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).

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

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?

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

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?

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.)

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.

14. Welche Fertigungsverfahren sind bei Kunststoffen einsetzbar?

Die DIN 8580 systematisiert die Fertigungsverfahren der Kunststoffverarbeitung: