Nachdem wir uns über Gusseisen kundig gemacht haben, wollen wir uns jetzt zusammen anschauen, was Stahl eigentlich ausmacht und was für verschiedene Stähle und dort natürlich auch welche Wärmebehandlungen es gibt. Denn das war ja genau das, was Stähle so wertvoll macht. Aber fangen wir erstmal wieder mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm an. Und diesmal, das ist klar, zählt natürlich der metastabile Zustand, der jetzt hier auch nur abgebildet ist.
Und uns interessiert natürlich nur der Bereich mit einem Kohlenstoffgehalt kleiner 2%, gut, eigentlich 2,06%. Also Sie wissen, es geht hier um diesen Bereich. Und jetzt...
natürlich hier um den Bereich. Was sehen Sie auf dem Bild oder was sehen Sie hier? Es sind jetzt einfach vier Legierungen ausgesucht, vier Stähle und rechts oben sind vier Gefügebilder, Mikrostrukturen, Gefügebilder aus metallografischen Schliffen dargestellt.
Und wenn wir vielleicht erstmal schauen, was steht denn eigentlich in diesem Zustandsdiagramm drin? Wir haben hier bei allen Stellen ein Phasenfeld, da steht Schmelze drin. Und diese Schmelze wird für diese unterschiedlichen Legierungen, hier gibt es auch noch eins, die Nummer 1, das ist jetzt quasi nahezu. oder überhaupt reines Eisen. Also wir sehen, der Beginn der Erstarrung sinkt von 1 nach 4. Aber oberhalb dieser Temperaturen liegt Schmelze vor.
Dann kommen wir zumindest mit den Legierungen 2, 3 und 4 in ein weiteres Phasenfeld. Da steht hier drin Schmelze und Gamma-Mischkristall. Vielleicht erinnern Sie sich, Gamma-Mischkristall, das war aus den NIT. Das heißt, hier bilden sich erste Kristalle und zwischen den Temperaturen, die wir natürlich dann jetzt hier drüben auf der y-Achse ablesen können, da ist die Erstarrung beendet.
Ich mache das jetzt mal nur für die Legierungen 2, 3 und 4. Welches Phasenfeld wird noch durchlaufen? Es wird als nächstes zumindest für diese Legierungen 2, 3 und 4 ein Phasengebiet durchlaufen. Da ist alles fest und es gibt nur Gamma-Mischkristalle, das heißt kubisch flächenzentrierte Gitterstrukturen. Es ist also ein Einphasengebiet, alles ist fest.
Das Ganze, wenn wir weiter abkühlen... Kommt jetzt an dieser Stelle an eine weitere Linie. Sie wissen, diese Linie von S nach E, das ist die sogenannte Segregatlinie. Da kommt es zu einer Ausscheidung. Das Gamma-Mischkristall kann nicht mehr den gesamten Kohlenstoff aufnehmen.
Und wenn wir abkühlen, dann muss da irgendwie Kohlenstoff raus aus dem Gitter. Der Kohlenstoff geht nicht verloren. Was bildet der?
Der bildet Zementit. Dazu braucht er zugegeben noch ein paar Eisenatome, aber da finden sich welche. Und damit landen wir in diesem Phasengebiet Gamma-Mischkristall und Zementit, zumindest für diese Legierung 4. Gucken wir uns die 3 an, da ist es ein bisschen anders.
Da kommen wir hier an diese Umwandlungslinie und aus dem Gamma-Mischkristall wird sofort mit einem Mal eine andere Gitterstruktur, nämlich ein kubisch-raumzentriertes Gitter, das Alphamisch-Kristall und Zementet, das ist wieder ein Zwei-Phasen-Feld. Wir sehen, wenn wir die Legierung 4 anschauen, dann ist das eine Situation, die quasi bei den für diese Legierung genauso eintritt. Auftritt. Bei der Legierung 2 kommen wir...
Hier bei dieser Temperatur. In ein Phasengebiet, das ist jetzt gar nicht beschriftet hier, sehe ich gerade, aber vielleicht erinnern Sie sich, da steht drin Alpha-Mischkristall und Gamma-Mischkristall. Das bedeutet, bei in diesem Fall einer Temperatur von ca.
