Fertigungstechnik I - tu-dresden.de · Hinweis: Die Struktur lässt sich beschreiben als flächenzentrierte Packung von Fe-Atomen, in der jede 12. Oktaederlücke durch ein C-Atom

Fakultät Maschinenwesen, Institut für Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- u. Oberflächentechnik

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Fertigungstechnik I Oberflächenvorbehandlung

Folie 1

Fertigungstechnik I

06.01. Einführung 13.01. Oberflächenvorbehandlung - Zusammenfassung / Einführung - Verschleiß - Reinigung

20.01. Härten/Nitrieren

27.01. chemische Verfahren/Galvanik

03.02. Ausblick

Vorlesungsplan FT I / Oberflächen- und Schichttechnik


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Folie 2

Oberflächentechnik

Reinigen Abtragen

Trennen

Verfahrensfolge

Verfestigen durch

Umformen

Thermo- mechan.

Behandeln

Wärme- behandeln

Stoffeigen- schaften ändern

Beschichten aus dem flüssigen Zustand

Beschichten aus d. gas-

od. dampff. Zustand

Beschichten aus d. breiig- pastenförm.

Zustand

Beschichten

Spanen mit geometr.

unbestimmt. Schneide


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Folie 3

Härten Mechanismen

Härtemechanismen Umwandlungshärtung Erzeugung harten Gefüges durch Wärmebehandlung Ausscheidungshärtung Zulegieren von Elementen, die zum Ausscheiden von metastabilen Phasen in fein verteilter Form führen Kaltverfestigung Erhöhung der Versetzungsdichte durch plastische Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur Kornfeinung Erzeugung eines feineren, kleineren Korns im Gefüge durch geeignete Wärmebehandlung Mischkristallverfestigung Zulegieren von Elementen, die zum Einbau von Zwischengitter- oder Substitutionsatomen führen


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Folie 4

Härten Verfahren

Randschichthärten von Metallen

Randschichthärteverfahren

Borieren

Aufkohlen

Nitrieren / Carbonitrieren

Randschichthärten

ohne Veränderung der chemischen Zusammensetzung

Laser-/Elektronen- strahlhärten

Induktionshärten

Ofenhärten / Flammhärten

Thermochem. Diffusionsbehandlung

mit Veränderung der chemischen Zusammensetzung


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Folie 5

Diffusion Konzentrationsausgleich durch molekularen Massetransport zwischen verschiedenen Teilvolumina eines makroskopischen Systems 1. Ficksches Gesetz:

dxdc

ADdtdN

−=

dN/dt Teilchenstromdichte (J/m-2s-1)

dc/dx Konzentrationsänderung (N cm-4) A Querschnittsfläche (cm2) D Diffusionskoeffizient (cm2 s-1) Maß für die Häufigkeit der Zusammenstöße der Partikel, also für die mittlere freie Weglänge λ und die Geschwindigkeit vT der Partikel

λ=

scm

vD2

T

Diffusion: Gesetze

Vorführender

Präsentationsnotizen

Diff = f( T, deltaC, Material) Erstes Fick’sches Gesetz: Das erste Fick’sche Gesetz sagt aus, dass der Diffusionsstrom j von Atomen A in einer bestimmten Richtung x proportional zum Konzentrationsgefälle -Δc/Δx in dieser Richtung ist. Zweites Fick’sches Gesetz Das zweite Fick’sche Gesetz gibt die lokale Zu- oder Abnahme der Konzentration über der Zeit in Abhängigkeit vom aktuellen örtlichen Verlauf der Konzentration an


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Folie 6

Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten D für die Diffusion des Kohlenstoffs in α-Eisen , mit D0 = 0,02 cm2/s

−

=kTEexpDD A

0

Diffusion / Eisen

Aggregatzustand D0 (cm² s-1)

Gase 1 - 10-1

Flüssigkeiten 10-5

Festkörper 10-5 - 10-20

Im Festkörper wird unterschieden in - Selbstdiffusion

- Zwischengitterdiffusion

- Leerstellendiffusion

- Korngrenzendiffusion

- Oberflächendiffusion

Abhängigkeit von T


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Folie 7

Temperaturabhängigkeit

der Materialparameter von Eisen Dichte ρ spezif. Wärmekapazität c Wärmeleitfähigkeit K

cρ

ρ0

K

gcm3

Jg K

Wm K

Temperatur Ts TR

Materialparameter/ T


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Folie 8

Härten Einordnung T-t

Einordnung des Härtens in die Wärmebehandlungsverfahren

Temperatur

Zeit

Vo

rbea

rbei

tun

g

Fert

igb

earb

eitu

ng

Spannungs- armglühen

600 – 650°C

Härten

Erwärmen Halten Abschrecken

Härtetemperatur

Vorwärm- stufe

Luft

Warm- bad, Öl

Wasser

An- lassen

An- lassen

Ausgleichen


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Folie 9

Schematische Darstellung des kubisch-raum-zentrierten Ferrits (α-Eisen)

und des kubisch-flächen-zentrierten Austenits (γ-Eisen) mit Atomen auf Zwischengitterplätzen.

