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Änderung der Stoffeigenschaft

01. Was ist Stoffeigenschaftsändern?

Stoffeigenschaftsändern ist das Umlagern, Aussondern oder Einbringen von Stoffteilchen in einen geometrisch bestimmten Gegenstand oder in einen formlosen Stoff zur Erreichung bestimmter Stoffeigenschaften (Hauptgruppe 6 der Fertigungsverfahren).

 Verfahren zur Änderung der Stoffeigenschaft
UmlagernAussondernEinbringen
Fertigungstechnologien
– Beispiele –
HärtenSandstrahlenMischen
GlühenFiltrierenKneten
VulkanisierenDestillierenLegieren
AnlassenZentrifugierenVersprühen
VergütenAbbeizenVerstäuben

02. In welche Untergruppen wird das Stoffeigenschaftsändern nach DIN 8580 gegliedert?

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Im Mittelpunkt der Technologien zur Änderung der Stoffeigenschaft stehen die Verfahren der Wärmebehandlung (vgl. Rahmenplan). Dabei wird das Werkstück im Ganzen oder partiell gezielt Temperatur-Zeit-Folgen ausgesetzt ggf. ergänzt durch chemische oder mechanische Einwirkungen.

Ziel dieser Werkstückbehandlung ist:

  • Bewusste Beeinflussung der Ver- und Bearbeitungseigenschaften sowie der Gebrauchseigenschaften (→ Zähigkeit, Verschleiß)

  • Reduzierung der Spannungen im Werkstück (→ Festigkeit).

03. Welche Teilgebiete der Wärmebehandlung werden unterschieden?

Teilgebiete/Verfahren der Wärmebehandlung
GebietPrinzipVerfahren (Beispiele)
1Thermische VerfahrenWirkung einer Temperatur-Zeit-FolgeGlühenAusgewählte Verfahren (lt. Rahmenplan) werden im Folgenden behandelt; vgl. ergänzend dazu in den Tabellenwerken, z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 6 – 71 f.
 Spannungsarmglühen
Rekristallisationsglühen
Weichglühen
Normalglühen
Diffussionsglühen
Grobkornglühen
HärtenAusgewählte Verfahren (lt. Rahmenplan) werden im Folgenden behandelt; vgl. ergänzend dazu in den Tabellenwerken, z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 6 – 71 f.
VergütenAusgewählte Verfahren (lt. Rahmenplan) werden im Folgenden behandelt; vgl. ergänzend dazu in den Tabellenwerken, z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 6 – 71 f.
2Thermochemische VerfahrenWie (1); zusätzliche Einwirkung eines Mediums und Stoffaustausch mit dem Medium in den Randgebieten des WerkstoffsEinsatzhärten
(Gas-)Nitrieren
Aufkohlen
Borieren
Nitrocarburieren
Sulfonitrieren
Metallcarbidbehandlung
Chromieren
3Thermomechanische VerfahrenWie (1); zusätzlich gekoppelt mit plastischer DeformationUmformen
 Normalisierendes …
Thermomechanisches …
BY-Behandlung
Austenitformhärten

04. Wie lässt sich die Temperatur-Zeit-Folge einer Wärmebehandlung schematisch darstellen?

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05. Welche Auswirkungen haben Wärmebehandlungsverfahren auf die Eisen-Kohlenstoff-Legierung?

Die Wärmebehandlungsverfahren basieren auf den Erstarrungsvorgängen der Eisen-Kohlenstofflegierung, bei denen es abhängig von dem Kohlenstoffgehalt und der Temperatur zu Veränderungen sowohl der Kristalle als auch der Zusammensetzung der Gefüge kommt. Es bilden sich Mischkristalle z. B. mit kubisch-raumzentrierten (krz) oder mit kubisch-flächenzentrierten (kfz) Kristallgittern, die eine unterschiedliche Löslichkeit für Kohlenstoff haben. Letztere können mehr C-Atome aufnehmen als erstere, was wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit hat. Die Zusammensetzung der Eisen-Kohlenstoff-Legierung in den unterschiedlichen Phasen bestimmt die einzelnen Gefügearten.

