Konstruktionswerkstoffe
Prüfungsvorbereitung
Prüfungsvorbereitung
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Einteilung
- Dispersionsverfestigt:durchmesser 0,01- 0,1µm (5nm), 1-15% typisch 2-3%
- Teilchenverstärkt: durchmesser > 1µm V=5-40%
- Whiskerverstärkt: 1< l>50µm 5-60%
- Faserverstärk l> 50µm 10-70%
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Beispiele
Al /Al2O3 (Faser/ Teilchen)
Al/SiC Teilchen
Al/ Stahlfasern
Cu/ C-Fasern Festigkeit geht hoch
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Vorteile
- hohe Festigkeit
- hoher E-Modul
- hohe Zähigkeit, gute Kerbschlägzähigkeit
- gute Temperaturbeständigkeit
- gute Oberflächeneigenschaften (geringer Verschleiß, geringere Sensitivität gegen Oberflächenrisse)
- hohe elektrische unf thermische Leitfähigkeit
- Ermüdungsfestigkeit steigt
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Herstellungsverfahren
Squeeze casting (Gießpressen)
- Metall wird in fserige Vorform mit kleinen Poren gegossen
- erstarrt unter Druck-> verdichten flüssiges Metall
- Vorteil: geringe Porosität, keine Hohlräume bei Verdichtung
- Nachteile: leichte Partikel schwimmen auf, evtl chem. Reaktion durch Druck, bei zu früher Ascheidung wird Rest nich gefüllt -> Lufteinschlüsse
Druckgießen: ähnlich wie Gießpressen aber komplizierter
Plasmaspritzen:
- Pulver in Plasmazone eingefüllt->schmelzen->verspritzen
Verbundgießen:
- keramisches Pulver i Metallschmelze eingerühert und gegossen
Pulvermetallurgie:
- Herstellung ODS
Verschweißen von Folien
- zw. Metallfolien werden Fasern gelegt und heißgepresset (Diffusion bonding)
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Eigenschaften der Grenzfläche
Materialien mir ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten oder alpha Einlagerungskomponete > als Alpha Matrix -> Druckspannung
Grenzfläche stellt zusätzliche Diffusionswege zur Verfügung
Korrosionsprobleme an GF
Grenzfläche kann Werkstoffeigenschaften negativ beeinflussen
bei Wärmebehandlung Vergröberung Gefüge möglich
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Auswirkungen der Größe und des Abstandes der Teilchen
Verstärkung ist um so effektiver je kleiner die Teilchen und je geringer der Abstand zw. ihnen ist
Die Bruchzähigkeit jedoch sinkt mit höherem Volumenanteil und kleinerem Teilchenabstand
Emodul steigt mit höherem Volumenanteil, sinkt mit kleineren Teilchen
MMC: Metallmatrix Verbundwerkstoffe
Anwendungen
- KFZ: Kolben für Dieselmotoren, Kardanwelle, Bremsscheiben, Gehäuse für Bordelektronik, Motorblock,
- LRF: Rotorschaufeln
- Cu mit SiC Fasern: Schiffsschrauben
- mkroelektronische Bauteile
- Superleitende Drähte für Kernsfusion
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Aufgabe Matirx und Fasern
Matrix
- Positionierung der Faser
- Schutz der Faser vor Kontaktabrieb
- Lastverteilung
Faser:
- Festigkeit
- Steifigkeit
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Herstellung
- Thermoplaste (PES, PA, Polysulfane) oder Duromere (Epoxide, Phenole)
3 Möglichkeiten zur Herstellung
- Imprägnierung: Harz wird Faservorform zugegeben -> gehärtet
- Infiltration: Flüssige Polymermasse wird in Faservorform infiltriert
- Thermoplastisches Formpressen: vorwiegend in Automobilindustrie
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Eigenschaften
für hohe Steifigkeit: Kohlefaser
für hohe Zähigkeit, Bruchfestigkeit: Aramid, Polyethylenfasern
bei Temp. Erhöhung oft Festigkeitsverlust
Vorteil: hohe Festigkeit und trotzdem leicht
bei niedrigen Temperaturen oft spröde (vorallem Duroplaste)
PMC: Verbundwerkstoffe mit Polymer Matrix
Anwendungen
Luftfahrtindustrie: Flugzeugrumpf, Flügel, Leitwerk, Innenausstattung
Raumfahrt: Raketen, Tanks, Motorblöcke
Militär: Panzerung gegen Geschosse
Automobilindustrie: Türen, Stoßstanken
Marine: Schiffkörper bei kleinen Schiffen; Motorbooten und Segeljachten
Dachbespannungen, Sonnensegel
CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Herstellung
Schlickerprozess
- Fasern durch Bad geführt, aufgerollt, getrocknet, gespült und in Lagen heißgepresst SiC/Glaskeramik
Reaktionbinden
dünne Folien aus Si und SiC Fasern werden aufeinandergelegt und heißgepresst
anschlißendes Nitridieren fürht zu Si3N4 mit 23% SiC Fasern
Imprägnieren
Fasergewebe werden imprägniert
CVI- Verfahren
teuer, beste Resultate aber langsam
typisch SiC/SiC Werkstoffe
Schmelzprozesse
flüssiges Metalll oxidiert an Oberfläche, wird aufgerissen mehr Metall oxidiert
typisches Produkt: 60% SiC, 20%Al, 20%Al2O3
CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Eigenschaften
- hohe Bruchzähigkeit durch Rissüberbrückung
- großer Vorteil Hochtemperatur beständig
- wichtig Grenzfläche und Defektdichte der Faser
CMC Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix
Anwendung
Schneidplatten
Scheibenbremsen im Flugzeug und Rennwagen (Kohlenstoffverbundwerkstoffe)
Hochtemperaturanwendungen: wärmetauscher, Turbinenschaufeln, Müllverbrennung
Aufteilung Materialien im Flugzeug
10% Stahl
50% Verbund
15% Ti
20% Al
5% andere Stoffe
Was ist Zement?