770°C wird unser Gamma-Mischkristall oder beginnt ein Teil des Gamma-Mischkristalls. umzuwandeln, nämlich in Alpha-Mischkristall. Das ist bei 723 Grad abgeschlossen und dann landen wir in einem Phasengebiet, wo es wieder nur Alpha-Mischkristall und Zementit gibt.
So, das erstmal sozusagen die... Sachlage. Sie können also sich eine Legierung auswählen und die Abkühlung aus der Schmelze beschreiben. Bei welcher Temperatur liegt welche Phase vor oder welche Phasen.
Und auf jeden Fall wissen Sie, wann alles fest ist und Sie wissen zum Schluss, landen Sie irgendwie immer in diesem Phasengebiet Alphamisch-Kristall und Zementet. Das heißt, wenn wir uns jetzt rechts diese Bilder anschauen und wir sagen mal, das ist das Gefüge bei Raumtemperatur. Dann wäre jetzt die Frage, was sehen wir eigentlich in diesen Bildern? Ich würde sagen, wir fangen mal mit dem Einfachsten an. Und zwar ist das...
das bild nehmen wir schwarz das ist die nummer eins das ist quasi ja man denkt es ist reines eisen jetzt bei der nummer eins aber so ein bisschen kohlenstoff ist da drin Und was liegt vor? Es liegt quasi ein Gefüge vor, wo wir nahezu nur Verritt haben. Also wir haben alles das, was hell ist. Hier dieser helle Bereich, das ist unser Ferrit, das ist unser Alpha-Mischkristall.
Und was haben wir noch? Wir haben hier steht drin Ferrit mit Ausscheidung von Terzier, Zementil. lassen sich von dem tertiär nicht beunruhigen das ist natürlich der zement der in in dritter reihenfolge gebildet wird und was ist hier der zement das ist hier so ein bisschen des dass er Das ist an der Stelle der Zemented. Das heißt, wenn wir jetzt nochmal hier unten reinschauen, hier unten steht drin Alpha Mischkristall und Zemented. Das ist eigentlich auch das, was wir auf diesem Gefügebild sehen.
Und wir haben natürlich... wenig Kohlenstoffgehalt und deswegen gibt es hier natürlich wenig Zementit. Also wenn wir hier unten dieses Phasenfeld Alphamischkristall und Zementit haben, dann bedeutet das nicht, dass Alphamischkristall und Zementit immer in den gleichen Anteilen vorliegt, sondern da steht ja nur drin, dass es das gibt, aber wie viel von dem einen und dem anderen, das ist jetzt sozusagen... von rechts nach links unterschiedlich. Schauen wir uns das zweite Bild an.
Und das gehört natürlich hier zu der 2. Da sehen Sie diese hellen Bereiche. die sind jetzt nicht mehr so umfänglich also nicht mehr so viel wie in dem linken bild und dann gibt es hier bereiche die ja also es stimmt jetzt nicht ganz vielleicht könnte ich noch eine andere farbe wählen gute idee nämlich doch mal orange wir sehen diese bereiche Ich zeichne die jetzt nicht alle nach. Das ist Perlit. Und ich hoffe, Sie erinnern sich. Perlit, zur Erinnerung.
Ups, machen wir mal noch Perlit. Perlit ist gleich... wird und cemented in einer streifigen Anordnung.
Zugegeben, diese streifige Anordnung ist jetzt hier sozusagen von weitem Ja, so sieht die halt aus. Ich nehme jetzt mal meine rote Farbe. Also hier sehen Sie so streifige Anordnung.
Also ich würde sagen, hier unten sehen Sie das ganz deutlich. Das ist definitiv irgendwie so streifig hier. Und hier sehen Sie das auch. Also in den weiteren Bildern. Das ist der Perlit.
Und natürlich haben wir hier wieder Ferrit, das war das Helle. Das heißt, wir sehen zunehmender Kohlenstoffgehalt und es liegt natürlich immer noch Alphamischkristall und Cemented vor, so wie es in diesem Phasengebiet drin steht. Aber wir haben jetzt hier weniger Ferrit und dafür mehr Pellet. Und in dem Pellet ist natürlich... cemented drin.