06. Welche Gefügebezeichnungen werden unterschieden?

Gefügebestandteile
Ferritbezeichnet ein FeC-Gefüge aus α-Mischkristallen mit krz-Kristallgitter und ist weich, zäh und korrosionsanfällig.
Austenitbezeichnet ein FeC-Gefüge aus Mischkristallen mit kfz-Kristallgitter und ist weich, zäh, hochwarmfest und gut umformbar.
Zementitbezeichnet ein FeC-Gefüge aus Fe3C (Eisencarbid)-Verbindungen und ist hart verschleißfest, spröde und schlecht formbar.
Martensitentsteht durch Abkühlung des Austenit, wobei es zu einer Umwandlung des Kristallgitters von kfz zu krz kommt. Es ist hart und verformbar.
Perlitist ein Phasengemisch aus Ferrit und Zementit. Es ist hart und spröde.
Ledeburitist ein Phasengemisch aus Zementit und Perlit bzw. Austenit. Es ist hart, sehr spröde und nicht formbar.
Gefügeaufbau, Stähle
EutektoidStähle mit C-Gehalt = 0,8 % (Perlit)
untereutektoidStähle mit C-Gehalt 
übereutektoidStähle mit C-Gehalt > 0,8 % (Perlit + Zementit)
Gefügeaufbau, Gusseisen
EutektikumGusseisen mit dem C-Gehalt = 4,30 %
untereutektischGusseisen mit einem C-Gehalt von > 2,60 – 4,30 % (Perlit + Ledeburit + Sekundärzementit)
übereutektischGusseisen mit einem C-Gehalt > 4,30 – 6,6 % (Primär- + Sekundärzementit + Ledeburit)

07. Welche Zusammenhänge werden im Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm dargestellt?

In dem Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm (auch Fe-C-Diagramm) werden schematisch die Grenzen der Gefügebereiche in Abhängigkeit des Kohlenstoffgehalts und der Temperatur dargestellt. Die daraus ersichtlichen Umwandlungen des Stahls erfolgen nur bei genügend langsamer Abkühlung. (Martensitgefüge ist daher nicht dargestellt, weil es eine rasche Abkühlung erfordert.)

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Charakteristische Linien und Punkte:

  • Die Liqiduslinie verläuft über die Punkte ABCD. Oberhalb dieser liegt die FeC-Legierung in flüssigem Zustand (Schmelze) vor. Unterhalb beginnt die Erstarrung. Eisen kristallisiert aus.

  • Die Soliduslinie verläuft über die Punkte AECF. Unterhalb liegt alles in kristallinem Zustand vor. Die Arten der Kristalle sind unterschiedlich.

  • Im stabilen System liegt nach Abkühlung der Schmelze der Kohlenstoff in Form von freiem Grafit im Gefüge vor (Gusswerkstoffe).

  • Im metastabilen System liegt der Kohlenstoff chemisch gebunden als Fe3C (Eisencarbid) vor.

  • Punkt E (1147 °C und 2,06 % C-Gehalt) markiert den Sättigungspunkt des Austenit. Die Senkrechte des Kohlenstoffgehalts begrenzt den Bereich (0 bis 2,06 %) der als Stahl bezeichnet wird. Bei höherem Kohlenstoffgehalt (2,06 bis 6,67 %) handelt es sich um Gusseisen.

  • Punkt S (723 °C und 0,80 % C-Gehalt) markiert die niedrigste Löslichkeit von C. Das eutektoidische Gefüge mit diesem C-Gehalt besteht nur aus Perlit.

  • Punkt C (1147 ° C und 4,30 % C-Gehalt) markiert den niedrigsten Erstarrungspunkt der Legierung. Das eutektische Gefüge mit diesem C-Gehalt besteht nur aus Ledeburit

08. Was ist Glühen?

Glühen ist die Wärmebehandlung eines Werkstoffs und besteht aus den folgenden Schritten

  • Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur,

  • Halten der Temperatur und

  • Abkühlen,

sodass der Zustand des Werkstoffes bei Raumtemperatur dem Gleichgewichtszustand näher ist (DIN EN 10052).

Die GlühverfahrenVgl. ausführlich z. B.: Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 6 – 71 unterscheiden sich nach:

  • Glühdauer

  • Glühtemperatur

  • Art der Abkühlung.