Binderphase aus organischen oder anorganischen Verbindungen
z.B CaO, SiO2, Al2O3, Sulfate
Herstellung:
- durch Brennen von Kalkstein CaCo3 mit Ton bei 1500°C
- hydrataion (Reaktionen laufen je nach Zusammensetzung unterschiedlich ab, Wasseranteil bestimmt Reaktionszeit)
ist ein Phasengemisch-> mehrere Phasen nebeneinander
Kovalente Bindungen
Eigenschaften Zement
Dichte 2 g/cm³
Bruchzähigkeit 0,3 Mpawurzelm
Poren im µm Bereich
Festigkeitssteigerung durch Kohlefaser mgl Größe beachten min µm wegen Poren
was ist Zement?
besteht aus einer Mischung von Zement, Sand, Stein
bestgenutzter Baustoff
Welche Eigenschaften hat Zement?
- spröde
- geringe Zugfestigkeit
- Dichte 2,3 g/cm³
- E-Modul 20-40 GPa
- Zugfestigkeit: 4 MPa
- Druckfestigkeit: 15- 85 MPa
- Brochzähigkeit 0,5 MPawurzelm
Grund für schwache Eigenschaften bis zu 1cm große Defekte
Wie wird Hochleistungsbeton hergestellt
Zugfestigkeit
Druckfestigkeit
- Zement zu feinem Pulver mahlen
- Wasser/Zementverhältnis 0,38
- polymere Gleitmitte helfen beim Verdichten
- Härtung erfolgt unter Druck
Zugfestigkeit bis 90MPa
Druckfestigkeit bis 85 MPa
Festigkeitskennwerte und Dichtekennwerte für Kuststoffe, Mg-, Al-, Ti- Leg., Stahl, Al2o3, Si3N4 und ZrO2
Kunststoffe: bis 100 MPa, 1-2 g/cm³
Mg-Leg: bis 300 MPa, Mg: 1,7 g/cm³
Al-Leg: bis 800 MPa, Al: 2,7g/cm³
Ti- Leg: bis 1200MPa, Ti: 4,5 g/cm³
Stahl bis 3000MPa, Fe: 8g/cm³
Al2O3: bis 500MPa, 4g/cm³
Si3N4: bis 1400MPa, 3,2 g/cm³
ZrO2: bis 1500 MPa, 6 g/cm³
K1C für Polymere Glas, Keramik, Verbund und Metalle
Polymere: 0,5-20 MPa*wurzelm
Glas: bis 1 MPa*wurzelm
Keramik: 2-10 MPa*wurzelm
Verbunde: 10- 100 MPa*wurzelm
Metalle: 5-200 MPa*wurzelm
Thermische Leitfähigkeit Lambda und lin. Ausdehnungkoeffizient alpha von Polymer, Glas, Sthal, Keramik
Polymere:Lambda 0,1-1 W/(mK), alpha = 20-500*10^-6 1/K
Glas/ Glaskeramik: Lambda 1 W/(mK), alpha = 0,5-2*10^-6 1/K
Stahl / Cu, Alu: Lambda 40 - 200 W/(mK), alpha = 20*10^-6 1/K
Keramik: Lambda 15-200 W/(mK), alpha = 2-10 *10^-6 1/K
Diamant: Lambda 800 W/(mK), alpha = gering
Welche werkstoffrelevanten Eigenschaften gibt es?
Werkstoffeigenschaften hängen vom Gefüge/bindung ect. ab
- E- Modul -> Werkstoffkennwert führt auf Steifigkeit-> kein Werkstoffkennwert
- Festigkeit
- Bruchzähigkeit
- Festigkeit in Abhängigkeit der Temperatur
- Temperaturwechselfestigkeit
- Ermüdungsverhalten
- therm, elek Leitfähigkeit
- Ausdehnungskoeffizienten
abhängig von der Werkstoffpaarung:
- Verschleißrate
- Korrosion
- Härte
E-Module von Polymer, Metall, Keramik
- Polymere: 0,1- 10 GPa
- Metalle: 20- 300 GPa Al: 70 Stahl 210
- Glas + Keramik: großer Bereich Al2O3 400GPa
- Diamant: 1000GPa
Vor und Nachteile von Eisenwerkstoffen
Vorteile:
- billiger Rohstoff -> häufiges Vorkommen
- leicht zu reduzieren, günstiger Herstellungsprozeß
- Reduktionsmittel oft gleichzeitig Legierungselement
- gut verarbeitbar
- technologisch verwertbare Phasenumwandlung
Nachteile:
- relativ schwer
- Anwendungen auf unter T=600°C begrenzt
- korr. anfällig
Herstellung von Eisen
- Hochofenverfahren (Reduktion) : Erz (Fe2O3Hämatit und Fe3O4 Magnetit, zuschläge, Koks), Schlacke CaSiO3, CaS
- Elektrostrahlverfahren , teuer, für hochqualitativen Stahl, ohne Koksbeimischung meist aus Stahlschrott, kleine Mengen
Wie Werden Eisenwerkstoffe eingeteilt?