An welcher Position bildet sich eigentlich der Perlit? Perlit bildet sich hier an dieser Stelle, bei diesen Temperaturen, an dieser 723°C Umwandlungslinie. Und wenn wir uns jetzt die Nummer 3 anschauen, so sehen die Bilder einfach aus. Da haben wir 100% perlit.
Das heißt, alles was Sie hier sehen, jetzt wieder orange, also ich könnte jetzt hier alles da so reinzeichnen, alles ist perlit. Und da perlit wiederum aus ferrit und cemented besteht, stimmt das. So, was passiert, wenn wir jetzt die Legierung 4 anschauen? Zugegeben, was kann eigentlich passieren, je weiter wir nach rechts kommen, es kann sich eigentlich nur noch mehr Zementit bilden.
Also das Alphamischkristall, das ist voll mit Kohlenstoff, mehr kann da nicht aufgenommen werden. Und was Sie in dem rechten Bild oder in dem letzten Bild jetzt sehen, das ist natürlich die Nummer 4, ist wiederum dieser Zementit. Zemented. Oder nee, also ich mag jetzt nicht nochmal drin rummalen. Auf jeden Fall haben wir Perlit und wir haben zusätzlichen Zemented und der führt dazu, dass diese hellen Bereiche an dieser Stelle jetzt mal ausgeprägter sind.
Und man sieht einfach auch hier an dieser Stelle der Zemented ist einfach mehr geworden. Also... Im Grunde genommen müssen Sie das im Detail gar nicht wissen. Was ich gerne hätte, dass Sie in der Lage sind, dieses Zustandsdiagramm zu lesen.
Und natürlich, das habe ich schon gesagt, gibt es jetzt welche, da steht dann direkt das Pellet drin und Tertiärzementit zum Beispiel, was auch immer. Aber eigentlich kann man sich hier einen Stahl raussuchen und sagen, Also zum Beispiel Nummer 2, das ist jetzt ein Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,5% Kohlenstoffgehalt. Und das ist natürlich jetzt nur theoretisch so, in diesem Zustandsdiagramm bedeutet das dann 99,5% Eisen. Da werden noch Begleitelemente drin sein, sodass es dann eben nicht 99,5 sind, aber... Um jetzt mal hier natürlich 100% zu haben, ist es schon korrekt, wenn wir jetzt hier 99,5% Eisen hinschreiben.
Bei der Nummer 3 haben wir eine chemische Zusammensetzung von 0,8% Kohlenstoffgehalt und natürlich 99,2% Eisen. Also auch hier stimmt nicht so ganz, aber da sind noch andere Begleitelemente drin. Aber...
Wenn wir hier quasi mal diese vier unlegierten Stähle betrachten, dann können Sie unten über den Kohlenstoffgehalt natürlich ausrechnen, was dann der Rest sein muss. Sie sehen hier noch eine andere Skala unten, die glaube ich hatten wir auch schon mal. Und jetzt wähle ich wieder die grüne Farbe.
Was ist nämlich hier angegeben? Der Zementit-Gehalt in Gewichtsprozent. Das ist nicht ganz das Grün.
Und Sie sehen also hier, An dieser Stelle Legierung 2 hat ca. 15%, ne 7,5% zemented. Legierung 3 hat ungefähr 12% zemented.
Insgesamt Legierung 4, 19% und vielleicht ganz am Ende sehen Sie, Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm endet bei 6,67% Kohlenstoffgehalt. Das ist kein Stahl mehr, das ist schon klar. Auf jeden Fall sehen Sie hier, da liegt 100% Zement vor.
Das heißt, mehr geht eigentlich da nicht rein. Okay, also an der Stelle einfach mal ein paar Bilder von metallografischen Schliffen. wo man quasi sehen kann oder auch abschätzen kann, wie viel Kohlenstoffgehalt da drin ist. Also man kann sowas sichtbar machen. Dann überlegen wir mal, welche Stähle könnten denn welche Legierungszusammensetzung haben.
