Einfluss der Legierungselemente auf Eisenlegierungen

Einfluss der Legierungselemente auf die Eigenschaften der Eisenbasislegierungen

• Eisenlegierungen machen 94% des Metallverbrauchs aus.
• Andere Metalle machen 6% des Metallverbrauchs aus.
• Der durchschnittliche Metallverbrauch pro Person und Jahr liegt bei 6,5 kg.
• Mangan: 1,2 kg/Person/Jahr
• Kupfer: 1,8 kg/Person/Jahr
• Aluminium: 3,5 kg/Person/Jahr

Themen der Vorlesung

• Grundelemente und Legierungselemente
• Verunreinigungselemente
• Einfluss der Kohlenstoff auf die Gefügestruktur
• Korngröße
• Anlasssprödigkeit
• Übergangstemperatur
• Rekristallisationstemperatur
• mechanische Eigenschaften des Ferrits
• Karbid- und Nitridbildung

Definition der Stahl und Gußeisen

• Diagramme zeigen verschiedene Phasen und ihre Zusammenhänge bei Stahl und Gußeisen.
• Die Diagramme zeigen die Schmelze, Austenit, Perlit, Ledeburit, Zementit, hipereutektoidisch, hipoeutektoidisch, hipoeutektisch, und hipereutektisch.
• Es gibt verschiedene Massenprozent für C und Fe.

Legierungselemente der Stähle

• Grundelemente: C, Mn, Si, S, P, O, N, H
• Legierungselemente: Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, Nb, usw.

Einfluss der Grundelementen

• S verursacht Rotbrüchigkeit
• P verursacht Rotbrüchigkeit
• O verursacht Gaseinschlüsse (CO2)
• N verursacht "Altern" und senkt die Kerbschlagzähigkeit KV
• H verursacht Beizsprödigkeit und Beizblasen

Einfluss des Kohlenstoffs im weichen Zustand

• Festigkeit wächst
• Verformbarkeit sinkt
• Kerbschlagarbeit sinkt über C > 0,6 %

Einfluss des Kohlenstoffs im gehärteten Zustand

• Festigkeit stark wächst
• Verformbarkeit ist praktisch 0 über 0,4 % C
• C ≥ 0,4 % für Werkzeugstähle
• Bei kleineren C-Gehalt (C<0,2 %) wächst die Zähigkeit nach dem Härten
• Stähle für Einsatzhärten

Einfluss des Vergütens

• Vergüten = Härten + Anlassen
• Die mechanische Eigenschaften können sich im breiten Bereich ändern, abhängig von der Temperatur des Anlassens.

Einfluss der Legirungselemente auf die Eigenschaften der Stahl

• Löslichkeit - Ferrit oder Austenitbilder
• Nichtgleichgewichts-Umwandlung
• Kornwachstum von Austenit
• Anlasswiederstand
• Anlasssprödigkeit
• Übergangstemperatur
• Rekristallisationstemperatur

Legierungselemente sind im Stahl löslich?

• Keine Löslichkeit der Legierungselemente (S, As, Pb usw.) wird als Einschluss geführt.
• Legierungselement ist löslich in Ferrit: Cr, Al, Si, W, Mo, V, Ti
• Löslich in Austenit: Ni, Mn, C, N, Cu

Löslichkeit der Elemente im Eisen

• Nicht lösliche Atome sind in einem Periodentafel-Diagramm aufgeführt.

Beeinflussung des γ-Gebietes durch Legierungselemente

• Erweiterung des Austenit-Gebietes: Elemente Ni, Mn, Co usw.
• Einengung des Austenit-Gebietes: Elemente Be, Al, Ti usw.

Einfluss der Kohlenstoffs auf das Gefüge

• Die Diagramme zeigen die Eigenschaften von Ferrit- und Austenitbildenden Elementen.
• C-Einflüsse im weichen und gehärteten Zustand.

Änderung der Umwandlungstemperatur

• Legierungselemente verändern die Ms und M-Temperaturen.
• Die C-Kurven verschieben sich nach rechts und unten.
• Einhärtbarkeit wird verändert.

Ermittlung der Einhärtbarkeit/Durchhättbarkeit von Stählen

• Die Vergütung ist der wichtigste Technologieschritt zur Gewährleistung der Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der Vergütungsstähle und Werkzeugstähle.
• Das zu vergütende Werkstück muss die Kriterien zur Vergütung erfüllen.

