Einteilung der Werkstoffe

Präsentation zum Thema: "Einteilung der Werkstoffe"—  Präsentation transkript:

1 Einteilung der Werkstoffe
Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

2 Wie sind sie zusammen gesetzt?
Einteilung der Stähle Wie sind sie zusammen gesetzt? Wofür werden sie verwendet? Wie werden sie hergestellt? Wofür werden sie eingesetzt? W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

3 nach chem. Zusammensetzung
Qualitätsstähle Edelstähle unlegiert (LE < 1%) Anforderungen z.B. an - Korngröße - Verformbarkeit - Zähigkeit Anforderungen z.B. an - Reinheit, - Korrosionsschutz - Magnetisierbarkeit niedrige Gehalte an P und S legiert niedrig (LE < 5%) Nicht rostende Stähle „Nirosta“ (> 10,5% Cr) hoch (LE > 5%) Anwendung Unlegierte Qualitäts- stähle werden als warmgewalzte Flach- und Langprodukte verwendet (Profile, Rohre) Legierte Edelstähle werden als Behälter für Lebensmittel, Leitungen für Chemikalien, Regale und Arbeitsflächen für die Küche oder als Werkzeuge eingesetzt. Einteilung nach chem. Zus.setzung W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

4 nach chem. Zusammensetzung
Qualitätsstähle Edelstähle unlegiert Wärme-Behandlung bei Bedarf werden vergütet oder Oberflächen gehärtet legiert keine Wärme-Behandlung Einteilung nach chem. Zus.setzung W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

5 Einteilung nach C-Gehalt
A = allgemeiner Baustahl (C < 0,5%) W = Werkzeugstahl (C > 0,5%) Einteilung nach Eutektoid Übereutektoide Stähle (C>08,%) erlangen durch das Härten und Vergüten eine hohe Festigkeit, sind jedoch ähnlich wie die Gusseisenwerkstoffe spröde und schlagempfindlich. Untereutektoide Stähle besitzen eine geringere Festigkeit, sind dafür aber besser verformbar. Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

6 Einteilung nach C-Gehalt
Allgemeiner Baustahl Baustähle sind Stähle für den Stahl- und den Maschinenbau, die nicht als Werkzeugstahl verwendet werden. Sie sind meist niedrig legiert und nur teilweise wärmebehandelt (wenn wärmebehandelt dann normalisiert, auch Normalglühen genannt). Daraus ergeben sich mäßige Eigenschaften (die aber für viele Anwendungen ausreichend sind) bei einem günstigen Preis. Aber auch legierte Edelstähle finden als Baustähle Verwendung. Im Allgemeinen zählen so gut wie alle kohlenstoffarmen Stähle zu den Baustählen. Bei den kohlenstoffreicheren Sorten sind die Grenzen fließend. Baustähle sind schweißbar und können spannungsarm geglüht werden. Einteilung nach C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

7 Einteilung nach Verwendung
Allgemeiner Baustahl Der erster Buchstabe des Kurznamens enthält die Info, wofür der Stahl eingesetzt wird. S…… Stähle für Stahlbau P…… Stähle für Druckbehälter (Pressure=Druck) L…… Stähle für Leitungen E…….Stähle für Maschinen („Elektrisch“) B…….Stähle für den Betonbau Einteilung nach Verwendung Beispiel: S 235 JR S = Baustahl 235 = Mindeststreckgrenze (Re): 235 N/mm² J = Kerbschlagarbeit in Joule (J) wobei: J=27J, K=40J, L=60J R= Prüftemperatur wobei: R=Raumtemp., 0=0°C, 2= - 20°C, … W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

