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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.1 Allgemeines
8.7.2 Wärmebehandeln von Eisenwerkstoffen
8.7.3 Wärmebehandeln von Nichteisenmetallen
8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln
Institut für Werkzeugmaschinenund FabrikbetriebProf. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Technische UniversitätBerlin
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.1 Grundlagen
- Was ist Wärmebehandeln? ...nach DIN 17014
- Eingliederung in die DIN 8580
Temperaturbereiche wichtiger- Temperaturbereiche wichtiger Wärmebehandlungsverfahren
Institut für Werkzeugmaschinenund FabrikbetriebProf. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Eingliederung in die DIN 8580
Fertigungsverfahren
g ede u g d e 8580
g g
Beschichten Stoffeigenschaftsändern
rmen
es
hren
urch
Um
for
beha
ndel
n
echa
nisc
hean
deln
, Bre
nnen
etis
iere
n
trahl
en
sche
Ver
fah
erfe
stig
en d
u
Wär
meb
Ther
mom
eB
eha
Sin
tern
,
Mag
ne
Bes
t
hoto
chem
is
Ve P
Quelle: [DIN 8580]
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Eingliederung in die DIN 8580
Wä b h d l
g ede u g d e 8580
Verfestigen Thermo-h i h Sintern und M ti iWärmebehandelng
durch Umformen mechanisches Behandeln Brennen Magentisieren ...
deln
rn s
ühen
ärte
n
hes
Um
wan
/ A
usla
ger
rgüt
en
kühl
en
chem
isch
esan
deln
shär
ten
Gl Hä
soth
erm
isch
Anl
asse
n
Ver
Tief
Ther
moc
Beh
a
Aus
Quelle: [DIN 8580]
Is
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Was ist Wärmebehandeln? ...nach DIN 17014
WärmebehandelnEin Werkstück wird ganz oder teilweise Temperatur-Zeit-Folgen
as st ä ebe a de ac 0
Ein Werkstück wird ganz oder teilweise Temperatur Zeit Folgen und gegebenenfalls zusätzlich anderen physikalischen und/oder chemischen Einwirkungen ausgesetzt, um ihm Eigenschaften zu verleihen, die es für seine Weiterverarbeitung oder Verwendung geeignet machen.
Gebrauchs- und Verarbeitungs-eigenschaften
Gebrauchs- und Verarbeitungs-eigenschaften
VerfahrenVerfahrenVeränderung von
Werkstoff-eigenschaften
Veränderung von Werkstoff-
eigenschaftenz. B.DiffusionsglühenSpannungsarmglühenHärten
z. B.HärteZugfestigkeitDehngrenze
z. B.ZerspanbarkeitUmformbarkeitDauerfestigkeit
Quelle: [DIN 17014]
VergütenNitrieren...
BruchdehnungEigenspannungen...
Verschleißbeständigkeit...
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Temperaturbereiche wichtiger Wärmebehandlungsverfahrene pe atu be e c e c t ge ä ebe a d u gs e a e
1500
Warmumformen
1000
°C
mpe
ratu
rWarmumformen
Warmumformen
Diffusionsglühen
Erwärmenzum Härten
1000
ndlu
ngst
em
WLösungsglühen,Homogenisieren
Hoch-glühen
Weichglühen
500
Wär
meb
ehan Warm-
umformenHomogenisieren
Rekristal-lisations-
Rekristal-lisations-glühen
gNormalglühen
Nitrierhärten
SpannungsfreiglühenRekristallisationsglühen
0
W lisationsglühen
Spannungsfreiglühen
Rekristallisationsglühen
Anlassen Aushärten
Quelle: [Jeschar]
0Stahl Cu Messing
(Cu-Zn-Leg.)Al Al-Knetleg.