2,86

Å

3,65

Å

C

Fe

2,86 Å α - Fe Ferrit

Erwärmen

3,65 Å γ - Fe

Austenit

Grundgefüge Fe/Stahl

Hinweis: Die Struktur lässt sich beschreiben als flächenzentrierte Packung von Fe-Atomen, in der jede 12. Oktaederlücke durch ein C-Atom besetzt ist. Bei einer Darstellung durch Elementarwürfel würde auf etwa jeden dritten Würfel ein C-Atom entfallen.

Vorführender


Bildung von Austenit-Mischkristallen:diffusionsbestimmter, bei sehr langsamer Erwärmung z.B. untereutektoider Stähle (C-Gehalt < 0,86 %) bei der Temperatur Ac1 beginnend und bei der Temperatur Ac3 abgeschlossen Randschichthärten aber: Kurzzeitverfahren - bei überkritisch schneller Abkühlung homogenen martensitischen Zustanddurch hinreichendes Erhöhen der Temperatur über Ac3 hinaus die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes so weit steigerbar, dass trotz der kurzen Austenitisierungszeit homogene Härtungen möglich sind


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Folie 10

Gefügeumwandlung

Abkühlung: a) langsam: Ferrit kann nur 0,02%C lösen, C aus Austenit scheidet sich als Fe3C aus (weit verteilte Atome müssen sich sammeln können)

Mischkristall aus Ferrit und Fe3C = Perlit

Erwärmung: Umwandlung krz --> kfz mit größerem Gitter, in frei werdenden Platz diffundiert C-Atom - bis zu 2%

Vorführender


durch hinreichendes Erhöhen der Temperatur über Ac3 hinaus die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes so weit steigerbar, dass trotz der kurzen Austenitisierungszeit homogene Härtungen möglich sind


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Folie 11

3,65 Å γ - Fe

Austenit

3,65

Å

C Fe

kubisch-flächenzentrierter Austenit (γ-Eisen) mit Atomen auf den Zwischengitterplätzen.

kubisch-raum-zentriertes Ferrit (α-Eisen)


+

C

Zementit Fe3C (Eisenkarbid)

Abkühlen

Ferrit + Zementit = Perlit

Grundgefüge


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Folie 12


2,86

Å

Schematische Darstellung des Gefüges von Eisen bzw. Stahl

Ferrit- lamellen

Karbid (Fe3C)- lamellen

Gefüge Perlit

+ =

+

C

Karbid (Fe3C)-


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Folie 13

Schliffbild eines Perlits

4 µm

10 µm

100 µm

Gefüge Perlit


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Folie 14

Gefüge Perlit

Erscheinungsformen des Perlits in Abhängigkeit vom C-Gehalt


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Folie 16

Gefügeumwandlung 2

Erwärmung: Umwandlung krz --> kfz mit größerem Gitter

in frei werdenden Platz diffundiert C-Atom - bis zu 2%

Abkühlung: a) langsam: Ferrit kann nur 0,02%C lösen, C aus Austenit scheidet sich als Fe3C aus (weit verteilte Atome müssen sich sammeln können) --> Mischkristall aus Ferrit und Fe3C = Perlit

b) schnell: ??

Ferrit- lamellen

Karbid (Fe3C)- lamellen


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Folie 17

Gefügeumwandlung 2

Erwärmung: Umwandlung krz --> kfz mit größerem Gitter

in frei werdenden Platz diffundiert C-Atom - bis zu 2%

Abkühlung: a) langsam: Ferrit kann nur 0,02%C lösen, C aus Austenit scheidet sich als Fe3C aus (weit verteilte Atome müssen sich sammeln können) --> Mischkristall aus Ferrit und Fe3C = Perlit

b) schnell: C kann sich nicht zu Kristallen fügen, kfz klappt ohne Diffusion zu krz um, wobei C-Verteilung erhalten bleibt - der im kfz gelöste C wird im krz zwangsgelöst --> tetragonal verzerrtes raumzentriertes Gitter, --> Spannungen --> Härte

Martensit: plattenförmig bei niedrigem C-Gehalt nadelförmig bei hohem C-Gehalt


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Folie 18

3,65 Å γ - Fe

Austenit

3,65

Å

C Fe

Erwärmen

Schematische Darstellung des kubisch-raum-zentrierten Ferrits (α-Eisen)


2,86

Å

und des kubisch-flächen-zentrierten Austenits (γ-Eisen) mit C-Atomen auf den Zwischengitterplätzen.

