WST20 Werkstoffkunde WST105 AKAD

Als einfachste und kürzeste Definition: Vergüten = Härten mit nachfolgendem Anlassen.

Randschichthärtung: Härten, wenn es nur auf die Randschicht eines Werkstückes angewendet wird.

Einsatzhärtung: Die Randschicht wird bei einer Glühung mit C-Atomen und/oder N-Atomen angereichert, sodass sie bei nach folgender Abschreckung härtet. Der innere Kern bleibt zäh.

Nitrieren: Nach entsprechender Wärmebehandlung erhält man dünne harte Oberflächenschichten, die eine relativ gute thermische Beständigkeit haben (bis ca. 500 °C).

Randfestigkeitssteigerung beim Nitrieren: Mischkristallhärtung durch gelöste N-Atome und/oder Ausscheidung harter Nitride bzw. in Verbindung mit C-Atomen Carbonitride.

Ausscheidungshärtung/Aushärtung: Die Ausscheidung von Teilchen einer zweiten (oder dritten ...) Phase aus einem vorher durch schnelles Abkühlen aus dem homogenen Mischkristall-Gebiet übersättigten Mischkristall heraus. Diese Teilchen sollten möglichst klein und in großer Menge möglichst homogen und fein verteilt im Gefüge vorliegen. Sie behindern auf effektive Weise die Versetzungsbewegung und erhöhen so die Festigkeit.

Legierungen aus Systemen mit begrenzter Löslichkeit im festen Zustand (siehe Zustandsdiagramme), die mit ihrer chemischen Zusammensetzung genau durch ein solches „begrenztes“ Mischkristallgebiet laufen. Darüber hinaus muss die untere Phasengrenzlinie dieses Gebietes einem Verlauf der abnehmenden Löslichkeit mit sinkender Temperatur folgen.

Folgende Arbeitsschritte sind zur Aushärtung der aushärtbaren Legierungen erforderlich:

1. Lösungsglühen, 2. Abschrecken, 3. Auslagern.

Die Kohlenstoffatome führen zu einer inneren Verspannung des Kristallgitteraufbaus. Bei der Bildung des Martensits wird das Gitter, was sich nach dem thermodynamischen Gleichgewicht eigentlich entsprechend der krz Gitterstruktur zu formieren hätte, tetragonal verzerrt und dabei innerlich sehr stark verspannt. In Verbindung damit, dass diese Martensitkristallstruktur eine niedrigere Packungsdichte hat als die kfz Struktur, aus der heraus sie entstanden ist, kommt es gleichzeitig im Bereich des Martensits zu einer inneren Volumenvergrößerung, die wiederum eine innere plastische Verformung zur Folge hat. Alle Effekte zusammen genommen führen dann zu den für solche gehärteten Stähle enormen Festigkeitszunahmen.

Der Kern eines dickeren Bauteiles aus einem unlegierten Stahl erreicht nicht die zum Erreichen der vollen Martensithärte erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit. Oder etwas anders formuliert: In dickeren Bauteilen kann die Wärmemenge aus dem Kern nicht so schnell, wie für eine martensitische Umwandlung unbedingt notwendig, abgeführt werden. Die zu der vollen Martensithärte führende und mindestens zu erreichende kritische Abkühlungsgeschwindigkeit ist so definiert, dass die Abkühlungskurve im ZTU-Diagramm des betreffenden Stahles noch links vor den Umwandlungskurven verlaufen muss und keine von diesen schneiden bzw. nicht durch ein von den Umwandlungskurven umhülltes Zustandsfeld laufen darf.

Stahl ist legierungsgehaltmäßig so definiert, dass das Basiselement Eisen ist und der C-Gehalt i. d. R. unterhalb von 2 % liegt. Neben Fe und C können auch noch andere Elemente in wechselnden Gehalten zulegiert sein.

(Siehe dazu auch Tabelle 1 auf Seite 109 des Lehrbuches.)

Als unlegiert gilt ein Stahl, wenn er in keinem einzigen Fall die in der Tabelle genannten maximalen Grenzgehalte der einzelnen Elemente übersteigt. Bei den legierten Stählen wird unterschieden in niedrig- und hochlegierte Stähle.

Ein niedriglegierter Stahl liegt dann vor, wenn die in der o. g. Tabelle genannten maximalen Grenzgehalte der einzelnen Elemente in nur einem einzigen Fall überschritten werden.

Hochlegiert (vorgestelltes X) ist ein Stahl dann, wenn nur eines seiner Legierungselemente den Gehalt von 5 % übersteigt.

