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Wärmebehandlungsverfahren für metallische WerkstoffeZustandsschaubild Fe-Fe3CMichaela Sommer, M.Sc.
Deutsches Industrieforum für TechnologieGrundlagen, Abläufe und Kriterien bei der Wärmebehandlung von MetallenBad Herrenalb, 15.06.2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
► Daten & Fakten§ Gründung: 01.07.2013§ Mitarbeiteranzahl: 14§ Umsatzplan 2015: ~ 510T Eur§ Umsatzplan 2016: ~ 700T Eur§ Gesellschaftssitz: Lüdenscheid§ Gesellschafter der KIMW-F ist die Trägergesellschaft e.V. mit über
250 aktiven Mitgliedern aus Europa
Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
2
► Organigramm
Technischer BeiratKuratorium
Trägergesellschaft e.V.
gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
15. Juni 2016Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
3
► Maschinenhersteller
► Rohstoffhersteller
► Werkzeug- und Formenbauer
► Peripheriegeräte, Automatisierung
► Alle Branchen: Automobilindustrie, Elektroindustrie, Leuchtenindustrie, Medizintechnik, …..
► Universitäten, Fachhochschulen, Institute, Cluster, …
sind in der Trägergesellschaft vertreten
Trägergesellschaft e.V.250 Unternehmen, 100%
Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Technologie-Roadmap KIMW-F
► Definition der Forschungsbereiche
derzeitige Forschungsbereiche
Prozessentwicklung und Werkzeugtechnik
Oberflächen- und Beschichtungstechnik
Definition:Entwicklung von
Beschichtungsprozessen und Beschichtungen mit
dem Schwerpunkt in der CVD-Technik und teilweise kombiniert mit der PVD-
Technik
Definition:Neu- und
Weiterentwicklung von Kunststoffver-
arbeitungsprozessen und zugehöriger Werkzeuge
4Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Aktuelle Forschungsthemen KIMW-F
-Schichtentwicklung-Anlagen- und Prozessdesign
-Schichterzeugung -Prüfung der Schichteigenschaften
-Beschichten von Werkzeugeinsätzen
- - Prüfung der erreichten Eigenschaften
► Beispiel: Prozess- und Schichtentwicklung
5Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 15. Juni 2016
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Übersicht der öffentlich geförderten Projekte
Projekt Dünnschichtsensorik
► Entwicklung von Dünnschichtsensoren zur Temperatur- und Druckmessung für Spritzgießwerkzeuge in der direkten Einwirkzone der Kunststoffschmelze
6Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Dünnschichtsensorik
Entwicklung von temperatur- und drucksensitiven Dünnschichten
7Vorstellung gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Inhaltsverzeichnis
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 8
Einführung
Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (Fe-Fe3C-Diagramm)
► Begriffe (Ferrit, Austenit, Fe3C, Perlit, Ledeburit)
► Begriffe (Eutektoid, Eutektikum)
► Gefügeausbildung (Gleichgewichtsgefüge)
Zusammenfassung
15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Einführung
9
Beachte: Zunächst „reines“ Eisen
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Einführung
10Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gesamtdiagramm
11
T
1536
[°C]
1147
911
723
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
GussStahl
L S
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ S+Fe3C
α+γ
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Ferrit, Austenit
12
α-Eisen (krz) + Kohlenstoff (C) = Ferrit (krz)
Ferrit
γ-Eisen (kfz) + Kohlenstoff (C) = Austenit (kfz)
Austenit
(0,02 % C)
(2,06 % C)
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Ferrit, Austenit
13
Lage der Kohlenstoff (C) – Zwischengitterplätze im Eisen-Gitter
Ferrit (krz)
α: 0,02 % C
γ: 2,06 % C
z = 0,04 nm z = 0,11 nm
z
Austenit (kfz)
z
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH 14
γ
T[°C]
0,02 0,8 2,06 % C
α α + Fe3C
γ + Fe3C
S + γ
α+γ
Begriffe: α-Eisen + C γ-Eisen + C
FerritAustenit
Löslichkeitslinien
T Löslichkeit für Fremdatome
Ursache:Gitterschwingung Platzangebot
1147
723
Fe3CII :Ausscheidung aus dem Austenit
Fe3CIII : Ausscheidung aus dem Ferrit
Ferrit, Austenit
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Zementit
gelöstes Kohlenstoffatom
Raumgitter (Karbid; Fe3C)
Ferrit + Perlit
Fe3C
Ferrit
Perlit