(z. B. AlMgSi1, AlCu)
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.1 Allgemeines
8.7.2 Wärmebehandeln von Eisenwerkstoffen
8.7.3 Wärmebehandeln von Nichteisenmetallen
8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.2 Wärmebehandeln von Eisenwerkstoffen
- GrundlagenEisen-Kohlenstoff-Werkstoffe Eisen-Kohlenstoff-ZustandsdiagrammZeit-Temperatur-Umwandlungs-(ZTU)-SchaubildZeit Temperatur Umwandlungs (ZTU) Schaubild
- Thermische VerfahrenGlühen, Härten, Anlassen, Vergüten
Thermochemische Verfahren- Thermochemische VerfahrenEinsatzhärten, Nitrieren, Borieren, Eindiffundieren von Metallen
- Thermomechanische VerfahrenThermomechanische VerfahrenThermomechanisches Walzen
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Eisen-Kohlenstoff-Werkstoffe
Stahl
se o e sto e sto e
Gusseisen
C G %C-Gehalt < 2 %warm- und kaltumformbarC als Zementit (Fe3C)
C-Gehalt > 2 %weder warm- noch kaltumformbarC als Zementit (Fe3C) – weisses GEC als Graphit (C) – graues GE
Unlegierte Stähle
Niedriglegierte Stähle
Legierungsanteil < 5 %
Gusseisen mit Lamellengraphit
Gusseisen mit Kugelgraphit
heterogenes Gefüge, nicht duktil
GTW (200:1)
Legierungsanteil 5 %
Hochlegierte Stähle
Legierungsanteil > 5 %
Gusseisen mit Kugelgraphit
Temperguss
duktil
GTS (500:1)weisser Temperguss (GTW)
entkohlend geglüht, C als Fe3Cschwarzer Temperguss (GTS)
C ungebunden als Graphit
G S (500 )Übereutektoider Stahl (500:1)
K
Quelle: [Hütte; Domke]
Hartguss
C als Zementit am Rand,C als Graphit im Kern
Graphit FerritPerlit (Ferrit + Zementit)
Korngrenzen-zementit
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm
Gefügezustände und Gleichgewichtstemperaturen von Fe-C und Fe-Fe3C sind (für unendliche kleine Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten)
se o e sto usta dsd ag a
Fe3C sind (für unendliche kleine Aufheiz und Abkühlgeschwindigkeiten)in Abhängigkeit der Temperatur und des Kohlenstoffgehaltes dargestellt.
1600 A
Stabiles System Fe-C Kohlenstoff liegt als stabile Phase Graphit vor z. B. graues Gusseisen
1200
1400°C B
HI
tur T
°CD
C
D'
C'
E
E'
F
F'
+ S
S
S + Fe3C
S + C
Metastabiles System Fe-Fe3C Kohlenstoff liegt als metastabile Phase
Zementit vor z B Stahl weißes Gusseisen
800
1000
Tem
pera
t C
K'
E F
+ C+ Fe3C
+G
• Liquiduslinie (ABCD), Soliduslinie (AHIECF• Perlit: (Eutektoid) lamellares Gefüge aus + Fe3C• Gleichgewichtstemperatur
z. B. Stahl, weißes Gusseisen
600
1 2 3 4 50 Gew.-%
P
Kohlenstoffgehalt
1 2 3 4 51 2 3 4 5 7
S KP' S'+ Fe3C + Cperlitisches
Gefüge (1000:1)
GleichgewichtstemperaturA1 (PSK) zwischen Austenit und Perlit A3 (GS) zwischen Ferrit und Austenit
Quelle: [Domke, Hütte]
gEutektoid Eutektikum
Ferrit (krz), Austenit (kfz), C Graphit, Fe3C Zementit, S Schmelze
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild
Gefügezustände sind in Abhängigkeit der Temperatur und derAbkühlzeit dargestellt Das Schaubild gilt für eine Fe-C-Legierung bei
e t e pe atu U a d u gs Sc aub d
Abkühlzeit dargestellt. Das Schaubild gilt für eine Fe C Legierung beibekannter Haltetemperatur und -dauer im Austenitgebiet.
U dl t t b i E ä
r T
Ac3
Ac1F it
abA t it
• Umwandlungstemperaturen beim ErwärmenAc1 Anfangstemperatur der AustenitbildungAc3 Endtemperatur der Austenitbildung
Abkühlung aus dem Austenit () führt, je nachAbkühlgeschwindigkeit zu unterschiedlichenGefügezuständen.
schnelle Abkühlung (Kurve 1):Tem
pera
tu
Bainit (Zwischenstufe)
Ferrit b
cPerlit
a
Austenit
g ( )Austenit Martensit (a)
langsame Abkühlung (Kurve 2):Austenit Ferrit (a), Perlit (b), Bainit (c)
T
Abkühlzeit tS (log)
Martensit1
2
HV1 > HV2
Quelle: [Eckstein]
Abkühlzeit tS (log)
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Thermische Verfahrene sc e e a e
Ein Werkstück oder ein Bereich eines Werkstückes wird absichtlichTemperatur-Zeit-Folgen ausgesetztTemperatur Zeit Folgen ausgesetzt, um ihm Eigenschaften zu verleihen, die es für seine Weiterverarbeitung oder Verwendung geeignet machen.