- nach ihrer Verwendung
Baustähle, Werzeugstähle, Stähle mit besonderen phys, chem. Eigenschaften
- nach Ihrem Gefüge
- Phasen: eutektoider Stahl (Perlit), untereutektoid: (Ferrit und Perlit), übereutektoider Stahl (Perlit + Zementit)
- Gefüge: ferritisch,austenitisch, martensitisch
- nach Gütegruppen
- Massenstähle (Summe P, S <= 0,06%),
- Qualitätsstähle (Summe P, S <= 0,045%)
- Edelstähle (Summe P, S <= 0,035%)
entscheidende Auswirkung auf mech. Eigenschaften wie Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Sprödigkeit
Klassifizierung der Kohlenstoffstähle, Eigenschaften
- Baustähle
- beinhaltet C + Mn
- 70% der Weltproduktion
- meist warmgewalzt, selten normalgeglühlt, Austenitisiert durch abschrecken
- 3 Gütegruppen:
- weicheisen
- allg. Baustähle
- Stähle für spanabhebende Bearbeitung
- allgemeine Eigenschaften:
- gut zerspanbar, schweißbar bis etwa 0,22% C
- Sprödbruchneigung
- Reckalterung führt zur Versprödung
Aunwendungen: Rohrleitungen, Kesselanlagen, Schienenfahrzeuge, Schiffsbau
Merkmale Kohlenstoffstähle/ Weicheisen
Low Carbon Mild Steel
- unlegierte Stähle hoher Reinheit C <= 0,08%, Mn <= 0,04% N durch Al entfernt
- gut Korrbest., geringe Festigekeit
- Anwendungen: (Karosserie)blech, Dichtungen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ all. Baustahl
- C-Gehalt ca. 0,25%, Mn < 1,8%
- Anwendungen: Bleche, Rohre, Kaltbänder, genietete und geschraubte Konstruktionen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ ür spanabhebende Bearbeitung
- C- Gehalt <0,15%, Mn < 1,2% Sr, Pb sog. Automatenstähle
Anwendung Maschinen und Fahrzeugbau
Klassifizierung niederlegierter Feinkornstähle
(HSLA-Steels (high strength low alloy)
- gut schweißbar und formbar (einfache und günstige Verarbeitung)
- Legierungselemente: Mn, Nb, V, Ti -> Bilden feine Karbide, Nitride und Karbonitride
- wird "berhigt" vergossen (mit Al) Daumenregel 1/3 Al >= N
- meist gewalzt
Mikrolegierte Stähle: LE im Konzentrationsbereich von 1/10 - 1/100 (außer C)
- 0,2% C, Mo, B Bainitische Stähle
- 0,2% C, Mn, Cr, Mo, Ti Durchvergütet kein Festigkeitsabfall beim Schweißen
- 0,4%C Ultrafeste Sähle
< 0,12%C, Cu, Cr, P: Wetterfeste Stähle, für Pipelines und Druckkessel
Klassifizierung Hochlegierter Stähle
auch Einsatzstähle, oder vergütete Stähle
- C- Gehalt 0,1- 0,45%
-hoher Legierungsgehalt fördert die Durchhärtbarkeit
- neben der Härtbarkeit vor allem Zusammensetzung (Art, Konzentration der LE entscheidend)
Eigenschaften der Werkzeugstähle
- Schnellarbeitsstähle: 1,4-2% C
- Grenzfall zu Funktionswerkstoffen
- Verwendung als Schneidwerkstoff, Gesenke zum Schmieden
- Hochlegiert mit Karbidbildnern Cr<Mo<W<Ti<Nb<Hf
- wenn gehärtet: Primärkarbide, Sekundärkarbide, Marensit
Eigenschaften/ Merkmale Rostfreie Stähle
- "definiert" über Schaeffler- Diagramm
Cr equ.: Cr+ Mo+ 1,5Si+ 0,5Nb
Ni equ: Ni+ 30C+ 0,5 Mn
allgemein Cr: krz (alpha Eisen) , Ni: kfz (gammaEisen)
- ferritisch: 17-26% Cr bei 2% C, Mo, Nb, Ti zur Korrbest., schlechte Zähigkeit, härtbar, Anw. Messerstahl
- austenitisch: 16-25%Cr, 7-22% Ni bei 0,6%C, Mo, Ti, Nb zur korrbe, nicht härtbar, gute Zähigkeit, schlecht zu bearbeiten, gut zu schweißen, kriechfest
- martensitische Stähle: Cr <17%, C 0,1..1%, sehr hohe Festigkeit bis 2,5GPa, geringe Duktilität 1,8-2%, ferromag
Eigenschaften/Merkmale Stahlguß und Gusseisen
- gießbar, schlecht spanbar
- Materialfehler durch WB korrigiert
Anwendung: Seilrollen, Zahnräder, Ketten, Achsschenkel
- Stahlguß bis 2% C
- Gusseisen 2% bis eutek.Zsammensetzung 4,3% , meist (2,5% bis 3,8%)
- graues Gusseisen: graphit, lamellar, vermicular, globular
- weisens Gusseisen: Ledeburid, Hartguß, Walzen, beim Tempern entsteht Graphit