Schnelles Abkühlen

Martensit

2,86 Å

3,04

Å

Schematische Darstellung des tetragonal verzerrten Martensits

Gefüge beim Umwandlungshärten


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Folie 19

kritische Abkühlgeschwindigkeit

- muss für die Martensitbildung überschritten werden

- am höchsten bei C- Stählen

- Legierungselemente z. B. Mn, Ni reduzieren die kritische Abkühlgeschwindigkeit, da die Diffusion erschwert wird und der Umwandlungsbeginn zu tieferen Temperaturen verschoben wird.

Härten kritische Abkühlung

Martensit

Austenit

Bainit

Perlit

Ferrit

Temperatur

Zeit / s 1 10 100

180

40

60

Ferritbildung beginnt Ferritbildung beendet, Perlitbildung beginnt Perlitbildung beendet

A3

Bainit 5

550 Martensit

Austenit Perlit

Ferrit

Temperatur

Zeit / s 1 10 100

A3

Härte

Vorführender


Randschichthärten = Kurzzeitverfahren - bei überkritisch schneller Abkühlung homogenen martensitischen Zustanddurch hinreichendes Erhöhen der Temperatur über Ac3 hinaus die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffes so weit steigerbar, dass trotz der kurzen Austenitisierungszeit homogene Härtungen möglich sind


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Folie 20

ZTU- (Zeit-Temperatur-Umwandlungs-) Schaubild für den Stahl Cf 53.

Eingezeichnet sind Kurven mit verschiedenen Abkühl-geschwindigkeiten. Mit einer Abschreckgeschwindigkeit von 1000 K/s wird das Austenitgefüge vollständig in Martensit umgewandelt.

Härten ZTU-Diagramm

Abkühlung

Vorführender


Die Möglichkeiten der Umwandlung des Austenits in die verschiedenen Gefügearten werden durch das Zeit-Temperatur-Umwandlungs-(Z-T-U-) Diagramm dargestellt. Danach sind für die Härtung Abkühlraten d T / dt > 10² K/s erforderlich, um unerwünschte Zwischengefüge wie Perlit und Bainit zu vermeiden Randschicht von rund 1mm Tiefe durch entsprechende Energiezufuhr von 1-10 kW/cm² rasch auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur ( 721 °C) erwärmt und dann durch rasches Abkühlen in Martensit umgewandelt.


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Folie 21

Kontinuierliche ZTU- (Zeit-Temperatur-Umwandlungs-) Schaubilder des Stahls 55NiCrMoV6 , Austenitsierungs-temperatur 850°C, Aufheizzeit 5 min, Haltezeit 15 min

Stahl 55NiCrMoV6 A Bereich des Austenits P Bereich der Perlitbildung O Härtewerte in HV ZW Bereich der Zwischenstufen- Gefügebildung M Bereich der Martensitbildung Bestimmungsverfahren: Dilatometrisch und metallographisch an Proben von 4,5 mm Dmr. und 15 mm Länge

900

1000

800

700

600

500

400

300

200

100

0 100 101 102 103 104 105 106

810 796 796

782 786

772 753

743 454

363 310

285

M

Ms Zw

P A

AC3

AC1

Zeit (s) Härte (Vickers)

Härten ZTU-Diagramm

Vorführender


Bainit: körnige Anordnung von Fe3C in Ferrit


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Folie 22

Abschrecken und Entspannen Abschreckmedium je nach Werkstoff: - Wasser - Aquatenside - Abschrecköle - Druckluft Abschreckeinrichtung Brausen: - Lochbrausen - Schlitzbrausen Bad: - Wasserbad - Ölbad

Entspannen erzeugter Martensit verursacht durch größeres Volumen Maßänderungen innere Spannungen Härteverzug

Anlassen zur Entspannung ohne Härteminderung Werkstück weniger schlagempfindlich, Rissgefahr sinkt - im Ofen oder aus der Restwärme

Anlasstemperatur: abhängig von zu erreichender Oberflächenhärte Beispiel: Vergütungsstahl 42 CrMo 4 - für 58 HRC 180oC - für 50 HRC 360oC

Härten Abkühlung

von oben nach unten sinkende Wirkung

Vorführender


Reine Kohlenstoffe , schwach legierte Stähle: Wasser abgeschreckt werden. Legierungszusätze: kritische Abkühlgeschwindigkeit verringert, so dass solche Stähle wegen der Rißgefahr milder abgeschreckt werden müssen. fast alle legierten Werkzeug- und Vergütungsstähle: mit Öl oder Emulsionen Stähle mit größeren Anteilen an W, Cr, Mn, V: noch milder, d.h. im Druckluftstrom abgeschreckt.