Thermische Verfahren
I th i hHärtenGlühen
Diffusions-,Grobkorn-,
Volumenhärten,Randschichthärten,
AlternIsothermisches Umwandeln
In der PerlitstufeIn der Bainitstufe
ErwärmenTiefkühlen
Spannungsarm-,Rekristallisations-,Weich-,Normal- und
Impulshärten,Anlassen,Vergüten,...
Patentieren...
PendelnÜberaltern...
Isothermglühen...
Quelle: [Spur]
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Thermische Verfahren
HärtenGlühen AlternIsothermisches Umwandeln
Thermische Verfahren
Lösungslühen
Erholungsglühen
Warm-/ Kalt-
auslagernAushärten martensit.
Härtenin versch. Umwandlungs-stufen
bei Stählen
natürlich
künstlichRekristallisationsglühen
Grobkornglühen
Spannungsarmglühen
Über-härten
Martensit-aushärten
bei Stählen
in der Perlitstufe
in der Bainitstufe
Erwärmen
Tiefkühlen
Pendelnp g g
Diffusionsglühen
Umkörnen
Randschicht-härten
Flammhärten
Impuls-härten
Volumen-härten
kontinuierl. gebroch. unterbroch.
PatenterienPendeln
Überaltern
Normalglühen
Stabilglühen
Weichglühen
Induktions-härten
Tauchhärten
Härten Härten Härten
z. B. Warm-badhärten
Impuls-l A l
Quelle: [Macherauch]
g
Tempern
Mehrfachglühen
Laserstrahl-härten
Elektronen-strahlhärten
anlassen Anlassen
Sekundär-härtenVergüten
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Diffusionsglühen
Ziel ist das Ausgleichen lokaler Konzentrationsunterschiede (Seigerungen)
us o sg ü e
(Seigerungen).
1200 Bauteilanforderungen / Ausgangssituation Negative Beeinflußung der Werkstoff-
eigenschaften durch Kristall- oder Block-seigerungen, die während der Erstarrung ausur
T
°C
1000
1200
G
Diffusionsglühen
seigerungen, die während der Erstarrung aus der Schmelze entstehen.
Vorgehensweise Erwärmen auf hohe Temperaturen Te
mpe
ratu
P
+ Fe3C
it600
800
S
+ K
(1.000°C bis 1.300°C), lange Haltezeit
NachteilKohlenstoffgehalt
1 20 0,5
Perli
1 20 0,5 Gew. -%Gew.Gew.
600
4000,8
+ Fe3C
Gefahr von Kornvergröberung (evtl. anschließendes Normalglühen)
Quelle: [Eckstein, Spur]
Kohlenstoffgehalt
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Normalglühen
Ziel ist das Einstellen eines feinkörnigen Gefüges aus Ferrit () bzw Perlit ( + Fe3C)
o a g ü e
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation
aus Ferrit () bzw. Perlit ( + Fe3C).
°C
1200
g g g ungleichmäßiges oder grobkörniges Gefüge
Vorgehensweise Erwärmen (a)
mpe
ratu
r T
+ Fe3C
800
1000G
+ Normalglühen ( ) Halten knapp oberhalb über Ac3 bzw. Ac1 (b) Luftabkühlen (c), Luft- oder Ofenabkühlen (d)
Tem
P
1 20 0 5
Perli
t
1 20 0 5 G %GG
600
4000 8
S
K
+ Fe3C
Normalglühen
mpe
ratu
r T
a
bAc3 c
dAc1
untereutektoider Stahl grobkörnig (200:1)
untereutektoider Stahl normalgeglüht (200:1)
Kohlenstoffgehalt1 20 0,5 1 20 0,5 Gew. -%Gew.Gew.0,8
Quelle: [Eckstein, Spur]
Tem
Zeit
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Weichglühen
Ziel ist die Verbesserung der mechanischen (spanenden) oder thermischen Bearbeitbarkeit des Stahls
e c g ü e
oder thermischen Bearbeitbarkeit des Stahls durch eine Verringerung der Festigkeit.
