Prüfungsvorbereitung Wärmebehandlung

- volumenerfassend: Erwärmung in Öfen; durch direkten Stromdurchgang

- oberflächenerfassend: erwärmen durch direkte Einwirkung einer Gasflamme;Indukionserwärmung; Laserstrahlerwärmung

Intensität der Wärmeübertragung: steigt von Laser zu Ofen

Tiefe der Wärmeübertragung fällt von Ofen zu Laser

Wärmestrahlung: Warmeabgabe durch Wärmequelle in Form von elek.mag. Wellen

Konvektion: Wärmeübertragung durch Umgebungsmedium zur Erwärmung der Probenoberfläche

Wärmeleitung: Warmeübertragung innerhalb des Werkstoffes zum Ausgleich von Temperaturunterschieden zw. Rand und Kern.

- je höher der Kohlenstoffgehalt desto langsamer muss erwärmt werden, desto mehr Haltestufen müssen eingebaut werden.

Je schneller desto stärker die Verspannung und Beanspruchung im Bauteil

- langsame Abkühlungen: geregelte Ofenabkühlung, spontane ungeregelte Ofenabkühlung, an ruhender Luft, Pressluft, (gleichgewichtsnahe Abkühlung)

- mittlere Abkühlgeschw. : Abkühlen in temperierte Salzschmelze, Härteöl

- schnelle Abkühlung: Wasser, Salzlösung (nicht gleichgewichtsnahe Abkühlung)

3. Phasen der Abkühlung in Flüssigkeiten:

- Dampfhautphase:langsames Abkühlen durch isolierende Dampfhaut, bis Leidenfrosttemperatur → Dampfhaut bricht zusammen

- Kochphase: schnelle Wärmeabfuhr durch Verdampfung, (höchste Abkühlgeschw) , bis Siedetemp. Abkühlmedium

- Konvektionsphase: langsame Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung

- therm. Schwingungen der Gitterbausteine nehmen ab

- Material kontrahiert

- Anzahl Leerstellen sinkt

- Diffusion nur bei T > 0,4 Ts

- Stahl: diffusionsgesteuerte oder diffusionslose Phasenumwandlungen

Hubbalkenofen

Dreherdofen

Durchstoßofen

Banddurchlaufofen

Kammerofen

Herdwagenofen

Schachtofen

Hängeofen

Haubenofen

- Oxidation, Entkohlung, Aufkohlung

- Beeinträchtigung der OF- Qualität, Verschleiß von Öfen/Werkzeugen, erhöhte Kosten durch Nacharbeit und Werkstoffverlust

- Vermeidung durch : Erzeugung Vakuum oder Austausch von Luft gegen reaktionsträge Atmosphäre

Reaktionsgas: gezielter Stoffaustausch mit der Umgebung (z.B. Aufkohlung)

Schutz-/ Spühlgas: Stoffaustauch wird verhindert

- Reaktionsverhalten gegenüber O2, C, N2, S:  inerte, reduzierende oder neutrale Schutzgase

- Herstellungsart, Art der Aufbereitung: Mono-, Exo-, Endo-, Spalt-, Reformiergase

- inertes Schutzgas: keine oder vernachlässigbare Reaktion mit der Werkstoffoberfläche, insbesondere von Oxidationen

- echt inert: Edelgase: Helium, Argon

- reiner Stickstoff: Problem: nie vollständig ohne O₂→nicht geeignet für oxidationsfreies Glühen

- reaktionsträge Monogase: Gasgemisch aus (CO), H₂ und N₂

- reduzierende Schutzgase:

- CO und H2 oder Gasgemische wirken reduzierend

- Reaktion der Metalloxide auf der Werkstoffoberfläche

- neutrales Schutzgas:

- kein Kohlenstoffaustausch zw. Medium und Werkstoff- OF

- Gas oder Gasgemische wirken weder ent- noch aufkohlend

-"niedrig schmelzend" (ca. 300°C): Natriumnitrit, Natriumnitrat, Kaliumnitrat

- "hoch schmelzend" ca. 800°C: Kalziumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumchlorid, Natriumkarbonat, Kaliumkarbonat am höchsten Bariumchlorid (960°C)

- Natriumcyanid, Kaliumcyanid ca. 600°C (meist für Nitrieren und Carbonitrieren und Einsatzhärten)

Anlassen (eher Kombinationen aus niedrig schmelzendem Bereich)

Glühen (Kombinationen aus niedrig bzw. höher schmelzendem Bereich)

Härten (Warmarbeitsstähle: NaCl; Schnellarbeitsstähle: BaCl₄)

Stirnabschreckversuch

(Vorgang: grob gesagt: Metall erwärmen, mit Wasser von der Stirn her abschrecken, Härte von der Stirn in bestimmten Abständen messen. ⇒ Auftragung: Härte über Randabstand)

Aufhärten: max. mögliche Härte an der Stirnfläche, vom Kohlenstoffgehalt abhängig, geringer Anteil an Legierungselementen, steiler Abfall über dem Randabstand

Einhärten: Entwicklung der Härte gleichmäßig über dem Rand, wird über Legierungselemente/- anteil eingestellt.