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Folie 23

Härten Einordnung T-t

Einordnung des Härtens in die Wärmebehandlungsverfahren

Temperatur

Zeit

Vo

rbea

rbei

tun

g

Fert

igb

earb

eitu

ng

Spannungs- armglühen

600 – 650°C

Härten

Erwärmen Halten Abschrecken

Härtetemperatur

Vorwärm- stufe

Luft

Warm- bad, Öl

Wasser

An- lassen

An- lassen


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Folie 24

Härten Übersicht



Borieren

Aufkohlen


Randschichthärten ohne Veränderung der

chemischen Zusammensetzung

Laser-Elektronen- Strahlhärten

Induktionshärten


Thermochemische Diffusionsbehandlung mit Veränderung der



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Folie 25

Flammhärten

Verfahren • Erwärmung der Oberfläche mit einem gekühlten Acetylenbrenner

• Austenitisierung mittels Flamme, anschließend schroffes Abkühlen mittels gekoppelter Wasserbrause

• chemische Zusammensetzung des zu härtenden Werkstoffes dabei nicht verändert

• Form des Brenners und der Brause der Geometrie des Bauteils angepasst

• erzielbare Härtetiefen im Bereich von mehreren mm (2-10) entspr. große Werkstücke

Werkstoffe • gleiche Werkstoffe wie zum Induktionshärten sowie

perlitischer Grauguss, Temperguss und Kugelgraphitguss

Vorteile • rel. geringe Anlagenkosten • viele Verfahrensvarianten durch Optimierung von zeitlicher Folge und Art der Bewegung von Teil, Brenner und Brause


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Folie 27

Induktionshärten/ Prinzip

Der Stahl wird lokal erhitzt (austenitisiert). Durch ein anschließendes Abschrecken wird das vorher austenitisierte Volumen in Martensit umgewandelt.

Induktionshärten: Prinzip

Video


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Folie 28

Induktionserwärmung: Prinzip

Induktionserwärmung

Leistungs- kreis

Hochfrequenz- Transformator

Werkstück

Induktor

IHF

1. Wechselstrom erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld um den Leiter (Induktor) herum.

2. In einem leitenden Werkstück wird durch den Induktor eine Spannung und damit ein Wechselstrom in umgekehrter Richtung induziert.

3. Auf Grund des elektrischen Widerstandes wird nach dem Jouleschen Gesetz im Werkstück Wärme erzeugt. Q = I² R t Q : Wärmemenge I : Strom R : Widerstand t : Zeit


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Folie 29


Wärmeentwicklung:

• Joule´sche Verluste am elektrischen Widerstand

• Hystereseverluste bei ferromagnetischen Stoffen

Die Stromdichte nimmt im Werk-stück von außen nach innen ab (Skin-Effekt).

Spule

Magnetfeld

Wirbelströme

δ = Eindringtiefe

Der Wirkungsgrad der Induktions-erwärmung hängt von der An-kopplung (Spalt) ab. Je kleiner der Spalt, umso besser die Einkopplung


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Folie 30


Ix = Stromdichte in der Tiefe x i0 = Stromdichte an der Oberfläche x = Abstand vom Rand µ= Permeabilität ν = Frequenz ρ = spez. Widerstand

Die induzierte Stromdichte nimmt im Werkstück von der Oberfläche nach innen ab.

[ ]A)10/2x(expII 70x ρνµπ−=Magnetfeld

δ = Eindringtiefe

Spule

Die Eindringtiefe δ ist definiert Ix/I0 = 1/e = 0,368. (Tiefe, bei der die Stromdichte auf 1/e = 0,37 abgefallen ist)

[ ]mm/503/102/1 7 νµρ≈νµρπ=δ

Der spez. Widerstand ρ und die Permeabilität µ ändern sich mit der Temperatur.

Vorführender


Die Einhärttiefe ist bei gegebener Leistungsdichte und Frequenz um so größer, je kleiner die Vorschubgeschwindigkeit ist, und bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit und Frequenz um so größer, je größer die Leistungsdichte ist.


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Folie 31

δ = Eindringtiefe D = Induktor O d = Bauteil O

D

Spalt

Spule Werkstück (Welle)

d Der Wirkungsgrad der Induktionserwärmung hängt von der Ankopplung (Spalt) ab. Für runde Induktoren und Bauteile gilt:

2

1th

²d²

25,61²d²D

1

1

ρµρ

δ

++=η

ρ1 = spez. Widerstand Induktor ρ2 = spez. Widerstand Werkstück

Je kleiner der Spalt, umso besser die Einkopplung.

Induktion Wirkungsgrad

Vorführender


Hochleistungs-HF-Generatoren, deren Leistung (bis 500 kW) mittels Induktoren auf das Werkstück übertragen wird. Die gekühlten Induktoren sind meistens mit entsprechenden Brausen ausgestattet, mit deren Hilfe die austenitischen Zonen abgeschreckt werden.


