Legierungstechnologie

Kapitelvorwort

Wie entstehen die Gefüge der Legierungen?

Wie werden die gewünschten Werkstoffeigenschaften erreicht?

Wieso gibt es so viele Stahlsorten mit unterschiedlichen Eigenschaften?

Wie erhalten Aluminiumlegierungen ihre Festigkeit?

Reine Metalle erreichen nur relativ geringe Elastizitätsgrenzen (unter 50 MPa). In Abschn. 15.6 sind die Verfestigungsmechanismen beschrieben. Die Schmelzmetallurgie nützt die Mischbarkeit der Elemente im flüssigen Zustand zur Herstellung von Legierungen. Werden unlösliche Feststoffe in die Schmelze eingebracht, so spricht man ab etwa 5 % Volumenanteil von der Herstellung von Verbundwerkstoffen. Mittels Pulvermetallurgie können nicht mischbare Komponenten mechanisch legiert (gemischt) werden (Kap. 31). Jedes Metall kann durch geringe Mengen an Legierungselementen wesentlich verfestigt werden. Während der Erstarrung bilden sich in vielen Legierungen Mischkristalle und/oder Entmischungsprodukte in bestimmten Gefügestrukturen. Wie groß ist die Löslichkeit von Legierungselementen in einem Mischkristall? Welche Ausscheidungen bilden sich, wenn die Löslichkeitsgrenze überschritten wird? Wie entstehen Umwandlungsgefüge in Stahl, und wo sind sie wünschenswert? Die mechanischen Eigenschaften einer Legierung werden durch sein Basismetall, die Legierungselemente und das sich aus der thermomechanischen Geschichte ergebende Gefüge bestimmt. Bei Gusslegierungen entsteht das Gefüge während der Erstarrung und kann durch nachträgliche Wärmebehandlungen verändert werden. Bei einer Knetlegierung wird das Gefüge durch die Verformung und die damit verbundenen oder nachfolgenden Wärmebehandlungen eingestellt. Der Werkstoffhersteller legt die Basis für die Gefügeeinstellung, die durch die Weiterverarbeitung verändert wird und im Produkt das erforderliche Eigenschaftsprofil ergeben soll. Der Maschinenbau-Ingenieur soll die Möglichkeiten der Gefügeeinstellung zumindest in den Grundzügen kennen. Er muss wissen, wie temperaturstabil die durch Wärmebehandlung erzielten Gefüge und die damit verbundenen Eigenschaften sind. Besonders wichtig ist, dass bei der Werkstoffauswahl die Temperaturgeschichte eines Bauteils im Einsatz beachtet wird, die vor allem metastabile Gefügezustände verändern kann, wodurch sich auch die Eigenschaften ändern.

Antworten zu den Verständnisfragen

Antwort 16.1

Durch Erhöhung der Keimdichte bei der Phasenbildung mittels heterogener Keime (Defekte) und/oder Unterkühlung, durch die die kritische Keimgröße verkleinert wird.

Antwort 16.2

Die Liquidus- und Soliduslinie begrenzen das Zweiphasengebiet flüssig-fest durch die voneinander abhängigen Variablen T und Konzentration. Die Liquiduslinie gibt die minimale Temperatur für das Gleichgewicht mit einer Flüssigkeit für den Konzentrationsbereich an, die Soliduslinie gibt demgegenüber die maximale Temperatur für das Gleichgewicht mit einer festen Phase für den Konzentrationsbereich an. Bei Temperaturen innerhalb des Zweiphasengebietes stehen die feste und die flüssige Phase mit den jeweiligen Konzentrationen auf der Solidus- bzw. Liquiduslinie im Gleichgewicht. Die Mengenverhältnisse können mit der Regel der abgewandten Hebelarme abgeschätzt werden.

Antwort 16.3

Im Schliffbild ist eutektisches Gefüge an feinstrukturiertem, meist streifigem Gemenge der beiden gleichzeitig erstarrten Phasen erkennbar. Eutektikum erstarrt im eutektischen Punkt mit zwei unterschiedlichen festen Phasen.

Antwort 16.4

Die Grenze für Stahl ist die maximale C-Löslichkeit im Austenit. Laut Fe-C-Diagramm haben Stähle maximal 2,1 % C (wenn Stähle mit C < 2,1 % gegossen werden, heißt das Produkt Stahlguss). Gusseisen hat um 4,3 % C in der Umgebung des eutektischen Punktes. Stahl ist historisch schmiedbar, jedenfalls warm- und kaltumformbar. Gusseisen ist wegen seines eutektischen Gefüges nicht umformbar, weder Grauguss noch Weißes Gusseisen.