Werkstoffanforderungen sind komplex. Kombination  der Eigenschaften: zäher Kern aber harte, verschleißfeste Oberfläche

Randschichthärten

Thermochemische Behandlung

Stahl muss härtbar sein d.h. C-Gehalt >0,2%

Flammhärten,

Induktionserwärmung,

Lasererwärmung,

Elektronenstrahlerwärmung

- Austenitisieren:  mit Gasbrenner → Eindringtiefe 1,5- 15mm

- Abschrecken: Wasser, Luft (möglichst kein Öl)→ nachfolgend Tiefkühlen mgl.

- Anlassen: 180°C bis 200°C  im Ofen

- Austenitisieren: mag. Wechselfeld erzeugt Wirbelströme an der BT- OF; → Einhärttiefe: 0,05- 8mm; Frequenzabhängig: mit niedriger Frequenz hohe Eht, mit hoher Frequenz niedrige Eht

- Abschrecken: Wasser, Luft, Öl, auch Selbstabschreckung wenn D> 10*Eht ; nachfolgend Tiefkühlen mgl.

- Anlassen 180°C- 200°C im Ofen

- Austenitisieren: mit Laserstrahl → Einwirktiefe: 1-100nm durch Wärmeleitung Austenitisierung in tiefere Zonen. → Einhärttiefe: 0,01- 2mm

-Abschrecken: Selbstabschreckung, exrem schnelles Abkühlen→ Martensitbildung bei niedrigen C-Gehalt

- Anlassen: keine Angaben

-Austenitisierung: mit fokusiertem, energiereichem Elektronenstrahl→ Einwirktiefe: 0,01-0,05mm→Einhärttiefe:0,01-2mm durch Wärmeleitung  Problem: Begrenzte Abmessung, da Behandlung im Vakkum

- Abschrecken: Selbstabschreckung, extrem schnelles Abkühlen → Martensitbildung bei geringen C-Gehalt

- Anlassen: keine Angaben

- Stoffaustausch zw. Medium und BT- Oberfläche

- WB in reaktiver Atmosphäre

- Diffusion von LE in die Werkstoffoberfläche → Gefügeänderung

- Veränderung der Oberflächenzusammensetzung

- Veränderung der Oberflächeneigenschaften

- Härte, Festigkeit, Verschleißfestigkeit nimmt an OF zu

- Beständigkeit gegen aggresive Flüssigkeiten im RT- Bereich nimmt zu

- Zunderbeständigkeit steigt

- Eigenschaftskombination innerhalb des gesamten Bauteils:  harte OF jedoch zäher Kern → schlagempfindlichkeit vermindert, (Schwing-)Dauerfestigkeit wird erhöht

- homogene MK-Schicht

- Mk-schicht kombiniert mit Ausscheidungen darunter ungestörtes Material

-Verbindungsschicht+ homogene Mk-Schicht darunter ungestörtes Material

- Verbindungsschicht+ Mk-Schicht kombiniert mit Ausscheidungen darunter ungestörtes Material

1. Freisetzen von Atomen des schichtbildenden Elementes

2. Adsorption der Atome an die Oberfläcje

3. Diffusion der Atome in die OF

4. Diffusion der Atome von der Oberfläche in Richtung Kern

5. Aufbau von Verbindungs- und Diffusionsschicht

- dabei dringen schichtbildende Elemente in Richtung Kern, LE mit begrenzter Löslichkeit in die Verbindungsschicht

- LE aus Substrat mit großer Affinität zum schichtbildenden Element und mit Reaktionsmedium reagierende Elemente dringen vom Kern zur Oberfläche

(dn/dt)= -A*D(dc/dx)

D...Diffusionskoeffizient,  x...Weg, n...Stoffmenge, A....Konstante?, c...Konzentration

D=D₀*exp(-Q/RT)

(dc/dt)= D*(d²c/dx²)

x²= konstante *t

x²_m≈D*t

- konturtreue harte und verschleißfeste Randschicht bei komplex gestalteten Bauteilen

- fester, zäher Werkstoff →feinkörniges Gefüge

- geeignet für den Einsatzbei schlag- u. stoßartigen Beanspruchungen

Beim Einsatzhärten wird die harte Randschicht durch zusätzlichen Aufbringen von Kohlenstoff von außen erzeugt.

beim Randschichthärten wird eine gewisse Einhärttiefe durch Austenitisieren erreicht.

- Verwendung kohlenstoffarmer unlegiertero legierter Stähle sog. Einsatzstähle

-Arbeitschritte: Aufkohlen: Einsatzhärten → C; Carbonitrieren→ C+N2

                          Härten

                          Anlassen: bei 150°C- 250°C