- graphithaltiges Gusseisen: GGL lamellar, enthält Cr, Ni, Co, Mo, Si:
GGG globular: hohe Festigkeit + Dehnung (Kurbelwellen, Motorblöcken, Laufräder)
- Temperguss: C+Si = 3,5% gute Dämpfung, Schwweißbar, zerspanbar
schwarzer Temperguss: Graphit bei 920°C -950°C 40h tempern -> Ferrit + Perlit+ Temperkohle
weißer Temperguss: wird entkohlend geglüht
Anwendung: Rohrverbindungen, Bremstrommeln, Differentialgehäuse
Eisen Kohlenstoff Diagramm
- Schmelztemperatur 1538°C
- delta umwandlung: 1394°C
- Gammaumwandlung: 911°C
- Curie- Tem 769°C
- eutektoide linie bei 723°C , max Löslichkeit alpha eisen 0,02
- eutektikale linie bei 1147°C , maximale Löslichkeit gamma eisen: 2,08
- Peritektikale linie bei 1493°C, maximale Löslichkeit delta Eisen: 0,1%
- Eutektoid: 723°C, 0,8%
- Eutektikum: 1147°C, 4,3%
- Peritektikum: 1493°C, 0,16%
Phasen und Gefüge im Fe- Fe3C Diagramm
Phasen:
- flüssig bis 1536°C
- delta-Eisen krz
- gamma-Eisen (Austenit) kfz
- alpha Eisen (Ferrit) krz
- Fe3C Zementit bis max 6,7 wt%
Gefüge:
- Perlit: Ferrit+ Zementit 12%
- Ledeburit 1: Austenit und Zementit
- Ledeburit 2: Ferrit und Zementit
Was ist Martensit bzw wie entsteht er?
Ungleichgewichtgefüge durch sehr schnelles abkühlen
Diffusionslose Umwandlung -> tetragonale Verzerrung C sitzt in tetraeder und oktaederLücken
Einheitszelle wird auseinander gezogen c wird länger und a verkürzt sich (linear)
durch Verzerrung hohe Härte
Restaustenit sorgt für Zähigkeit
je mehr C desto härter (nicht liniear!)
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Lernkarten
Festigkeitskennwerte und Dichtekennwerte für Kuststoffe, Mg-, Al-, Ti- Leg., Stahl, Al2o3, Si3N4 und ZrO2
Kunststoffe: bis 100 MPa, 1-2 g/cm³
Mg-Leg: bis 300 MPa, Mg: 1,7 g/cm³
Al-Leg: bis 800 MPa, Al: 2,7g/cm³
Ti- Leg: bis 1200MPa, Ti: 4,5 g/cm³
Stahl bis 3000MPa, Fe: 8g/cm³
Al2O3: bis 500MPa, 4g/cm³
Si3N4: bis 1400MPa, 3,2 g/cm³
ZrO2: bis 1500 MPa, 6 g/cm³
K1C für Polymere Glas, Keramik, Verbund und Metalle
Polymere: 0,5-20 MPa*wurzelm
Glas: bis 1 MPa*wurzelm
Keramik: 2-10 MPa*wurzelm
Verbunde: 10- 100 MPa*wurzelm
Metalle: 5-200 MPa*wurzelm
Thermische Leitfähigkeit Lambda und lin. Ausdehnungkoeffizient alpha von Polymer, Glas, Sthal, Keramik
Polymere:Lambda 0,1-1 W/(mK), alpha = 20-500*10^-6 1/K
Glas/ Glaskeramik: Lambda 1 W/(mK), alpha = 0,5-2*10^-6 1/K
Stahl / Cu, Alu: Lambda 40 - 200 W/(mK), alpha = 20*10^-6 1/K
Keramik: Lambda 15-200 W/(mK), alpha = 2-10 *10^-6 1/K
Diamant: Lambda 800 W/(mK), alpha = gering
Welche werkstoffrelevanten Eigenschaften gibt es?
Werkstoffeigenschaften hängen vom Gefüge/bindung ect. ab
- E- Modul -> Werkstoffkennwert führt auf Steifigkeit-> kein Werkstoffkennwert
- Festigkeit
- Bruchzähigkeit
- Festigkeit in Abhängigkeit der Temperatur
- Temperaturwechselfestigkeit
- Ermüdungsverhalten
- therm, elek Leitfähigkeit
- Ausdehnungskoeffizienten
abhängig von der Werkstoffpaarung:
- Verschleißrate
- Korrosion
- Härte
E-Module von Polymer, Metall, Keramik
- Polymere: 0,1- 10 GPa
- Metalle: 20- 300 GPa Al: 70 Stahl 210
- Glas + Keramik: großer Bereich Al2O3 400GPa
- Diamant: 1000GPa
Vor und Nachteile von Eisenwerkstoffen
Vorteile:
- billiger Rohstoff -> häufiges Vorkommen
- leicht zu reduzieren, günstiger Herstellungsprozeß
- Reduktionsmittel oft gleichzeitig Legierungselement
- gut verarbeitbar
- technologisch verwertbare Phasenumwandlung
Nachteile:
- relativ schwer
- Anwendungen auf unter T=600°C begrenzt
- korr. anfällig
Herstellung von Eisen
- Hochofenverfahren (Reduktion) : Erz (Fe2O3Hämatit und Fe3O4 Magnetit, zuschläge, Koks), Schlacke CaSiO3, CaS
- Elektrostrahlverfahren , teuer, für hochqualitativen Stahl, ohne Koksbeimischung meist aus Stahlschrott, kleine Mengen
Wie Werden Eisenwerkstoffe eingeteilt?