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Folie 32

Induktionshärten/Frequenz

Eindringtiefe = f(Frequenz)

• Betriebsfrequenz der Induktionsanlage abhängig von erforderlicher Stromeindringtiefe

• Bereich der anwendbaren Frequenzen Netzfrequenz (50 Hz) bis Kurzwellenbereich (3 MHz) Teilbereiche • Niederfrequenz 50 Hz - 500 Hz • Mittelfrequenz 500 Hz - 50 kHz • Hochfrequenz 50 kHz - 3 MHz

Bei Stahl gilt:

Mittelfrequenz (3 bis 10 kHz): δ = 8 bis 5 mm

Hochfrequenz (400 bis 2500 kHz): δ = 1 bis 0,4 mm

Hochfrequenzimpuls (27 MHz): δ = ca. 0,1 mm

Der Mikrowellenbereich 13 MHz bis 27 MHz weist in der Regel hohe Übertragungsverluste auf und ist sehr justierempfindlich. Die Mikrowellen werden auf Grund ihrer geringen Eindringtiefe als Oberflächenwärmequellen bei sehr dünnen Bauteilen eingesetzt.

Vorführender


Die Einhärttiefe ist bei gegebener Leistungsdichte und Frequenz um so größer, je kleiner die Vorschubgeschwindigkeit ist, und bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit und Frequenz um so größer, je größer die Leistungsdichte ist.


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Folie 33

Induktionshärten Eindringtiefe

Quelle: HWG Inductoheat

Werk- stoff

Freq.

Eindringtiefen δ (mm) bei verschiedenen Werkstoffen in Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur


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Folie 34

D

Spalt 1

Spule

d Spalt 2

Stro

md

ich

te

Dejustierung von Bauteil und Induktor führt zu ungleichmäßiger Erwärmung. Je größer die Frequenz, desto kritischer wird die Justierung.

Abhilfe: Bauteil justieren lassen.

Induktion Dejustierung


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Folie 35

Induktionshärten/Induktoren

Induktoren

Ringinduktoren Flächeninduktoren

Quelle: hwg-Inductoheat.de

Die Größe und Form der Induktorspule sowie der Leistungs-umsatz werden immer dem Erwärmungsgut und der Technologie angepasst.

Material: Elektrolytkupfer

Vorführender


Kein Verschleiß


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Folie 36

Induktionshärten Vor- und Nachteile

Vorteile - gleichmäßiges Aufheizen der zu härtenden Stellen

- kurze Erwärmungszeiten geringe Zunderbildung

keine Grobkornbildung

- kaum Nacharbeit nötig; geringer Verzug

- sichere Beherrschung der Wärmezufuhr, Temp.einhaltung

- partielle Härtung auch bei schwierigsten Formen

- einfach in Fertigungslinie integrierbar, Automatisierung

- geringer Platzbedarf, einfache Bedienung, betriebssicher

- nicht umwelt- oder gesundheitsschädigend

Nachteile - hohe Anschaffungskosten erfordern sehr gute Auslastung

- verschiedene Induktoren für einzelne Verfahren

- zw. Kern und Randschicht vergüteter Stähle mitunter

Weichzone

- große Einrichtkosten bei häufig wechselnden Werkstücken

- Mithärten von Querschnittsübergängen teilweise schwierig


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Folie 37

Induktionshärten/Werkstoffe

Vergütungsstähle:

• Hauptanteil der eingesetzten Werkstoffe z.B. 42CrMo4

• Erwärmung auf 900-950°C ( im Austenitgebiet )

Mikrolegierte Stähle: 38MnSiVS 6, 38MnS 6

• Entspannen aus der Restwärme, aber anderer Härteverlauf:

Stahlguss: GS-Ck 45

Kugelgraphitguss: GGG 70, GGG 80

• Erwärmung unter 900°C

• manchmal Angabe des Perlitanteils ( mind. 75% )

, 34CrNiMo 6

Werkstoffe zum Induktionshärten

Baustähle:

• Einsatz nur in größeren Bauteilen mit weniger genauem Härteverlauf z.B. bei gezogenen Halbzeugen Randentkohlung

Vorführender


geeignete Werkstoffe sind untereutektoide, übereutektoide und -mit gewissen Einschränkungen - legierte Stähle.


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Folie 39

Härten Induktionshärten/ Einsatz

Einsatz des • Ofen- und Flammhärten werden durch das Induktions- Induktionshärtens härten ergänzt

• zusätzliches Härteverfahren, Einsatz nur bei technischem und ökonomischem Vorteil

• vorteilhafter, je kleiner zu härtende Oberfläche im Vergleich zur Gesamtoberfläche

Einsatzbeispiele - an Kurbelwellen → Umlauf-Standhärten

- an Zahnrädern → Standhärtung

- an Nockenwellen → Standhärtung, Umfangsvorschubhärten

- Maschinenführungen → Flächeninduktionshärten

Vorführender


Zahnrädern, Nockenwellen, Motorventilen, Messerklingen etc. Die erreichbare Härte beträgt bis zu 90% des maximal möglichen, d.h. von der Stahlsorte abhängigen Wertes.