Diese gehören alle zu der Gruppe der unlegierten Baustähle. Dabei bedeuten die vorgestellten Buchstaben:

S = Stahl für den allgemeinen Stahlbau,

E = Maschinenbaustahl,

B = Betonstahl,

Y = Spannstahl.

S235: Stahl für den allgemeinen Stahlbau mit einer Mindeststreckgrenze von 235 N/mm2.

E295:Maschinenbaustahl mit einer Mindeststreckgrenze von 295 N/mm2.

(Siehe dazu auch den Anhang im Lehrbuch ab Seite 318.)

Die hier gefragten Zusatzbezeichnungen stellen alle eine Angabe zur Kerbschlagarbeit dar. Im Einzelnen bedeuten:

JR = Es wird eine Kerbschlagarbeit von 27 J bei einer Prüftemperatur von 20 °C garantiert.

KR = wie oben, jedoch beträgt hier die garantierte Kerbschlagarbeit Av= 40 J.

LR = wie oben, jedoch beträgt hier die garantierte Kerbschlagarbeit Av= 60 J.

41CrMo4: niedriglegierter Stahl mit 0,41 % C, 1 % Cr und kleinen, nicht weiter spezifizierten Anteilen an Mo.

X5CrNi18-10: hochlegierter Stahl mit 0,05 % C, 18 % Cr und 10 % Ni.

HS6-5-2: Hochleistungsschnellarbeitsstahl mit 6 % W, 5 % Mo und 2 % V.

Darüber hinaus haben alle Stähle dieser Gruppe ca. 1 % C und ca. 4 % Cr.

S185: unlegierter Stahl für den Stahlbau (Re= 185 N/mm2).

E360: unlegierter Maschinenbaustahl (Re= 360 N/mm2).

C45: unlegierter Fe-C Stahl (0,45 % C-Gehalt).

13CrMo4-5: niedriglegierter Stahl (0,13 % C, 1 % Cr, 0,5 % Mo).

X10CrNi18-8: hochlegierter Stahl (0,1 %C, 18 % Cr, 8 % Ni).

Zu den Bau- und Konstruktionsstählen gehören neben den einfachen Baustählen auch spezielle Baustähle wie die wetterfesten Baustähle und die höherfesten, schweißbaren Feinkornbaustähle. Darüber hinaus sind die Vergütungsstähle und Automatenstähle wichtige Vertreter dieser Gruppe. Vom Aufbau und ihrer Legierungszusammensetzung können diese Stähle sowohl unlegiert als auch niedriglegiert sein. Letzteres gilt insbesondere für die Stähle aus dieser Gruppe, an die besondere Anforderungen gestellt werden, wie z. B. eine gute Durchvergütbarkeit oder die Bearbeitung in Drehautomaten usw.

Das typische Einsatzgebiet für Vergütungsstähle sind Maschinenbauteile, die insbesondere dynamisch hoch belastet sind, wie z. B. Achsen und Wellen. Gerade hier kommen die besonderen Vorteile dieser Stähle zur Geltung wie eine gute Festigkeit bei gleichzeitig maximal möglicher

Zähigkeit. Bei Bauteilen, die einem hohen Verschleiß unterliegen und daher an bestimmten Stellen sehr hart sein müssen (Härte ist zwar nicht das einzige, so aber doch ein ganz wesentliches Kriterium für eine gute Verschleißfestigkeit), eignen sich die Vergütungsstähle nach einer spezifischen Randschichthärtung ebenfalls in hervorragender Weise (z. B. Ketten- und Zahnräder oder Nockenwellen).

Grundsätzlich besitzen Einsatzstähle im Grundzustand, also vor dem Aufkohlen, mit maximal 0,2 % C einen vergleichsweise niedrigen C-Gehalt. Dadurch sind sie sehr zäh, jedoch nicht übermäßig fest und hart. Durch das Aufkohlen wird die Randschicht bis in die gewünschte Tiefe mit Kohlenstoff auf Gehalte zwischen 0,7 und 0,9 % angereichert, was sie sehr gut härtbar macht.

Die nicht rostenden Stähle werden nach ihrer Gefügeausbildung eingeteilt, aus der auch die wesentlichen Eigenschaften resultieren. Dies sind (siehe auch Tabelle 1 auf S. 127 im Lehrbuch):

– ferritische Stähle,

– martensitische und ausscheidungshärtbare Stähle,

– austenitische Stähle,

– austenitisch-ferritische Stähle.