- nach ihrer Verwendung
Baustähle, Werzeugstähle, Stähle mit besonderen phys, chem. Eigenschaften
- nach Ihrem Gefüge
- Phasen: eutektoider Stahl (Perlit), untereutektoid: (Ferrit und Perlit), übereutektoider Stahl (Perlit + Zementit)
- Gefüge: ferritisch,austenitisch, martensitisch
- nach Gütegruppen
- Massenstähle (Summe P, S <= 0,06%),
- Qualitätsstähle (Summe P, S <= 0,045%)
- Edelstähle (Summe P, S <= 0,035%)
entscheidende Auswirkung auf mech. Eigenschaften wie Zähigkeit, Verarbeitbarkeit, Sprödigkeit
Klassifizierung der Kohlenstoffstähle, Eigenschaften
- Baustähle
- beinhaltet C + Mn
- 70% der Weltproduktion
- meist warmgewalzt, selten normalgeglühlt, Austenitisiert durch abschrecken
- 3 Gütegruppen:
- weicheisen
- allg. Baustähle
- Stähle für spanabhebende Bearbeitung
- allgemeine Eigenschaften:
- gut zerspanbar, schweißbar bis etwa 0,22% C
- Sprödbruchneigung
- Reckalterung führt zur Versprödung
Aunwendungen: Rohrleitungen, Kesselanlagen, Schienenfahrzeuge, Schiffsbau
Merkmale Kohlenstoffstähle/ Weicheisen
Low Carbon Mild Steel
- unlegierte Stähle hoher Reinheit C <= 0,08%, Mn <= 0,04% N durch Al entfernt
- gut Korrbest., geringe Festigekeit
- Anwendungen: (Karosserie)blech, Dichtungen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ all. Baustahl
- C-Gehalt ca. 0,25%, Mn < 1,8%
- Anwendungen: Bleche, Rohre, Kaltbänder, genietete und geschraubte Konstruktionen
Merkmale Kohlenstoffstähle/ ür spanabhebende Bearbeitung
- C- Gehalt <0,15%, Mn < 1,2% Sr, Pb sog. Automatenstähle
Anwendung Maschinen und Fahrzeugbau
Klassifizierung niederlegierter Feinkornstähle
(HSLA-Steels (high strength low alloy)
- gut schweißbar und formbar (einfache und günstige Verarbeitung)
- Legierungselemente: Mn, Nb, V, Ti -> Bilden feine Karbide, Nitride und Karbonitride
- wird "berhigt" vergossen (mit Al) Daumenregel 1/3 Al >= N
- meist gewalzt
Mikrolegierte Stähle: LE im Konzentrationsbereich von 1/10 - 1/100 (außer C)
- 0,2% C, Mo, B Bainitische Stähle
- 0,2% C, Mn, Cr, Mo, Ti Durchvergütet kein Festigkeitsabfall beim Schweißen
- 0,4%C Ultrafeste Sähle
< 0,12%C, Cu, Cr, P: Wetterfeste Stähle, für Pipelines und Druckkessel
Klassifizierung Hochlegierter Stähle
auch Einsatzstähle, oder vergütete Stähle
- C- Gehalt 0,1- 0,45%
-hoher Legierungsgehalt fördert die Durchhärtbarkeit
- neben der Härtbarkeit vor allem Zusammensetzung (Art, Konzentration der LE entscheidend)
Eigenschaften der Werkzeugstähle
- Schnellarbeitsstähle: 1,4-2% C
- Grenzfall zu Funktionswerkstoffen
- Verwendung als Schneidwerkstoff, Gesenke zum Schmieden
- Hochlegiert mit Karbidbildnern Cr<Mo<W<Ti<Nb<Hf
- wenn gehärtet: Primärkarbide, Sekundärkarbide, Marensit
Eigenschaften/ Merkmale Rostfreie Stähle
- "definiert" über Schaeffler- Diagramm
Cr equ.: Cr+ Mo+ 1,5Si+ 0,5Nb
Ni equ: Ni+ 30C+ 0,5 Mn
allgemein Cr: krz (alpha Eisen) , Ni: kfz (gammaEisen)
- ferritisch: 17-26% Cr bei 2% C, Mo, Nb, Ti zur Korrbest., schlechte Zähigkeit, härtbar, Anw. Messerstahl
- austenitisch: 16-25%Cr, 7-22% Ni bei 0,6%C, Mo, Ti, Nb zur korrbe, nicht härtbar, gute Zähigkeit, schlecht zu bearbeiten, gut zu schweißen, kriechfest
- martensitische Stähle: Cr <17%, C 0,1..1%, sehr hohe Festigkeit bis 2,5GPa, geringe Duktilität 1,8-2%, ferromag
Eigenschaften/Merkmale Stahlguß und Gusseisen
- gießbar, schlecht spanbar
- Materialfehler durch WB korrigiert
Anwendung: Seilrollen, Zahnräder, Ketten, Achsschenkel
- Stahlguß bis 2% C
- Gusseisen 2% bis eutek.Zsammensetzung 4,3% , meist (2,5% bis 3,8%)
- graues Gusseisen: graphit, lamellar, vermicular, globular
- weisens Gusseisen: Ledeburid, Hartguß, Walzen, beim Tempern entsteht Graphit
- graphithaltiges Gusseisen: GGL lamellar, enthält Cr, Ni, Co, Mo, Si:
GGG globular: hohe Festigkeit + Dehnung (Kurbelwellen, Motorblöcken, Laufräder)