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Folie 41

Härten Übersicht



Borieren

Aufkohlen




Laserstrahl-/Elektronen- strahlhärten

Induktionshärten





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Folie 42

Schematische Darstellung einer Laserstrahlhärtung

Werkstück und Laserstrahl werden relativ zueinander mit der Geschwindigkeit vH bewegt. In dem von der Ac1-Isothermen umrandeten Bereich (1) wandelt sich das Gefüge in Austenit um. Im daran angrenzenden Bereich (2) innerhalb der Martensit-Start-Isotherme wird der Austenit unterkühlt, bis nach Passieren der MS-Linie die Martensit-bildung einsetzt (3).

Schema Laserstrahlhärten

Kein Schmelzprozess !


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Folie 43

Laserstrahlhärten T-t

Schematische Darstellung des Temperatur-Zeit-Verlaufs und der korrespondierenden Gefügeumwandlung bei einer Härtung mit Laserstrahlung

Aufheizphase Abkühlphase Halte- phase

Ac 1

M S

M 1

t

T / °

C

1200

1000

800

600

400

200

0

100

80

60

40

0

20 M a r

t e n

s i t a

n t e

i l /

%

A u s t

e n i t

a n t e

i l /

%


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Folie 44

Mindesthaltezeiten th,min für die vollständige Auflösung von Karbid-Lamellen in Abhängigkeit von der halben Dicke der Lamelle zKarbid für verschiedene Temperaturen.

tz

Dh

Karbid

,min ≅ ⋅32

0,5 µm < zKarbid < 3 µm 4 · 10-4 s < th,min < 3 · 10-2 s

Typische Dicken von Karbid-Lamellen und Mindesthalte-zeiten bei Austenitisierungs-temperatur (T ≅ 1000 K) sind:

Der Diffusionskoeffizient des Kohlenstoffs im Stahl hängt von der verwendeten Stahlsorte und der Temperatur ab.

Stärke der Fe3C-Lamellen Erwärmung:

Gefüge Perlit

Vorführender


Auflösungszeit sinkt mit steigender T und steigt mit Dicke


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Folie 45

Laserstrahlhärten

Video


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Folie 46

Verfahrensmerkmale - noch höhere Erwärmungsgeschwindigkeit als beim Induktionshärten

- Tiefe der Härtezone abhängig von:

Strahlleistung, Leistungsdichte, Wellenlänge des Laserlichts, Vorschubgeschwindigkeit = technologische Parameter

- typische Einhärtetiefen: 0,3-2 mm

- Flächen durch paralleles Abfahren von Bahnen gehärtet

- Selbstabschreckung – keine zusätzliche Kühlung nötig

- genau lokalisierbar und präzise steuerbar; automatisierbar

- hohe Anlagenkosten (CO2-Laser, Hochleistungs-Diodenlaser)

- werkstoffabhängig: Auftragen einer Absorptionsschicht

Laserstrahlhärten Verfahren


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Folie 47

Ofen induktiv Laser

10 µm

Typische Gefügeaufnahmen für eine Ofenhärtung, eine Induktions- und eine Laserstrahlhärtung

Härten/Gefügevergleich


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Folie 48

Rotation / 10 Umdrehungen6

Tröpfchenschlagverschleißtest

vergütet flammgehärtet beschichtet mit Stellit W3K

ND-Stufe 80 MW-Turbine

Härtungsprozess 1300 MW-Schaufel

laserstrahlgehärtet

Laserstrahlhärten

Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln


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Folie 49

• Laserstrahlhärten mit unterschiedlichen Lasertypen: CO2-, Scheiben-, Faser-, Diodenlaser

• Strahlformung durch reflektive Optiken

• Strahloszillationen mit Frequenzen > 200 Hz

-> quasi-stationäre Temperaturfelder

• Typische Scanwinkel < 8 °

Laserstrahlhärten


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Folie 50

Leitfaden Turbine: Laserhärten

- Realisierung strömungsgünstigerer, stärker verwundener Profile - Entwicklung freistehender, sehr langer Endstufenschaufeln ohne Dämpferelemente, die den Strömungswiderstand vergrößern - Einsatz von Deckplattenschaufeln mit geringeren Spaltverlusten mechanische Eigenschaften der martensitischen Stähle unzureichend werkstofftechnische Grenzen verschieben Lösung Ausscheidungshärtbare Cr-Ni-Stähle

Laserstrahlhärten von Dampfturbinenschaufeln / ausscheidungshärtbare Stähle Hintergrund Steigerung des energet. Wirkungsgrades von Dampfturbinen