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation°C
1200
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation schlechte Bearbeitbarkeit des Bauteils Gefüge liegt je nach Abkühlbedingung in
perlitischer oder martensitischer Form vor.pera
tur T
+ Fe3C800
C
1000G
+ Weichglühen
Vorgehensweise Glühen bei einer Temperatur unterhalb oder
oberhalb on Ac
Tem
p
P
Perli
t600
400
S
K
Weichglühen
+ Fe3C
oberhalb von Ac1
langsames Abkühlen Einstellen überwiegend kugeliger Karbide
durch Diffusionsvorgänge
Schnellstahl gehärtet (500:1)
Schnellstahl weichgeglüht (500:1)
Kohlenstoffgehalt1 20 0,5 1 20 0,5 Gew.-%Gew.Gew.0,8
Quelle: [Eckstein, Spur]
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Spannungsarmglühen
Ziel ist der Abbau von inneren Spannungen ohne beabsichtigtes Ändern des Gefüges
Spa u gsa g ü e
ohne beabsichtigtes Ändern des Gefüges.
°C
1200
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation hohe Eigenspannungen im Bauteil als Folge
einer Kaltverformung, ungleichmäßigen Ab-kühlung oder Gefügeumwandlungener
atur
T
+ Fe3C800
°C
1000G
+ kühlung oder GefügeumwandlungenVorgehensweise Glühen unterhalb von Ac1 (450 °C bis 650 °C) durchgreifendes Erwärmen
Tem
p
P
Perli
t600
400
S
+ K
Spannungsarm-glühen + Fe3C
580 °C550 °C530 °CGlühdauer [h] beiZul. Restspannung [%]
580 °C550 °C530 °CGlühdauer [h] beiZul. Restspannung [%]
Kohlenstoffgehalt1 20 0,5 1 20 0,5 Gew. -%Gew.Gew.
4000,8
28160103186320
26300,540
28160103186320
26300,540
Quelle: [Eckstein, Spur]
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Härten
Ziel ist es, die Eigenschaften des Martensits und Bainits (hohe Härte und Festigkeit) zu erreichen und somit u a die Verschleißbeständigkeit
ä te
Festigkeit) zu erreichen und somit u. a. die Verschleißbeständigkeit eines Bauteils zu steigern.
bainitisches
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation hohe Verschleißbeständigkeit und Dauer-
f ti k it i d f d t
Gefüge (500:1)
festigkeit sind gefordert Stahl liegt in unbehandeltem oder geglühtem
Zustand vor
Ac3 Vorgehensweise Hoch- und Durchwärmen des ges. Volumens
oder best. Randschichten auf oberhalb von Ac3
Halten und nachfolgendes
PerlitFerrit
empe
ratu
r T
Ac3
Ac1
Bainit (Zwischenstufe)
AustenitmartensitischesGefüge (1000:1)
Halten und nachfolgendes Abkühlen mit solcher Geschwindigkeit, dass die
Umwandlung vorwiegend in der Martensit- undZwischenstufe liegt.
Quelle: [Spur, Domke]
Te
1
(Zwischenstufe)
Martensit2
Abkühlzeit tS (log)
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Härten - Produktbeispieleä te odu tbe sp e e
Bremsscheibe für Geländefahrrad
Chirurgische Knochenfeile (X46Cr13)Geländefahrrad (X46Cr13)
PKW-Motorventil (X55CrNiMnN20S)
Kreuzgelenk für Wellenantrieb(16CrNi4)
Bilder: [Fa. Safed]
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Anlassen
Ziel ist es, den Werkstoff in einen gleichgewichtsnäheren Zustand zuüberführen um die Sprödigkeit und die hohen Eigenspannungen von
asse
überführen, um die Sprödigkeit und die hohen Eigenspannungen von Härtegefügen zu verringern.