8 Exkurs: Härten Erwärmen auf Härtetemperatur
Der Stahl wird bis über die Austenitisierungstemperatur erhitzt, ab hier wandelt sich das kubisch raumzentrierte Kristallgitter in das kubisch flächenzentrierte um. Halten auf Härtetemperatur In dieser Zeit wandelt sich das Gefüge vollständig in Austenit um. Das Eisen liegt später vollständig in der kubisch flachenzentrierten Form vor. Abschrecken Beim Abschrecken ist keine Zeit für die Atome, von den Würfelflächen in das Inntere des Würfels zu wandern und ein krz-Gitter zu erzeugen. Es entsteht ein sehr sprödes Gefüge mit besonders hoher Härte und Festigkeit („Martensit“, entsteht nur beim Abschrecken von Austenit).  Gefügespannungen, könnenHärterisse und Sprödbruch des Bauteils bewirken. Anlassen Um diese Sprödigkeit zu beseitigen wird der gehärtete Stahl auf angelassen (ca. 300°C). W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

9 Allg. Baustahl: Einsatzstahl
Das Einsatzhärten wird immer angewandt, wenn - eine harte Oberfläche und - aber ein zäher, elastischer Kern verlangt wird, Beispiel Zahnräder: Zahnflanke sehr hart → verschleißfeste Oberfl. Zahnfuß zäh und elastisch → bricht nicht ab. Einsatzstähle weisen, gleichgültig ob legiert oder unlegiert, einen C-gehalt von 0,1 bis 0,2 % auf. Beispiele: C15E: unlegierter Stahl 0,15 % C; unlegiert 20MnCr5 17CrNiMo6 16MnCr5 15CrNi6 Einteilung nach Herstellung / C-Gehalt E Einsatz gehärtete Zahnräder legiert W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

10 Allg. Baustahl: Einsatzstahl
Die Härtbarkeit eines Stahles ist in allererster Linie abhängig von seinem Kohlenstoffgehalt. Ohne Kohlenstoff ist ein Härten und eine Festigkeitssteigerung des Stahls durch Wärmebehandlung nicht möglich. Schon geringe Veränderungen im C-Gehalt verändern die Eigenschaften des Stahls. Je höher der C-Gehalt, desto größer die zu erreichende Härte. Einteilung nach Herstellung / C-Gehalt Beim Einsatzhärten wird den Stählen mit ausgehend tiefem C-Gehalt ( %) die Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt bis 1 mm Tiefe aufgekohlt, um einen C-Anteil (bis 0.8%) zu erzielen, welcher im anschliessenden Verfahrensprozess härtbar ist. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

11 Exkurs: Vergüten Das Vergüten ist ist ein Verfahren, welches ähnlich dem des Härtens ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass zum Abschluss auf eine vergleichsweise hohe Temperatur angelassen wird. Hierdurch gewinnt man einen Teil der Zähigkeit zurück, die beim Halten auf Härtetemperatur verloren ging. Die Anlass-Temperaturen liegen um die 600°C. Je nach Anlass-Temperatur wird der Stahl unterschiedlich zäh variable Bruchdehnung A umgekehrt prop. zur Härte , hier durch Re u. Rm veranschaulicht. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

12 Allg. Baustahl: Vergütungsstahl
V = Vergütungsstahl (0,25 bis 0,5%C) gehört zu den Allgemeinen Baustählen ist legiert oder unlegiert ist wegen C-Gehalt zum Härten geeignet weist nach dem Anlassen gezielte mechanische Eigenschaften auf, z.B. hohe Zugfestigkeit bei guter Zähigkeit. Einteilung nach Herstellung / C-Gehalt Beispiele: C30E → Baustahl mit 0,3%C, unlegiert 25CrMo4 → legierter Baustahl mit 0,25% C V W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

13 Allg. Baustahl: Vergütungsstahl
Man verwendet Vergütungsstahl für Kurbelwellen (Abb. rot), Achsen, Wellen, Pleuelstangen, Bolzen, Schrauben und andere Konstruktionsteile höherer Festigkeit, wie zum Beispiel Flugzeugfahrwerke (Zugfestigkeiten bis zu MPa). Einteilung nach Herstellung / C-Gehalt Beispiel: Bei dem Stahl der Spezifikation C45E handelt es sich um einen Vergütungsstahl mit 0,45 % Kohlenstoff. Das E steht dabei für einen besonders kleinen Gehalt an Phosphor (≤0,025 %) und Schwefel (≤0,035 %). W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

14 Einteilung nach Verwendung / C-Gehalt
Werkzeugstahl Werkzeugstahl wird zur Fertigung von Werkzeugen und Formen verwendet. Legierte Werkzeugstähle werden in höher beanspruchten Werkzeugen eingesetzt und sind meistens durchhärtbar. Zudem verziehen sie sich beim Härten nicht so sehr, je nach dem welche Legierungselemente vorhanden sind. Einteilung nach Verwendung / C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

15 Einteilung nach Verwendung / C-Gehalt
Werkzeugstahl W = Werkzeugstahl (0,5 bis 2,06%C) - unlegiert: Nach einer gezielten Wärmebehandlung können sie sich durch hohe Oberflächenhärte, hohe Verschleißfestigkeit und gute Schneidfähigkeit bei zähem Kern auszeichnen (reine Schalenhärter). werden bei über 200° wieder weich - legiert: Durch die LE werden die Stähle durchhärtbar und können bei über 200° eingesetzt werden. Je nach Arbeitstemperatur teilt man sie auf in - Kaltarbeits-St. (T bis 200°C) - Warmarbeits-St. (T bis 400°C) - Schnellarbeits-St. (T bis 600°C), = HHS (high speed steel) Einteilung nach Verwendung / C-Gehalt W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

16 Exkurs: „Durchhärtung“
Ab der Mindest-Abkühlgeschwindigkeit bildet sich ca. 50% Martensit für eine ausreichende Härtung. Das ist die kritische Abkühlgeschwindigkeit. Soll der ganze Querschnitt eines Werkstücks gehärtet werden, spricht man von Durchhärtung. Will man dickwandige Bauteile durchhärten, so muss man den Stahl legieren, damit er eine niedrigere kritische Abkühgeschwindigkeit hat. C muss zwangsgelöst bleiben, darf also nicht diffundieren, was er bei zu langsamer Abkühlung sofort macht. LE vermögen es, C zu binden – sie verhindern die Diffusion der C-Atome. Legierter Stahl kann somit langsamer abgeschreckt werden als unlegierter Stahl; es bildet sich immer noch ausreichend Martensit. Besonders wirksam sind die LE Mn, Cr, Ni und V. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

17 Zusammenfassung Stahl Allg. Bau-S. S (Stahlbau) P (Druckbeh.)
I (Beton) E (Elektro) L (Leitungen) Einsatz-S. Vergütungs-S. Werkzeug-S. unlegiert legiert Kaltarbeits-S. Warmarbeits-S. Schnellarbeits-S. W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello

18 Fragen Welche beiden groben Stahlsorten gibt es, wenn man nach dem C-Gehalt einteilt? Allgemeine Baustähle und Werkzeugstähle Welche speziellen Stähle gehören zu den Allgemeinen Baustählen? Vergütungs- und Einsatzstähle. In welche Untergruppen kann man Werkzeugstähle einteilen? in Kaltarbeits-, Warmarbeits- und Schnellarbeitsstähle. Warum sind unlegierte Werkzeugstähle meist Kaltarbeitsstähle? Weil sie ab 200°C ihre Härte verlieren würden. Welche LE verhindern die vorzeitige Diffusion von C-Atomen beim langsamen Abschrecken? Mn, Cr, Ni und V („Man chrommt nicht vorbei“) Welcher Stahl wäre für den Bau einer Kurbelwelle geeignet? Arbeitstemp. < 200°C, möglichst preiswert → Ein Vergütunsstahl Einsatzstähle sind für das Einsatzhärten geeignet, weil ihr Kohlenstoffgehalt … … relativ gering ist. Er wird dann an der Oberfläche erhöht. Fragen W Werkstofftechnik Prof. Dr. Remo Ianniello