Antwort 16.5

Eutektoider Stahl besteht im Gleichgewichtszustand aus Perlit und enthält 0,8 % C, untereutektoider Stahl enthält weniger C und besteht daher aus Ferrit um Perlit, während übereutektoider Stahl zwischen 0,8 und 2,1 % C enthält und somit Sekundärzementit um Perlit aufweist. Alle diese Stähle scheiden unter $A_{\mathrm{e}}$ tertiären Zementit aus.

Antwort 16.6

Grauguss ist zäher als weißes Gusseisen und dämpft elastische (akustische) Schwingungen stärker.

Antwort 16.7

Kaltauslagerung erfolgt nach dem Abschrecken von der Lösungsglühtemperatur bei Raumtemperatur, wo die Aluminiummatrix sowohl an Legierungselementen als auch an Leerstellen übersättigt ist. Je größer die Abschreckgeschwindigkeit desto effizienter ist die Kaltaushärtung. Wegen der starken Unterkühlung ist der kritische Keimradius für die Phasenbildung sehr klein (nm-Bereich), es besteht eine hohe Keimdichte und die Leerstellenübersättigung ermöglicht Wachstum dieser Keime. Es bilden sich im Allgemeinen intrakristallin fein verteilte, kohärente Ausscheidungen (< 10 nm) metastabiler Phasen aus Al und den Legierungselementen sowie Leerstellen. Im Laufe der Zeit „heilen“ die überschüssigen Leerstellen aus und das Ausscheidungswachstum geht zu Ende (nach etwa 2 Monaten bei Raumtemperatur).

Antwort 16.8

Perlit entsteht durch Abkühlen des Austenit im eutektoiden Punkt durch Keimbildung von Ferrit- und Fe${}_{3}$C-Lamellen. Da die C-Löslichkeit im Ferrit sehr gering ist, diffundiert Kohlenstoff heraus und bildet Karbide. Da eine lamellare Struktur kurze Diffusionswege hat, entstehen Lamellenpakete aus Ferrit und Fe${}_{3}$C. Weichglühen erfolgt nahe der eutektoiden Temperatur $T_{\mathrm{e}}$, um Diffusion unterhalb des Austenitbereiches zu ermöglichen. Die Karbide streben dabei eine kugelige Einformung an, um die Grenzflächenenergie zu vermindern. Die kugeligen Karbide erhöhen die Duktilität und die Zähigkeit gegenüber dem streifigen Perlitgefüge.

Antwort 16.9

Ferrit hat eine kubischraumzentrierte Struktur mit sehr geringer Kohlenstoff-Löslichkeit. Martensit hat eine ähnliche Kristallstruktur, aber die Elementarzelle ist tetragonal verzerrt wegen der Kohlenstoff-Einlagerungen entlang der c-Achse.

Antwort 16.10

Unter UK: mit steigender Abkühlgeschwindigkeit feiner strukturiertes ferritisch-perlitisches Gefüge;

bei und über UK: bei Abkühlung unter $A_{\mathrm{z}}$ aber über $M_{\mathrm{s}}$ Bainit, bei Abkühlung unter $M_{\mathrm{s}}$ auch Martensit;

bei und über OK: entsteht Martensit bei Abkühlung unter $M_{\mathrm{s}}$, unter $M_{\mathrm{f}}$ ist der gesamte Austenit in Martensit umgewandelt.

Vergüten = Härten + Anlassen (Martensitnadeln scheiden Karbide aus und nehmen Ferritstruktur an, d. h. aus der Umwandlungshärtung wird Ausscheidungshärtung).

Antwort 16.11

a) nur der Rand wird austenitisiert vor dem Abschrecken, b) die kritische Abkühlgeschwindigkeit wird nur am Rand überschritten; c) nur der Rand wird aufgekohlt und gehärtet.

Antwort 16.12

Table 5

Antwort 16.13

Das Material wird warm umgeformt, wobei sich die Temperatur ändert. Sobald die Umwandlungstemperatur $A_{\mathrm{r1}}$ bzw. $A_{\mathrm{z}}$ unterschritten werden, beginnt die Umwandlung. Gleichzeitig entstehen durch die Umformung vermehrt Keime sowohl für die Umwandlung als auch für die Rekristallisation. Die Verweilzeit in den entsprechenden Temperaturintervallen (isotherm oder bei kontinuierlicher Abkühlung) definiert die Menge der umgewandelten Phasen.