- Temperguss: C+Si = 3,5% gute Dämpfung, Schwweißbar, zerspanbar
schwarzer Temperguss: Graphit bei 920°C -950°C 40h tempern -> Ferrit + Perlit+ Temperkohle
weißer Temperguss: wird entkohlend geglüht
Anwendung: Rohrverbindungen, Bremstrommeln, Differentialgehäuse
Eisen Kohlenstoff Diagramm
- Schmelztemperatur 1538°C
- delta umwandlung: 1394°C
- Gammaumwandlung: 911°C
- Curie- Tem 769°C
- eutektoide linie bei 723°C , max Löslichkeit alpha eisen 0,02
- eutektikale linie bei 1147°C , maximale Löslichkeit gamma eisen: 2,08
- Peritektikale linie bei 1493°C, maximale Löslichkeit delta Eisen: 0,1%
- Eutektoid: 723°C, 0,8%
- Eutektikum: 1147°C, 4,3%
- Peritektikum: 1493°C, 0,16%
Phasen und Gefüge im Fe- Fe3C Diagramm
Phasen:
- flüssig bis 1536°C
- delta-Eisen krz
- gamma-Eisen (Austenit) kfz
- alpha Eisen (Ferrit) krz
- Fe3C Zementit bis max 6,7 wt%
Gefüge:
- Perlit: Ferrit+ Zementit 12%
- Ledeburit 1: Austenit und Zementit
- Ledeburit 2: Ferrit und Zementit
Was ist Martensit bzw wie entsteht er?
Ungleichgewichtgefüge durch sehr schnelles abkühlen
Diffusionslose Umwandlung -> tetragonale Verzerrung C sitzt in tetraeder und oktaederLücken
Einheitszelle wird auseinander gezogen c wird länger und a verkürzt sich (linear)
durch Verzerrung hohe Härte
Restaustenit sorgt für Zähigkeit
je mehr C desto härter (nicht liniear!)
Einfluss des Temperns (Anlassen) auf den Martensit
- Verzerrung lässt nach Ausscheidung von Feritt + Fe3C
- je länger desto gröber wird Fe3C ausscheidung
- je länger desto duktiler und Härte sinkt (Ursachen: Phasenänderung, Vergröberung)
Welche Elemente Stabilisieren Welche Phase (Fe- Fe3C)?
- offenes Gammagebiet: Ni, Mn, Co (gamma bei RT (stabl. kfz -> Stahl austenitisch)
- ausgedehntes GammaFeld: C, N2, Cu, Zn
- geschlossenes Gammafeld (alphastab): Si, Al, Be, P, Ti, V, Mo, Cr krz
- kontrahierendes Gammafeld (lieg irgendwo dazwischen): B, Ta, Nb, Zr
Welche thermomech. Behandlungen gibt es?
- Festigkeitserhöhung durch mech. Verformung (Walzen, Versetzungen GWKG, KWKG)
liefert Grundfestigkeit (auch abhänig von Korngröße (Pall- Patch je feiner desto härter)
- Dispersionsverfestigung (Ausscheidungen feinverteilt, Versetzungsbehinderung)
- Warmwalzen bei höheren Temp. : Rekristallisierung Gefüge KWKG, GWKG
- Textur- Langgestreckte Körner-> abhängig von Gleitsystemen (in welcher Richtung einfacher verformbar)
Welche Vorteile besitzen Mikrolegierte Stähle und Welche LE werden benötigt?
Hauptbestandteile: Fe, C, Mn
0,01...0,1% Mn Gammagebiet wird geöffnet
- feinere Körner erhöhen Festigkeit
- Gefüge ferritisch, perlitisch
- alpha- gamma umwandlungstemp. verschoben bei 800°C
- z.B TRIP dank Restaustenit verformbar und TWIP Stähle (austenitisch)
kleine Mengen V erhöhen Streckgrenze
Wie können rostfreie Stähle eingeteilt werden?
Wesentliche Merkmale im Hinblick auf Zusammensetzung
nach Art der Gefüge: martensitisch, austenitisch, ferritisch, Duplex-Gefüge(aust + ferr)
meist Verwendet: 18%Cr, 8%Ni
durch Erhöhung Ni- Gehalt verbesserter Korrschutz
durch Erhöhung Cr-Gehalt verbesserte intergranulare Korrosion
typische Kennwerte: sigma = 500-600MPa aust. Martensit. höher
Cr bildet Passivschicht
Welche Oberflächenbehandlungen bei hohen Temperaturen 700- 1000°C gibt es?
- Aufkohlung: 850 - 950°C C in austenit eindiff., abschrecken-> Martensitbildung
bis 5mm Eindringtiefe mgl
möglich in verschiedenen Medien: koks, Gasatmasphäre, Salzbad
Härte nimmt über Tiefe ab
Carbonitrierung: 700-900°C unter Zugabe N2
Eindringtiefe: 1mm
Carbiddiffusion: Bildung von V, Nb und Cr Carbiden im Salzbad
Stahl 0,8 bis 1wt% C
Borierung: aus BN bei 700°C-100°C ergibt Fe2B
zb. für Pumpen und Venile
harte, reibarme OF
Welche Oberflächenbehandlungen bei niedrigen Temperaturen 500- 600°C gibt es?
