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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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Folie 3
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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Folie 12
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
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
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
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Folie 14
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
Tauchen eines Zahnrades
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Folie 15
Typische Gefüge
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
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Folie 16
Härte in Abhängigkeit von Einschmelztemperatur und Zusammensetzung
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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
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
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Folie 18
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
Anwendung zum Löten von Hartgussverschleißelementen auf Stahlträgern
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Folie 19
Anwendung zum induktiven Fügen einer Welle-Scheibe-Verbindung
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
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Folie 20
Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
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Folie 21
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
Verschleißschutz
Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung
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Folie 22
Form
Einformen der Platte
Einbringen in das Rohr
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Verschleißschutz
Verschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung
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Folie 23
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
VerschleißschutzVerschleißbeständigen Auskleidung von Sinterwasserrohren in Warmwalzwerken bei einfacher und kostengünstiger Anwendung -Einbau zweier Segmente bei ThyssenKrupp Steel
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Folie 24
Hardpaint: Entwicklung einer neuartigen Beschichtungstechnologie zum
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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Folie 27
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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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
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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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
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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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)
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
Konventionelle Wärmebehandlung
Mit Tieftemperaturbehandlung
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Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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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Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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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Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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)
Stegerwaldstraße 3948565 Steinfurt
www.fh-muenster.de
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 39
Einfluss einer Tiefsttemperaturbehandlung auf mechanische Eigenschaften und Gefüge von Werkzeugstählen
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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