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation z. B. gehärteter Zustand (spröde) hohe Eigenspannungen h b (V d B t ilat
ur T b
Ac3
Ac1
schwer zerspanbar (Verzug des Bauteils,hoher Werkzeugverschleiß)
Vorgehensweise Erwärmen auf unterhalb von Ac1 (a)Te
mpe
ra ac
Erwärmen auf unterhalb von Ac1 (a)100 °C bis 250 °C: 1. Anlassstufe250 °C bis 350 °C: 2. Anlassstufe350 °C bis 600 °C: 3. Anlassstufe
Halten (b)
T
Zeit Halten (b) Abkühlen (c) an Luft oder Öl
Quelle: [Eckstein, Spur]
Institut für Werkzeugmaschinenund FabrikbetriebProf. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Technische UniversitätBerlin
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Vergüten
Ziel ist es, bei vorgegebener Festigkeit ein Maximum an Zähigkeit imStahl zu entwickeln Dies wird durch eine kombinierte Wärme-
e güte
Stahl zu entwickeln. Dies wird durch eine kombinierte Wärmebehandlung aus Härten und Anlassen erreicht.
Bauteilanforderungen / Ausgangssituation Einsatz bei hohen dynamischen Belastungen
oder tiefen Temperaturenerat
ur T
Ac3
Ac1
Sprödbruchgefahr
Vorgehensweise z. B. 2-stufiges Vergüten
Tem
pe
Zeit
bTR
a
g g(a) Härten: oberhalb von Ac3(b) Anlassen
Vergüteter Stahl mit 0,73 % C (500:1),2 t fi V üt
Weichgeglühter Stahl mit 0,73 % C (500:1)
Zeit
Quelle: [Eckstein, Spur, Domke]
2-stufiges Vergüten:(a) 830 °C / Öl / 30 min(c) 460 °C / Luft
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Thermochemische Verfahrene oc e sc e e a e
Ein Werkstück oder ein Bereich eines Werkstückes wird absichtlich Temperatur-Zeit-Folgen und chemischen Einwirkungen ausgesetztTemperatur Zeit Folgen und chemischen Einwirkungen ausgesetzt, um ihm Eigenschaften zu verleihen, die es für seine Weiterverarbeitungoder Verwendung geeignet machen.
Thermochemische Verfahren
Einsatzhärten Eindiffusion von Metallen
Nitrieren und Nitrocarburieren Borieren
G P l Ch iGas-,Pulver-,Plasma- undSalzbadnitrieren
Pulver-,Salzbad- undGasborieren...
ChromierenVanadierenAluminierenSilizieren
DirekthärtenEinfachhärtenHärten nach iso-
thermischen Umw.... ...
Quelle: [Spur]
Doppelhärten...
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Thermochemische VerfahrenEindiffusion von Metallen
Über-kohlen
Pulver-aufkohlen
Direkthärten AluminierenAl
Thermochemische Verfahrenn
Aufkohlen
Wieder-aufkohlen
Pasten-aufkohlen
Salzbad-aufkohlen
Härten
Einfachhärten
Kern-härten Anlassen
Chromieren
Silizieren
Titanieren
CSi
Cr
Ti
diffu
sion
vo
chtm
etal
len aufkohlen
Carbo-nitrieren
aufkohlen
Gas-aufkohlen
Randhärten
Doppelhärten
Nit i
Aufzinken
Chromaluminieren
ChromsilizierenN
C/N
Einsatzhärten
Cr/Al
Zn
Cr/Si
Eind Ni Nitrieren
Oxidieren
Sulfonitrieren
Pulvernitrieren
SalzbadnitrierenAbschrecken Karbidbildung
Eindiffusion von Metallen und Nichtmetallen
S/N
O
N
X/C
n vo
n ta
llen
Effusion von Metallen
Sulfocarbonitrieren
Borieren
Entkohlen
Gasnitrieren
PlasmanitrierenNitridbildung
Boridbildung
S/C/N
B
X/N
X/B
Quelle: [Macherauch]
Effu
sion
Nic
htm
et
Auskohlen
Dehydrieren
Zunderarmglühen,Blankglühen
H
AbkohlenCX/O
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Einsatzhärten
Ziel ist es, eine hohe Härte durch Anreicherung der Randzone mit Kohlenstoff und anschließendem Härten (gegebenenfalls Anlassen
sat ä te
Kohlenstoff und anschließendem Härten (gegebenenfalls Anlassen, Weichglühen) zu erzeugen.