IWS + Siemens AG entwickelten Technologie: nutzt altbekanntes Prinzip „harte Randschicht – zäher Kern“

Quelle: Fraunhofer IWS


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Folie 51

Klassifizierung von Bauteilgeometrien für die Randschichtbehandlung mit Laserstrahlung

Typische Formelemente Gestalt des Gesamtbauteils

eben

rotationssymmetrisch (Innen-, Außenzylinder)

konvex

konkav

Werkzeuge

Kanten Radien

Nuten Stege

Zähne Schneiden

Nadeln Innenkonturen

Laserstrahlhärten/Geometrien


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Folie 52

Randschichthärten von Zangenschneiden mit Nd:YAG-Laserstrahlung

Bearbeitungsbeispiel: Härten von Zangenschneiden a) Problem: Festigkeitsprobleme im Bereich der Schneiden- spitze durch induktives Härten b) Schematische Darstellung c) Anwendungsbeispiel (Seitenschneider)

d) Querschliff

e) Beurteilung • Härtetiefe LHT ≥ 1mm • Härte ≈ 750 - 800 HV 0,3

C 45 cw - Betrieb PW = 800 W fAufw = 100 mm

Laserstrahl Härtezone

Draufsicht Querschliff

1 mm

20 mm

Laserstrahlhärten


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Folie 53

Einbringung von Druckspannungen durch Radienhärtung

42 CrMoS 4 PW = 1350 W v = 150 mm/min

x

yz

Prozessgasdüse

Laserstrahl

1 mm

Laserstrahlhärten


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Folie 54

Laserstrahlhärten

Diodenlaserhärten mit Robotern

Diodenlaser

Härtoptik


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Folie 55

Integrierte Wärmebehandlung

• Drehfräsmaschine

• 2.2 kW Diodenlaser an Werkzeugrevolver

• Härten integriert in Dreh- und Drehfräsprozesse

• Ablauf: Drehen -> Härten -> Hartbearbeitung ohne Ausspannen des Teiles => hohe Präzision => schnellere Bearbeitung

Laserstrahlhärten


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Folie 56

Integrierte Wärmebehandlung

Video

Laserstrahlhärten

-Dreh-Fräs-Maschine N20 von NILES-Simmons

-Rofin DL022 an Werkzeug- revolver

-Laserhärten integriert in Dreh- und Fräsprozesse

- mechanische Bearbeitung -> Härten -> mechanische Bearbeitung ohne Ausspannen des Teils => höhere Genauigkeit => schnellere Bearbeitung


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Folie 57

Automatisiertes Laserhärten GEOPT : Programm zur Parameterermittlung LompocPro: Postprocessor zur Bahnsteuerung PrOFeT: Temperaturregelung

Laserstrahlhärten


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Folie 58

Laserstrahlhärten

Systemintegriertes Laserhärten

Video


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Folie 59

Induktion Elektronenstrahl Laserstrahl

Vorteile

• partielle Härtung • hoher Automatisierungsgrad • geringe Investitionskosten • hohe Einhärtetiefe

(0.5 - 10 mm)

• präzise örtliche und zeitliche Steuerbarkeit des Energieeintrags

• geringer Verzug • keine Vorbehandlung (z. B.

Absorptionsschichten) der zu härtenden Fläche nötig

• keine externen Abschreckmedien • geringe Einhärtetiefen möglich • geeignet für kleine Losgrößen

• präzise örtliche und zeitliche Steuerbarkeit des Energieeintrags

• geringer Verzug • kein Vakuum notwendig • Härten von geometrisch

schwierigen Bauteilbereichen • geringe Einhärtetiefen möglich • geeignet für kleine Losgrößen

Nachteile

• hohe Kosten für Induktoren • Anpassung der Induktoren an die

Härteaufgabe • externe Abschreckmedien

erforderlich • Verzug • hohe Rüstzeiten • geringe Flexibilität

• hohe Investitionskosten • Anlaßzone im Stoßbereich • geringe Einhärtetiefen • Vakuum notwendig

• hohe Investitionskosten • Anlaßzone im Stoßbereich • geringe Einhärtetiefen • nur für Werkstücke ab einem

bestimmten Volumen geeignet • Absorptionsschicht der zu

härtenden Flächen erforderlich (nur CO2-Laser)

Laserstrahlhärten


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Folie 60



Borieren

Aufkohlen




Laser-Elektronen- Strahlhärten

Induktionshärten




Härten Übersicht


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Folie 61

Diffusionsprozess Atomarer Stickstoff diffundiert in die Oberfläche über Zwischengitterplätze, Fehlstellen oder Korngrenzen. Der Diffusionsprozess ist temperaturabhängig und vergleichbar dem Carburieren und dem Borieren. Der atomare Stickstoff kann entsprechend dem Kohlenstoff beim Eisenkarbid Fe3C ins Eisengitter eingebunden werden und bildet dann das kfz-Eisennitrid Fe4N. Dieses besitzt eine extreme Härte. Außerdem kann das versprödende ε-Nitrid Fe2,5N entstehen.