- Nitridierung: durch Ammoniak
Nitridbildung mir Cr, Al, Mo, V, -> keine Verzerrung Gitter
- Coarbonitridierung: Bildung Eisenstickstoffcarbid an der OF (20-30 µm) daruner feindispersiv verteiltes Nitrid
- Abscheidung/ Diffusion: z.B Fe3SnC sehr hart, sehr gut Korrbest
- Oxidation:Fe2O3 verhinder Adhäsionsverschleiß
- Ionenimplantation: Eindringtiefe 0,5 µm, Dotierung von Elementen
Welche Bechichtungsverfahren gibt es?
- PVD- Verfahren
- Verdampfen (Al als Korrschutz)
- Glühentladung (TiN Beschichtung)
- Sputtern (MOS2 Festschmierstoff)
CVD- Prozess: reaktive Abscheidung aus Gasphase
- Vorteile: homogene Schichten, gute Prozesskontrolle, steuerbar
- Nachteile: teuer, langsam, Arbeitstemperatur ca. 900°C
- z.b Chrombeschichtung, Keramikbeschichtung TiN, Si- Behandlung
- Elektrochem. Abscheidung
Cr, Ni, Cu, Co (Metalle auf Kathode (BT) abgeschieden)
- chem. Abscheidung (reaktives Bad ohne Stromzufuhr)
- Sprühverfahren: z.b Pulver
Einteilung der Eisengusswerkstoffe
metastabile Erstarrung: stabilisiert durch: Cr, Mo, W, Ta, V, Nb, Ti
- Stahlguss C<2%, im Zementit gebunden, weiße Bruchfläche
- weißes Gusseisen C 2,4 - 4,5% in Zementit gebunden
- Hartguß
- Temperguss
- in oxidischer Atmosphäre-> weißer TG
- in neutraler Atmosphäre -> schwarzer TG
stabile Erstarrung stab. durch: Si, P, s, Al, Cu, Ni, Co, Zr
- Graues Gusseisen C: 2,5- 5%, vorwiegend Graphit/ Perlit, graue Bruchfläche
- mit Lamellengraphit
- mit Kugelgraphit geringer Zusatz von Mg
- mit Vermiculargraphit (geringe Zusätze Ti, Ca, Mg)
Sondergusseisen 1,5-3,5% hochlegiert mit Al, Si, Cr
Eigenschaften/ Merkmale Lamellengraphit GJL
- unlegiertes GJL: 2,9-4% C, 0,5-3,5% Si, 0,3-1,5% Mn, 0,02-1,2%P, 0,03- 0,2%S
- legiertes GJL: höhere Konz. Si, Mn + Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Sn, Ti, V
- Erstarrung überwiegend Stabil (Austenit+ Graphit -> aus Austenit (Ferrit+Graphit)/Perlit-> perlitisch- ferritisches Gefüge mit lamellenförmig eingelagertem Graphit
Anwendung unlegiert: Konstruktionswerkstoffe, Haushaltsmaschinen, Baumaschinenguß, Getriebegehäuse, Kupplungen, Motorblöcke, Kolben
Anwendung legiert: Pumpen, Zylinder, Motorenteile, Zylinderblöcke
- untereutektische Zusammensetzung Ausscheidung von Primärferrit -> Dentriten starken Einfluss auf Festigkeit
- Anordnung Graphitlamellen abhängig von chem. Zusammensetzung, Keimanzahl in schmelze, Abkühlgeschwindigkeit
spez. Eigenschaften: geringe Zugfestigekit, geringe Bruchdehnung, E-Modul veränderbar durch Herstellung, gute Wärmeleitfähigkeit, gue Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Dämpfung
Eigenschaften/Merkmale Kugelgraphit GJS
Zusammensetzung: 3,2- 3,8% C, 2,4- 2,8% Si, <0,5%Mn
Schmelzbehandlung zur Ausbildung der Kugelform (Zusätze durch Ce, Mg)
Gefügeausbildung abhängig von: perlitbildenden Elementen in der chem Zusammensetzung, Abkühlgeschwindigkeit
alle Gefüge enstellbar
Eigenschaften: hohe Duktilität, bei austenitischem Gefüge: gute Korrbestän., hohe Warmfestigkeit, hohe Kaltzähigkeit
Anwendung: Maschinenbau: Getriebegehäuse; Schwermaschinenbau, Energietechnik (Turbinengehäuse)
Eigenschaften /Merkmale Vermiculargraphit GGV
chem. Zusammensetzung: 3,55% C, 2,5% Si, 0,15% Mn, 0,02%P, 0,016%S
Vorraussetzung niedriges P <0,05% Mn, Si- Gehalte, Karbidstab Elemente < 0,1%
geringe Variation der chem. Zusammensetzung
Vorteile: - gegenüber GJL: höhere Festigkeit, Duktilität, -höhere Oxidationsbeständigkeit
- gegenüber GJS: bessere Temperaturwechselbeständigkeit, niedrigeres Alpha, höhere Wärmeleitfähigkeit, niedrieger E-Modul
Anwendung: Fahrzeugbau: Getriebegehäuse, Zylinderkopf; Stahlwerkskokillen, Glasformen
Merkmale/ Eigenschaften von Temperguss
- untereutektisch, metastabil erstarrende Fe- C- Si Leg. C vollständig in Zementit gebunden
- weißer TG: chem. Zusammensetzung: C 2,8- 3,4%C 0,08- 0,4% Si C+Si<= 3,8
- glühen bei ca. 1000°C in schwach oxidierender Atm.