Relevanz des einhärtbare Durchmessers

• Wärmebehandlungen sind wichtig für die Tiefe und den Durchmesser des Stahls.

Kriterien zur Vergütung der Stähle

• Erhitzen über die Austenitisierungstemperatur (A3 + 20 bis 50°C)
• Austenitisierung im ganzen Durchmesser
• Schnelleres Abkühlen als die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit
• Praktische Bedingung des Härtens, C ≥ 0,2%

Einflussfaktoren auf die Eigenschaften der Stähle

• Chemische Zusammensetzung (C, Mn, Si, S, P, O, N, H)
• Legierungselemente (Cr, Ni, Mo, usw.)
• Wärmebehandlungszustand

Definition des einhärtbare Durchmessers

• Der einhärtbare Durchmesser ist der Durchmesser, bei dem das Innere des Werkstücks mit der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit abkühlt.
• Abhängig von der chemischen Zusammensetzung, dem Abkühlungsmedium, der Korngröße und der gewünschten Martensitmenge.

Berechnung des einhärtbare Durchmessers

• Formel von Grossmann.
• Konstanten für die Berechnung und deren Verwendung.

Ideale und reale einhärtbare Durchmesser bei verschiedenen Kühlmedien

• Diagramme zeigen die Beziehung zwischen dem einhärtbare Durchmesser und dem Kühlmedium.

Messung des einhärtbare Durchmessers

• Jominy-Probe: gebräuchliche Methode für die Messung des einhärtbaren Durchmessers.

Genormte Probengeometrie

• Spezifikationen und Dimensionen der Proben.

Austenitisierung

• Genormte Temperatur (Minuten).

Genormte Abkühlungsbedingungen

• Details der Abkühlmethode.

Härtemessung

• Verfahren zur Messung der Härte.

Härteverteilung

• Darstellung der Härteverteilung in Diagrammen mit Entfernungen.

Annähernde Auswertung

• Diagramme zeigen den einhärtbare Durchmesser in Abhängigkeit von der Entfernung.

Auswertung nach Norm

• Ergebnisse in Diagrammen, welche z.B. Oberfläche, Radiusabstand, Mittelpunkt darstellen.

Auswertung nach ASM Handbook

• Ergebnisse als Diagramme.

Weitere Verwendung der Stirnprüfung

• Überprüfung von Grundmaterialien
• Bestimmung von Härtebereichen

Auswertung mit Härtetrajektorien, für Wasserkühlung

• Diagrammbeschreibung für Wasserkühlung.

Auswertung mit Härtetrajektorien, für Ölkühlung

• Diagrammbeschreibung für Ölkühlung

Einfluss der Wärmebehandlung auf das Gefüge

• Diagramme zeigen die Abhängigkeit von Temperatur von C 45 Stahl.

Ideal und reale einhärtbare Durchmesser bei verschiedenen Kühlmedien

• Diagramme zeigen die Beziehung zwischen idealem und realem Durchmesser bei unterschiedlichen Kühlmedien.

Definition und Berechnungen der einhärtbaren Durchmesser

• Definition und Formel.

Nach der Desoxidierung

• Unberuhigt und beruhigter Stahl
• Besonderheiten bei Stahlsorten.

Gruppierung der Stähle

• Nach Qualitätsgruppen
• Nach der Herstellung (Konverterstahl, L-D Stähle, usw.)
• Nach Desoxidierung (Unberuhigt / Beruhigter Stahl).

Gefüge nach Wärmebehandlung

• Gleichgewichtsgefüge (Ferrit, Perlit, Zementit)
• Nicht-Gleichgewichtsgefüge (Zwischenstufe, Martensit, Sferoidit)

Gleichgewichtsgefüge

• Graphisches Darstellung und Beschreibungen.

Nicht Gleichgewichtsgefüge

• Graphisches Darstellung und Beschreibungen.

Gruppierung der Stähle

• Nach Anwendung (Baustähle, Werkzeugstähle, usw.)

Stahlbezeichnungen

• Normierte Bezeichnungen von Stahl.
• Werkstoffnummern

Stahl-Kurznamen – physikalische Eigenschaften

• Anwendungsgebiet und Besonderheiten.

Legierungselemente Stahlsorten

• Zusammenfassung der Legierungselemente in Stahlsorten.