γ – Fe Austenit

N

Fe4N Eisennitrid

N

Nitrieren Gefüge

Vorführender


Mit größerem Abstand von der AO sinkt der N2-Gehalt (erf), bis er nicht mehr zur Umwandlung in Eisennitride reicht. Geht auf Leerstellen und ZGP—> Werkstoff härter


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Folie 62

- Nitriergut in eine Vakuumkammer bei 10 bis 1000 Pa (0,1 bis 10 mbar)

- in einer aus NH3, CH4 und N2 bestehenden Gasmischung über 0,5 bis 20 Stunden

- Behälterwandung zur Anode, das Werkstück zur Kathode geschaltet und Gleichspannung von 300 bis 700 V angelegt

- im entstehenden Plasma chemische Reaktion wie beim Gasnitrieren, jedoch:

- entstehende Temperatur zwischen 350 und 600 °C - Chemische Reaktion: 2 NH3 = 3 H2 + 2 N N + e- = N+

Plasmanitrieren

Plasmanitrieren Prinzip

Vorführender


Reinigen 2. Aufheizen 3. Anreichern Selbstabschreckung


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Folie 63

Glimmnitrieren = Ionennitrieren = Ionitrieren

Modifizierung der Bauteiloberfläche

durch plasmaunterstütze Eindiffusion von Stickstoff

Stahl: 500 - 580 °C, 4 - 20 h

Verbindungsschicht ≤ 30 µm Eisennitride 6 bis 10 % N (beim Nitrocarburieren bis 2 % C) - oft mit Porensaum Diffusionsschicht 100 - 1000 µm 0,2 bis 5 % N, N gelöst in Ferrit und als feindisperse Nitride und Carbo- nitride der Legierungselemente (Cr, Ti, Al, B,..) ausgeschieden

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Abstand von Oberfläche (mm)

200

400

600

800

1000

1200

1400

Här

te H

V 0

,2

X 35 CrMo 17 (1.4122)

34 CrAINi 7 (1.8550)

X 40 CrMoV 51 (1.2344)

VS DZ

Plasmanitrieren Stahl


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Folie 64

Haubenofen- anlage

METAPLAS IONON

alternativ: Schachtofen

Plasmanitrieren

Vorführender


Teuer weil Vakuum


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Folie 65

Bauteile in einer gepulsten DC-Glimmentladung Druck: 600 Pa Spannung: 500 V Puls/Pulspause: 100/200 µs/µs Gasgemisch N2/H2: 80/20 Man kann deutlich den eng anliegenden Glimmsaum erkennen, der die gleichmäßige, konturgetreue Behandlung der Bauteile gewährleistet. Anomale Glimmentladung: die gesamte Kathode ist vom Glimmsaum bedeckt.

Bauteile beim Plasmanitrieren

Vorführender


mm…cm in f(p, U)


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Folie 66

Plasmanitrieren Werkstoffe

• Stähle: im Prinzip alle Stähle nitrierbar mit steigendem Gehalt nitridbildender Legierungselemente nimmt erreichbare

Randhärte durch Bildung von Sondernitriden zu da dann weniger Stickstoff für die Diffusion zur Verfügung steht, nimmt die Nht ab. mit bestimmten Verfahrensparametern (niedrige Temperatur) auch Austenite ohne

Verlust der Korrosionsbeständigkeit nitrierbar

• Aluminiumlegierungen: Stickstoff unlöslich in Al, daher nur Bildung einer bis zu 15 µm dicken VS aus AlN,

keine DZ, Nitrieren nur möglich nach Absputtern der dichten Oxidschicht, dadurch aber große Rauheitszunahme +

besseres Verfahren: PI3

• Titan und Ti-Legierungen: Bildung einer VS aus TiN, Ti2N (und Ti2AlN), Dicke 3 µm bis 5 µm bei 900 °C Diffusionszone: Nht maximal 60 µm bei 900 °C (TiN Diffusionsbarriere für

Stickstoff) • Kobaltbasislegierungen, Spritzschichten, Chromschichten

Vorführender


Gefahr der Zersetzung der Cr-Passivschicht Ti: Dauerschwingfestigkeit sinkt


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Folie 67

Plasmanitrierte Bauteile

Plasmanitrieren Beispiele


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Folie 68

Documents

Fertigungstechnik I - tu-dresden.de · Hinweis: Die Struktur lässt sich beschreiben als flächenzentrierte Packung von Fe-Atomen, in der jede 12. Oktaederlücke durch ein C-Atom