Kaltzähe Stähle zeichnen sich gemäß ihrer Namensgebung durch eine hohe Zähigkeit auch bei sehr tiefen Temperaturen aus. Dies wird insbesondere durch das Legieren mit Nickel erreicht. Vorzugsweise werden für solche Einsatzgebiete auch rein austenitische Stähle eingesetzt.

Je höher das Streckgrenzenverhältnis Re/Rm ist, umso kleiner ist der Unterschied zwischen der Streckgrenze und der Zugfestigkeit. Das heißt, dass der Werkstoff sehr hoch (bis fast an die Zugfestigkeit) belastet werden kann, ohne dass eine plastische Verformung einsetzt. Typische Streckgrenzenverhältnisse für Federstähle liegen bei Re/Rm> 0,9.Wichtiges Kriterium für Schrauben ist die Festigkeit. Daher ist diese auch einziger Bestandteil des Bezeichnungssystems, welches aus zwei Ziffern besteht: Die erste Ziffer entspricht 1⁄100 der Zugfestigkeit.Die zweite Ziffer gibt das 10-fache des Streckgrenzenverhältnisses (Re/RM) an.

Wichtiges Kriterium für Schrauben ist die Festigkeit. Daher ist diese auch einziger Bestandteil des Bezeichnungssystems, welches aus zwei Ziffern besteht: Die erste Ziffer entspricht 1⁄100 der Zugfestigkeit. Die zweite Ziffer gibt das 10-fache des Streckgrenzenverhältnisses (Re/RM) an.

Es gibt folgende Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe:

– Stahlguss,

– Temperguss,

– Gusseisen mit Kugel- oder Vermiculargraphit,

– Sondergusseisen,

– Hartguss,

– Gusseisen mit Lamellengraphit.

– Stahlguss hat grundsätzlich C-Gehalte < 2 %.

– Alle Stähle können gießtechnisch endabmessungsnah verarbeitet werden und werden dann als Stahlguss bezeichnet.

– Stahlguss erhält sein endgültiges Gefüge und Eigenschaften immer durch eine Wärmebehandlung.

– Das Gefüge ist in der Regel ein Vergütungsgefüge.

– Der Kohlenstoff ist im Ferrit in Lösung und/oder ist im Zementit gebunden.

GJL=Gusseisen mit lamellarer Graphitstruktur

GJS=Gusseisen mit kugeliger Graphitstruktur

GJMB=Temperguss, nicht entkohlend geglüht

GJMW=Temperguss, entkohlend geglüht

Die wichtigsten Eigenschaften des Gusseisens sind:

– sehr gute Gießbarkeit,

– niedrige Erstarrungstemperaturen,

– gute Formfüllung,

– geringes Schwindmaß.

Die Lamellen sind festigkeitstheoretisch gleichzusetzen mit scharfen inneren Kerben. Bei Belastung werden daher im direkten Umfeld der Lamellenspitzen mikroskopisch kleine und örtlich stark begrenzte Bereiche plastisch verformt. Durch die große Menge dieser Bereiche und der damit verbundenen Aufaddierung der plastischen Verformungen sind diese auch makroskopisch messbar. Dies hat wiederum messtechnisch zur Folge, dass das Spannungs-Dehnungs-Verhalten schon von Anfang an keinen linearen Verlauf zeigt und somit auch keinen elastischen Bereich besitzt.

Grundsätzlich kann bei Gusseisen mit Kugelgraphit eine Härte- und/oder Vergütungswärmebehandlung durchgeführt werden.

Die Festigkeitsangaben in den Kurznamen für Gusseisen beziehen sich auf die Mindestzugfestigkeit.

Als Vermiculargraphit wird eine Vorstufe des Kugelgraphits bezeichnet, bei der die eigentliche Form des Graphits zwar lamellenartig ist, die Lamellenspitzen jedoch stark abgerundet sind.

Meehanite-Gusseisen zeichnen sich durch ein besonders gleichmäßiges Gefüge aus, was insbesondere durch eine besonders enge Toleranzgestaltung bei den Legierungszusammensetzungen erreicht wird. Daneben sind auch spezifische „Impfbehandlungen“ der chmelze vorgesehen, um eine rein graphitische Erstarrung zu gewährleisten.

Hartguss zeichnet sich durch ein Gefüge aus, in welchem der Kohlenstoff voll in die Karbidbildung (Zementit) geflossen ist. Dies wird durch eine schnelle Erstarrung aus der flüssigen Phase erreicht. Wegen der silbrig hell schimmernden Bruchfläche solcher Gusseisen werden diese auch sehr häufig als weißes Gusseisen bezeichnet.