Bauteilanforderungen / AusgangssituationBauteilanforderungen / Ausgangssituation hohe Verschleißbeständigkeit und Dauer-
festigkeit gefordert Zähigkeit im Kern des Bauteils erhalten
einsatzgehärtetes Zahnrad
Vorgehensweise Aufkohlen: Überlagerung eines thermischen
und chemischen Regimes zur Anreicherung der
einsatzgehärtete Rundprobeaus 17CrNiMo6
und chemischen Regimes zur Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff
Härten dann ggf. Anlassen und Weichglühen
Quelle: [Eckstein, Spur]; Bilder: [Fa. Alte]
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24/41
Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Einsatzhärten – Temperatur-Zeit-FolgenVerfahrensvarianten Direkthärten, Einfachhärten
sat ä te e pe atu e t o ge
Einfachhärten, Härten nach isothermischen Umwandeln und Doppelhärten
Aufkohlen Aufkohlen
Direkthärten Einfachhärten
empe
ratu
r T
Anlassen
Ac3
Ac1
Aufkohlen
empe
ratu
r T
Anlassen
Ac3
Ac1
Aufkohlen Härten
Zahnrad während des Einsatzhärtens
Te
Zeit
TR
Te
Zeit
TR
Härten nach isothermischem Umwandeln
Doppelhärten
mpe
ratu
r T
Ac3
Ac1
Aufkohlen
Anlassen
Härten
isotherm. U d l i m
pera
tur T
Anlassen
Ac3
Ac1
Aufkohlen HärtenHärten
Quelle: [Spur, DIN 17022]
Tem
Zeit
TR
Umwandeln inder Perlitstufe Te
m
Zeit
TR
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25/41
Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Nitrieren und Nitrocarburieren
Ziel ist die Oberflächenhärtung durch Anreicherung der Randzone mitStickstoff (Nitrieren) oder gleichzeitig mit Stickstoff und Kohlenstoff
t e e u d t oca bu e e
Stickstoff (Nitrieren) oder gleichzeitig mit Stickstoff und Kohlenstoff (Nitrocarburieren).
Gasnitrieren und Gasnitrocarburieren: i i kh lti At häZ h d äh d d in ammoniakhaltiger Atmosphäre 500 °C bis 550 °C 30 h bis 100 h
S l b d it b i
Zahnrad während desPlasmanitrierens
Salzbadnitrocarburieren in Salzschmelze (Gemisch aus Cyanid und
Cyanat) 570 °C bis 580 °C
Kleinteile (hängend) während des Plasmanitrierens
2 h bis 4 h
Plasmanitrieren und PlasmanitrocarburierenWerkstück wird elektrisch isoliert in Sauerstoff/StickstoffWerkstück wird elektrisch isoliert in Sauerstoff/Stickstoff-
Atmosphäre einer Glimmentladung ausgesetzt ca. 550 °C 20 h bis 50 h Quelle: [Eckstein, Spur]; Bilder: [Fa. Rübig]
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Technische UniversitätBerlin
26/41
Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Borieren
Ziel ist die Oberflächenhärtung und Erhöhung der Verschleiß-beständigkeit durch Anreicherung der Randzone mit Bor
o e e
beständigkeit durch Anreicherung der Randzone mit Bor.
Boridschicht auf Stahl
PulverborierenWerkstück wird mit Pulvergemischen abgedeckt
B4C – Borspender (5 %),100Cr6, sD = 50 m
B4C Borspender (5 %), KBF4 – Aktivator (5 %) undSiC – Füllmittel (90 %)
840 °C bis 1050°C, meist bei 900 °C je nach Schichtdicke 1 h bis 5 h je nach Schichtdicke 1 h bis 5 hBoridschicht auf Stahl
X10CrNiMoTi18, sD = 10 m Salzbadborieren ohne Elektrolyse: in Boraxschmelze mit B4C oder SiC mit Elektrol se B ent ässerte Bora schmel e mit
GasborierenWerkstück wird in gasförmigen Spendermedien boriert
mit Elektrolyse: z. B. entwässerte Boraxschmelze mit NaCl- und B203-Zusatz
Quelle: [Eckstein, Spur]; Bilder: [Fa. Alte]
Werkstück wird in gasförmigen Spendermedien boriertauf der Basis BCl3 oder B2H6
bereits ab 650 °C
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Eindiffusion von Metallen
Ziel ist es, durch Eindiffusion metallischer Elemente (z. B. Cr, Va, Nb Ti Al Ni oder Co) in die Randzone die Korrosions- und
d us o o eta e
Nb, Ti, Al, Ni oder Co) in die Randzone die Korrosions und Verschleißbeständigkeit zu erhöhen.