Und wenn ich jetzt mal so ein paar grundlegende Stähle hier... Auftrage oder hier hingeschrieben habe, dann gibt es zum Beispiel Baustähle, Konstruktionsstähle und dann unten drunter sehen Sie zum Beispiel Werkzeug-und Wälzlagerstähle. Und wenn wir mal vielleicht die beiden anschauen, also ich würde sagen mit einem Werkzeugstahl würde ich gerne einen Baustahl bearbeiten und daher muss der natürlich andere Eigenschaften haben.
Oder beide müssen andere Eigenschaften haben. Und jetzt können wir ja mal überlegen, welche Stähle denn hier eventuell zuzuordnen sind. Welcher Kohlenstoffgehalt jetzt hier derjenige ist, der für diese Stähle zutrifft.
Und natürlich hat der Kohlenstoffgehalt einen großen Einfluss auf die Eigenschaft. Ich würde sagen, fangen wir mit den Baustellen an. Wir haben auch schon mal in eine Norm geschaut und da hatten wir festgestellt, ach und auch einen Zugversuch haben wir an Baustahl untersucht und da haben wir festgestellt, also der hat jetzt Festigkeiten, die sind jetzt nicht so doll, so richtig hoch, aber der ist definitiv zäh, beziehungsweise sollte er zäh sein bei Raumtemperatur.
Und das kriegen wir nur hin, wenn wir relativ niedrige Kohlenstoffgehalte haben. Niedriger Kohlenstoffgehalt. Und das bedeutet schlussendlich auch einen niedrigen Zemented-Gehalt.
Fe3C schreibe ich jetzt mal hin, Gehalt. Und daraus resultiert eine relativ niedrige Festigkeit, aber eine hohe Verformungsfähigkeit. Also dieser Zusammenhang sollte eigentlich klar sein. Vielleicht machen wir mal unten weiter.
Ich würde sagen, jetzt ist klar, Werkzeug und Wärtslagerstäle, die also hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, haben definitiv höhere, niedriger Kohlenstoffgehalt, höherer Kohlenstoffgehalt und natürlich einen höheren. zementiert gehalten. Und damit liegen diese Stähle natürlich weiter rechts.
Logisch. Und Ergebnis ist, wir haben eine höhere Festigkeit und ja, leider an dieser Stelle eine niedrigere Verformungsfähigkeit. Das allein hat was mit dem Kohlenstoffgehalt zu tun und natürlich damit halt mit der Position im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm.
Gehen wir vielleicht wieder zurück zu den Bau-und Konstruktionsstählen. Eigentlich ist es trivial, weil wir haben es schon hingeschrieben, hohe Verformungsfähigkeit bedeutet, diese Stähle sind sehr gut umformbar. Denken Sie da immer dran. Es gibt Bleche, Rohre, irgendwelche Profile.
Das sind also Bau-oder Konstruktionsstähle, die einfach umgeformt werden, plastisch umgeformt. Was kann man noch mit diesen Stählen machen? Man kann sie eigentlich uneingeschränkt schweißen. Und das ist etwas, was man natürlich mit diesen Stählen auch machen möchte. Schleimgeschränkt schweißbar.
Liegt auch hier am Kohlenstoffgehalt. Dafür brauchen wir so Kohlenstoffgehalte ungefähr 0,25% in dieser Größenordnung. Und das ist das, was man machen möchte. Man möchte da jetzt nicht irgendwie groß vorwärmen, nachwärmen oder was auch immer.
Und auch das hat etwas... ganz konkret mit dem Kohlenstoffgehalt zu tun. Wir werden das noch mal betrachten, wenn wir uns über ein Wärmebehandlungsverfahren, nämlich das Härten von Stahl unterhalten.
Da werden wir sehen, dass das unmittelbar mit der Schweißbarkeit zusammenhängt, denn, Sie vermuten es vielleicht schon, die mit den hohen Kohlenstoffgehalten, die kann man schweißen. aber das ist definitiv ein Aufwand. Da gibt es starke Einschränkungen. Also Schweißen von Werkzeugstellen, das ist schon was ganz besonderes, wenn man so was macht. Also das hat was mit dem Kohlenstoffgehalt zu tun.
Das bedeutet aber auch hier oben, die sind nicht härtbar. Härtbar heißt durch Wärmebehandlung, durch ein abschrecken. Also Härten von Stahl funktioniert nicht oder nicht wesentlich bei Bau-und Konstruktionsstellen.