09. Was ist Härten?

Härten ist eine WärmebehandlungRichtwerte für die Wärmebehandlung der Stähle vgl. z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 6 – 73 des Werkstoffs mit folgenden Prozessschritten:

  1. Langsame Erwärmung des Werkstoffs auf Härtetemperatur (ca. 30 – 50 °C oberhalb der GSK-Linie)

  2. Halten (20 … 30 min)

    → Umwandlung in Austenit (Zementit zerfällt)

  3. Abschrecken in Wasser, Öl, Warmbad oder Pressluft

    → Umwandlung in Martensit

  4. Thermische Nachbehandlung durch Anlassen (200 … 400 °C; unterhalb der PSK-Linie) und Halten (1 – 2 Stunden)

    → Abbau der Härtespannungen

  5. Langsame Abkühlung an ruhender Luft.

Ziel: Martensitgefüge mit hoher Verschleißfestigkeit.

10. Was ist Anlassen?

Anlassen ist Erwärmen eines gehärteten Stahls auf eine festgelegte Temperatur (maximal unterhalb der PSK-Linie), Halten und Abkühlen an Luft.

Ziel: Abbau der Härtespannungen.

11. Was ist Vergüten?

Vergüten ist Anlassen im oberen Temperaturbereich (500 … 680 °C).

Ziel: Verbesserung von Festigkeit, Härte und Zähigkeit (z. B. bei Blattfedern).

12. Was ist charakteristisch für thermochemische Verfahren?

Der Werkstoff wird einer Wärmebehandlung unterzogen. Außerdem findet ein Stoffübergang vom Umgebungsmedium und Diffusion im Werkstoff statt. Man unterscheidet:

  • Nichtmetalldiffusionsverfahren, z. B.:

    • Aufkohlen

    • Nitrieren

    • Nitrocarburieren

    • Sulfonitrieren

    • Borieren

    • Metalldiffusionsverfahren, z. B.:

    • Alitieren

    • Silizieren

    • Titanieren

  • Metall-Nichtmetalldiffusionsverfahren, z. B.:

    • Metallcarbidbehandlung.

Ziel: Herstellen bestimmter Eigenschaften in den Randschichten des Werkstücks, wobei der Werkstückkern zäh bleibt, z. B. Verschleißwiderstand, Härte, Korrosionsbeständigkeit (z. B. bei Zahnrädern, Wellen, Spindeln).

  • Aufkohlen:

    • Wärmebehandlung des Werkstücks (4 … 8 h bei 880 … 960 °C) in C-abgebender Umgebung

    • langsames Abkühlen oder Abschrecken

  • (Gas-)Nitrieren:

    • Wärmebehandlung des Werkstücks (10 … 100 h bei 480 … 550 °C) in N-Abgebender Umgebung

    • langsames Abkühlen.

Weitere Beispiele vgl. die einschlägige Fachliteratur, z. B. Awiszus u. a., a. a. O., S. 311 ff.

13. Welche Bedeutung hat die Kunststoffverarbeitung in der Industrie?

Kunststoffe zeichnen sich durch vielseitige Verwendbarkeit, günstige Verarbeitungseigenschaften und kostengünstige Herstellungsverfahren aus (vgl. ausführlich unter 2.4.1.2, Einteilung der Kunststoffe und 2.4.1.6, Werkstoffsubstitution).

14. Welche Fertigungsverfahren sind bei Kunststoffen einsetzbar?

Die DIN 8580 systematisiert die Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung:

 Thermoplaste/PlastomereDuroplaste/DuromereElaste/Elastomere
 
FertigungsverfahrenUrformen
  • Extrudieren
  • Spitzgießen
  • Schäumen
  • Pressen
  • Blasformen
  • Extrudieren
  • Spitzgießen
  • Schäumen
  • Pressen
  • Laminieren
  • Faserspritzen
  • Extrudieren
  • Spitzgießen
  • Schäumen
  • Pressen
Umformen
  • Warmformen
  • Kaltformen
 
Trennen
  • Zerteilen
  • Spanen
  • Zerteilen
  • Spanen
  • Zerteilen
  • Spanen
Fügen
  • Schweißen
  • Kleben
  • Kleben
  • Kleben
Beschichten
  • Lackieren
  • Aufdampfen
  • Bedrucken
  • Galvanisieren
  • Heißprägen
  • Beflocken