Chromieren Pulvergemisch z. B. aus Ferrochrom (78 %),
NH4Cl (2 %) und Al2O3 (20 %) ca. 1000 °C 2 h bis 12 h 2 h bis 12 h
Aluminieren mit geschmolzenem Aluminium (Feueraluminieren) oder Randschicht (A) und Elementverteilung (B)
mit Pulver aus Aluminium (14 %), NH4Cl (2 %) undAl2O3 (84 %)
700 °C bis 1100 °C 1 s bis 3 s (Feueraluminieren), 5 h bis 20 h (Pulver)
einer Chromkarbidschicht auf Sinterstahlnach 2,5 h
Quelle: [Eckstein, Spur]
( ), ( )
Chromschicht auf Stahl C100 nach 5 h, (500:1)
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Thermomechanische Verfahrene o ec a sc e e a e
Ein Werkstück oder ein Bereich eines Werkstückes wird absichtlich Temperatur-Zeit-Folgen und zusätzlich anderen physikalischen
z B
Temperatur Zeit Folgen und zusätzlich anderen physikalischenEinwirkungen ausgesetzt, um ihm Eigenschaften zu verleihen, die es für seine Weiterverarbeitung oder Verwendung geeignet machen.
z. B.WalzenGesenkschmieden Gesenkschmieden
Quelle: [Spur, DIN 17210, Fa. EB Gesenkschmiede]
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
Thermomechanische Verfahren
Verformen der stabilen Hochtemperaturphase
Verformen der metastabilen Hochtemperaturphase
Verformen während der Umwandlung der
H ht t h i
Thermomechanische Verfahren
z. B. kontrolliertes WalzenHochtemperaturphase in
verschiedenen Umwandlungsstufen
bei Stählen bei MS<T<Ac3
IsoformingRekristallisation Vermeiden von Rekristallisation
bei Stählen:Umformen während derPerlitische Umwandlung
Bainitische UmwandlungPerlitische Umwandlung
Bainitische UmwandlungPerlitische Umwandlung
Martensitische Umwandlung
Temperaturgeregelte Warmumformung
Härten aus der Warmumformhitze
Austenitformhärten
Martensitische Umwandlungg
Bainitische Umwandlung
Martensitische Umwandlung
ratu
r T
Ac3
Ac1Ferrit
PerlitAustenit(metastabil)
Austenit (stabil)
erat
ur T
Ac3
Ac1Ferrit
Perlit
Austenit(metastabil)
Austenit (stabil)
erat
ur T
Ac3
Ac1Ferrit
Perlit
Austenit(metastabil)
Austenit (stabil)
Quelle: [Macherauch]
Tem
per
Abkühlzeit tS (log)
Bainit
Martensit
Tem
pe
Abkühlzeit tS (log)
Bainit
Martensit
Tem
pe
Abkühlzeit tS (log)
Bainit
Martensit
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Thermomechanisches Walzen - Beispiele o ec a sc es a e e sp eWalzanlage für Präzisionsprofildrähteaus legiertem Stahl
Schematische Darstellung derSchematische Darstellung derTM-Walzanlage
H2OOfen
T1 T2 T3 T4 T5
Temperatur-Zeit-Folge und Verformungsgradbeim Thermomechanischen Walzen
Gerüst 1 Gerüst 2 Gerüst 3 HeizrohrLuftkühlungWasserkühlung
1250 °CT FerritAustenitbeim Thermomechanischen Walzen
750 °C, t = 2 bis 60 min
1050 °C 950 °C
650 °C
ε ≤ 50 % ε ≤ 50 %ε ≤ 50 %
Ø 12 mm 5,5 x 16,6 mm 3,0 x 19,8 mm 1,8 x 21,0 mm
t
Bilder: [Fa. Fuhr]
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Thermomechanisches Walzen –e o ec a sc es a eEinfluss auf die Festigkeit / Zähigkeit
Quelle: [Spur]
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.1 Allgemeines
8.7.2 Wärmebehandeln von Eisenwerkstoffen
8.7.3 Wärmebehandeln von Nichteisenmetallen
8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.3 Wärmebehandeln von Nichteisenmetallen
- GrundlagenNE-Metalle und –Legierungen
- Thermische VerfahrenThermisches Entspannen, Weichglühen, HomogeniserenLösungsglühen und Auslagern
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Nichteisenmetalle und -Legierungenc te se eta e u d eg e u ge
Leichtmetalle Schwermetalle