- Randschicht Entkohlung
- Vorteil: gute Schweißbarkeit, erhöhte Bruchdehnung
- schwarzer TG: chem Zusammensetzung: C 2,4- 3% 1- 1,4% Si
- Glühen in neutraler atm. in 2 Stufen
- bei 950°C: Zementit-> Austenit +Temperkohle
- bei 700- 800°C Austenit -> Ferritt+ Temperkohle
- Gefügeausbildung Wanddicken abhängig
- Glühen in neutraler atm. in 2 Stufen
Anwendung: Kfz-Technik, Etechnik, Maschinenbau, Bauindustrie
Stahlbezeichnung für WB geeignet
Kennzeichnung unlegierter Stähle
- für WB geeignet
- Kennbuchstabe C + C-Gehalt*100 + Zusatzsymbol
- Zusatzsymbole: E... max. S-Gehalt, C...besondere Kaltumformbarkeit
- Bsp: C70U 0,7% Kohlenstoffgehalt, U = Werkzeugstahl
(nieder)legierte Stähle
- C-Gehalt*100 + chem Symbolder LE+ "codierte" Gehaltangabe
- LE geornet nach abnehmendem Gehalt, bei gleichen Gehalten nach Alphabeth
- Gehaltsangaben: Gehalte durch bindestriche getrennt
für Cr, Co, Mn, Ni, Si, W durch 4teilen
für Al, Be, Cu, Mo, Nb ect. durch 10 teilen
für Ce, N, P, S durch 100
für B durch 1000
- Bsp. 20NiCrMo13-4 0,2% C, 13/4% Ni, 4/4% Cr, Mo in geringen Konzentrationen
hochlegierte Stähle
- Kennbuchstabe X + C-Gehalt *100+ chem Symbol Le+ Gehalt LE
- Gehalte ohne Faktor gerundet, durch Bindestriche getrennt
- z.B. X5CrNiTi18-10, 0,05%C, 18% Cr, 10%Ni, Ti in geringen Mengen, X für hochlegiert
Schnellarbeitsstähle
- Kennbuchstabe HS + Gehaltsangaben wichtiger Elemente
- Gehaltsangabe in fester Reihenfolge: m%W, Mo, V, Co
- + Zusatzsymbol mgl zb. +LC für kuglige Carbide
- z.B. HS2-9-2 HS- Schnellarbeitsstahl, 2%W, 9%Mo, 2%Vanadium, kein Co!
Stahlbezeichnung nicht für WB geeignet (Wald und Wiesenstahl)
- nach phys und mech. eigenschaften
- nicht für WB vorgesehen
- allgemeine Form: Kennbuchstabe + MindestStreckgrenze (MPA) + Zusatzsymbol
- Stahlguppen: S allg. Baustahl, B Betonstahl, E Maschinenbaustahl,
. Zusatzsymbole: zb. J, K,M Kerbschlagarbeit 27/ 40/ 60J, Q.. vergütet, N...normalgeglüht
Leichtmetalle: Dichte,Schmelztemp., Emodul, Festigkeit, Besonderheit
Titan: roh = 4,5 g/cm³,Tm = 1667°C, E = 120 GPa, Rm= 240- 1400MPa, kiechbest. bis 600°C (Gut)
Alu: roh = 2,7 g/cm³, Tm = 660°C, E = 71 GPa, Rm= 70- 700MPa, kiechbest. bis 150-250°C, gut verarbeitbar, günstig
Magnesium: roh = 1,74 g/cm³,Tm = 649°C, E = 45 GPa, Rm= 100-300MPa, kiechbest. bis 150-250°C leichter und teuer als Al, korranfällig
Berylium: roh = 1,85, Tm = 1287°C sehr teuer, in Pulverform toxisch
vgl Fe/ Stahl: roh = 7,9 g/cm³, Tm = 1536°C, E = 210 GPa, Rm= 300-3000MPa, kiechbest. 400- 600°C schwer, billig
Hautanwendungsgebiete für Aluminium
- Bau- und Kostruktionswesen: Verkleidung, Däher, Rahmen
- Container- und Verpackungsindustrie: Getränkedosen, Folien, recyclebare Verpackungen
- Transportsysteme: Autos, Massentransportsysteme größtes Wachstum (Karossierie, Flugzeughaut)
Weitere Eigenschaften Aluminium
- korrbest
- hohes Reflexionsvermögen
- versprödet nicht mit sinkender Temp
gut bearbeitbar und formbar
- hohe therm + elekt. Leitfähigkeit
Herstellung Aluminium
- über Bayerverfahren: Bauxid -> brechen, mahlen->Druckbehälter mit NaOH-> filtrieren Rotschlamm (Nebenprodukt) ausfällen Aluminiumhydroxid (Na(Al(OH)4) abkühlen Kristallisierung->kalzinieren im Drehrohrofen zu Aluminiumoxid
- Elektrolyse
Wie kann eine Festigkeitssteigerung von Al erreicht werden
- Festigkeitssteigerung durch LE : Mk- Verfestigung, Ausscheidungshärtung/Alterung
- Verformung -> Kaltverfestigung
- Wärmebehandlung -> Aushärtebehandeln
