass-temperaturen

5000 600

Anlasstemperatur

Här

te

(A)

(C)

(B)


Konventionelle Wärmebehandlung

Mit Tieftemperaturbehandlung


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Folie 35


Aufnahme-Vergrößerung: 1000:1Ätzung: 3%ige HNO3Wärmebehandlung: 1100°C + TTB + 3x 540°C

Aufnahme-Vergrößerung: 1000:1Ätzung: 3%ige HNO3Wärmebehandlung: 1100°C + 3x 540°C

Gefüge eines 8%igen Chromstahls mit/ohne Tiefkühlung (Variante A)

Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung


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Herkömmliche Behandlung Mit Tiefsttemperaturbehandlung

TEM-Aufnahmen an einem 12%igen ledeburitischen ChromstahlHinweise auf eine Zunahme feinstkristalliner Ausscheidungen

(Variante A)


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Folie 37


Anstieg der Härte im mittleren Anlasstemperaturbereich in Abhängigkeit vom Mo-Gehalt

(Variante A)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Molybdän-Gehalt (%)

Här

tezu

nahm

e (H

V10)

5000 600

(C)


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Folie 38


200220240260280300320340360380400

Gehärtet Gehärtet+100°C

Gehärtet Gehärtet +100°C

Nidrige Belastung Hohe Belastung

Mas

sena

btra

g (m

g/h)

5005506006507007508008509009501000

UnbehandeltBehandelt

Verschleißabtrag im Stift-Scheibe-Versuch(Variante A)


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Folie 39


Mechanische Eigenschaften

6

8

10

12

14

16

18

Konventionell vergütet TTB 1 TTB2 TTB310000

12000

14000

16000

18000

20000

ZähigkeitHärteBiegekraft

Zähigkeit [J] Biegekraft[N] Härte [HV1]

800

750

770

790

780

760

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