Dichte < 4 5 kg/dm3 Dichte > 4 5 kg/dm3
Edelmetalle
Aluminium-Legierungen Kupfer-Legierungen
Dichte < 4,5 kg/dm3 Dichte > 4,5 kg/dm3
Gold
Silberz. B. AlMn, AlMgSi, AlCuMg,G AlSi17 G AlSi10M
z. B. Messing (CuZn), Bronze(C Al C S C Pb C M )
PlatinG-AlSi17, G-AlSi10Mg,...Flugzeug- und Automobilbau,
Bauindustrie, Behälter- undGerätebau
(CuAl, CuSn, CuPb, CuMn,...)Chemieanlagen, Schiffsbau,
Elektrotechnik
Magnesium-Legierungen Nickelz. B. MgAl7Zn, MgMn2,
G-MgAl9, Gd-MgAl9Zn1,...Fl A t bil d
z. B. NiCr, NiCuFahrzeug-, Kraftwerksbau,
Titan-Legierungen Zinn
Flugzeug-, Automobil- undGerätebau
g , ,Chemieanlagen
Quelle: [Hütte]
Zink
Blei
z. B. TiAlFlugzeug- und Automobilbau,
Chemieanlagen, Schiffsbau undMedizintechnik
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Thermische Verfahren – NE-Metallee sc e e a e eta e
Thermische Verfahren
Lösungsglühen und Auslagern
Thermisches Entspannen Weichglühen Homogenisieren
Abbau von Eigen-spannungen
z. B. Gefahr von
Einstellen der Korn-grösse
Abhängigkeit vom Grad
Konzentrationsaus-gleich durch Diffusion
z. B. zur Verbesserung der
Lösung von Aus-scheidungen
zur Steigerung derSpannungsrisskorrosion, Glührissigkeit,Verzug bei spanender
Bearbeitung
der Kaltverformung Umformbarkeit FestigkeitHärte
Bauteile ausAluminium-KnetlegierungenAluminium-Gusslegierungen
lösungsgeglüht und
Quelle: [Spur, Fa. Alte]
ausgelagert
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8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.1 Allgemeines
8.7.2 Wärmebehandeln von Eisenwerkstoffen
8.7.3 Wärmebehandeln von Nichteisenmetallen
8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln
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Produktionstechnik II VL 9: Wärmebehandeln
8 Produktherstellung8 Produktherstellung
8.7 Stoffeigenschaftsändern (Wärmebehandeln)8.7.4 Anlagen zum Wärmebehandeln
- Einteilung der Industrieöfen
- Industrieöfen – Beispiele
Durchlaufofen und Abschreckeinrichtung- Durchlaufofen und Abschreckeinrichtung
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Anlagen zum Wärmebehandeln – Einteilung der Industrieöfen
Industrieöfen
age u ä ebe a de te u g de dust eö e
Industrieöfen
Standöfen Durchlauföfen
KammerofenHerdwagenofenSchachtofen
RollenherdofenFörderbandofenDurchstoßofen
Haubenofen HubherdofenTiegelofen
DrehherdofenTunnelofenDurchziehofen
Thermo Thermo-Th i hThermo-chemische Verfahren
Thermische Verfahren
Thermochemische Verfahren
Thermische Verfahren
MehrzweckkammerofenV tik l t t f
Hängebahnofen SchüttelherdofenS h i t t fVertikalretortenofen
SalzbadofenDoppelkammerofen
SchwingretortenofenSchubschalenofenTrommelofen
Quelle: [Eckstein]
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Industrieöfen - Beispiele
Standöfen Durchlauföfen
dust eö e e sp e e
SchachtofenHaubenofen
HubherdofenMehrzweckkammerofenFörderbandöfen Durchstoßofen
Mehrzweckkammerofen
Bilder: Fa. Eliog, Stahlwerk Thüringen
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Durchlaufofen - Beispiel
Durchlaufofen AbschreckeinrichtungWärmgut
u c au o e e sp e
Befestigungselemente,BlechschraubenBolzen
Kontinuierliche Entleerung
Kugellagerteile, Käfige, KugelnFeinstanzteile, KaltziehteileAntriebskettenglieder, Achsen und RollenTeile für Handwerkzeuge, Sägeblätter, Schraubendreherg gNäh- und Stricknadeln
Sammeln in Kippbehälter
Bilder: Fa. Safed
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