Das liegt einfach am Kohlenstoffgehalt. Aber dafür gut schweißbar. So, was haben wir noch? In der Regel werden hier bei diesen Bau-und Konstruktionsstellen, also in der Regel werden keine weiteren Legierungselemente hinzugefügt. Das heißt...
Das was wir hier im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm finden, bei niedrigen Kohlenstoffgehalten, das ist so wie es ist. Es gibt ein paar Begleitelemente, aber die sind einfach da, die sind immer da. Also das sind damit unlegierte Stähle.
Jetzt kommen wir zu den Werkzeug-und Wälzlagerstählen, da haben wir schon mal gesagt, Die haben eine hohe Festigkeit, niedrige Verformungsfähigkeit. Und jetzt schreiben wir vielleicht, weil wir das da oben, also damit sind die natürlich nicht umformbar, also die werden nicht umgeformt. Aber, oder schreiben wir mal hier hin, vielleicht in Klammer, damit es passt, eingeschränkt schweißbar. Prinzipiell können Sie jeden Stahl schweißen, aber die können nur mit großem Aufwand geschweißt werden, was bedeutet Vorwärmen, Nachwärmen etc. Also nicht einfach hingehen und schweißen.
Aber jetzt kommt's. Wenn wir da oben geschrieben haben, die sind nicht härtbar durch eine Wärmebehandlung, dann gibt es hier bei diesen Werkzeugstählen viele Wärmebehandlungen, die man machen kann, um die Eigenschaften und insbesondere da nochmal Festigkeit, die Festigkeit einzustellen. Werkzeug-und Weltslagerstähle werden wärmebehandelt. Das heißt, schreiben wir das noch hin, Wärmebehandlungen wie Härten und andere Verfahren in der Regel durchgeführt. Also hier spielt die Wärmebehandlung eine große Rolle.
Da oben haben wir zwar hingeschrieben, die sind nicht härtbar. Das gibt ein Wort, das schreibe ich jetzt mal hier unten drunter. Die sind wärmebehandlungsfähig. Also ein bisschen was das bedeutet. Es gibt ein paar Wärmebehandlungen, die kann man machen, die macht man auch natürlich.
Baustelle werden zum Beispiel im normal geglühten Zustand ausgeliefert. Aber um Eigenschaften. in einem breiten Maße einzustellen. Also das funktioniert bei den Bau-und Konstruktionsstählen nicht, aber bei den Werkzeug-und Felslagerstählen.
Also da wird viel Wärme behandelt. Da wird das ganze Spektrum ausgenutzt. Und jetzt kommt es dazu, in der Regel werden solche Stähle noch legiert mit weiteren Elementen. in der Regel weitere Legierungselemente zugefügt, um eben hier noch weitere Eigenschaften einzustellen, insbesondere die Festigkeit. Zur weiteren schreibt man es hin, Festigkeitssteigerung.
Was sind das für Elemente? Das ist zum Beispiel Chrom, das ist Molybdenum, Titan, das ist durchaus auch Wolfram. Also da finden Sie quasi dann weitere Stähle.
weitere Legierungselemente, die zugefügt werden. Aber erstmal vom Prinzip her, das Wichtigste ist der Kohlenstoffgehalt, der natürlich bei den Bau-und Konstruktionsstellen niedriger ist, als bei den Werkzeug-und Wälzlagerstellen. Das kann man sich ganz einfach merken.
Dadurch ändert sich die Festigkeit und wir wollen schließlich mit unserem Werkzeugstahl den Baustahl bearbeiten. Wenn der dann nicht eine höhere Festigkeit hat, dann funktioniert das nicht. Wir sehen also, dass es Stähle gibt, die man Wärme behandeln kann, wo nachher auch wirklich die Eigenschaften sich ändern. Aber es gibt auch welche, da funktioniert das nicht. Also da können Sie die gleiche Wärmebehandlung machen.
Aber da kommt nichts raus. Das wäre jetzt quasi unser nächster Punkt, uns anzuschauen, welche Wärmebehandlungen es denn eigentlich gibt, wovon das abhängt und wie diese durchgeführt werden.