hohe Härte (800 HV10)à nicht umformbar
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 1515. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Eutektikum, Eutektoid
16
T
1536
[°C]
1147
911
723
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
GussStahl
L S
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ S+Fe3C
Eutektikum
E
Eutektoid
eα+γ
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Eutektikum, Eutektoid
17
Abkühlung: T = TE ⇒ S → Fe3C + γ-MK weiß = Fe3C
schwarz = γ-MK
Abkühlung: T = Te ⇒ γ → Fe3C + α-MK
Ledeburit
Perlit
Perlit
Ferrit Fe3C
Fe3C
Ferrit
Eutektische Reaktion:
Eutektoide Reaktion:
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Eutektikum, Eutektoid
18
T
1536°
[°C]
1147°
911°
723°
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ S+Fe3C
α+γ
2 1
untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch
GussStahl
L S
Eutektikum
E
Eutektoid
e
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
19
T
1536°
[°C]
1147°
911°
723°
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ S+Fe3C
α+γ
Abkühlung: Bildung von Fe3C (aus der Schmelze „primär“)
übereutektisch
1
E
E: S à Fe3C + γ-MK
6,67 % C 2,06 % C
Ledeburit
Schmelze verarmt an C (4,3 %)
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
20
T
1536°
[°C]
1147°
911°
723°
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
S+Fe3C
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ
α+γ
Abkühlung: Bildung von (aus der Schmelze „primär“)γ-MK
2
untereutektisch
E: S à Fe3C + γ-MK
6,67 % C 2,06 % C
Ledeburit
Schmelze reichert sich mit C (4,3 %) an
E
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
21
T
1536°
[°C]
1147°
911°
723°
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ S+Fe3C
α+γ
2
untereutektisch
E
T < TE Austenit verarmt an C (0,8 % )T = Te γ à Perlit
γ-MK à Perlit
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
22
T
1536
[°C]
1147
911
723
0,02 0,80 2,06 4,3 % C 6,67
S
γ-MK
α-MKα-MK + Fe3C
γ-MK + Fe3C
S + γ S+Fe3C
α+γ
GussStahl
L S
2
34
1
untereutektoid übereutektoid untereutektisch übereutektisch
Eutektoid
Eutektikum
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
23
Abkühlung: T = Te ⇒ γ (0,8 %C) → α (0,02%C) + Fe3C (6,67%C)
⇒ „eutektoide“ Umwandlung
γ
T
0,02 0,8 2,06 % C
α α + Fe3C
γ + Fe3C
S + γ
α+γ
Perlit
Ferrit Fe3C
1
untereutektoid übereutektoid
T C-Löslichkeit in α-MKFe3CIII-Bildung („Tertiärzementit“)
1147
723
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
24
T
0,02 0,8 2,06 % C
α α + Fe3C
γ + Fe3C
S + γ
α+γ
γ 2
Abkühlung: T = TLÖ(C in γ) ⇒ Fe3C-Bildung an Korngrenzen (Keimbildungsgründe)
⇒ Austenit verarmt an C (0,8%)⇒ eutektoide Umwandlung
PerlitSekundärzementit (Fe3CII)
KG
(Schalenzementit)
untereutektoid übereutektoidT Fe3CIII-Bildung
1147
723
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH Vorstellung KIMW-F 25
Gefügeausbildung
T
0,02 0,8 2,06 % C
α α + Fe3C
γ + Fe3C
S + γ
α+γ
γ3
Abkühlung: T = TU ⇒ γ → α ⇒ γ reichert sich mit C (C → 0,8%) an
TU
T = Te ⇒ eutektoide Umwandl. (γ → α+Fe3C)
Ferrit
Perlit
untereutektoid übereutektoidT Fe3CIII-Bildung
1147
723
15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Gefügeausbildung
T
0,02 0,8 2,06 % C
α α + Fe3C
γ + Fe3C
S + γ
α+γ
γ
Abkühlung: T = TU ⇒ γ → α
⇒ Tertiärzementitbildung
(an KG; Keimbildungsgründe)
4
untereutektoid übereutektoid
T Fe3CIII-Bildung
1147
723
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 2615. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Zusammenfassung (Stahlecke)
27
Austenit
T
0,02 0,8 2,06 % C
Perlit + Fe3CII
Austenit + Fe3CII
S + Austenit
Ferrit+AustenitFerrit
Fe-Fe3C-Diagramm ⇒ Gefügeausbildung = f (T, C-Gehalt) (Gleichgewicht)
Ferrit + Perlit
Perli
t
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Zusammenfassung (Stahlgefüge)
28
untereutektoid
Fe3CIII
Ferrit
C = 0,02%
Ferrit
Perlit0,02% < C < 0,8%
eutektoid
C = 0,8%Ferrit
PerlitFe3C
übereutektoid
Fe3CII
Perlit
0,8% < C ≤ 2,06%
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
© gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbH
Zusammenfassung (Stahlecke)
29
Austenit
T
0,02 0,8 2,06 % C
S + γ
Ferrit+AustenitFerrit
Fe-Fe3C-Diagramm ⇒ Gefügeausbildung = f (T, C-Gehalt) (Gleichgewicht)
Ferrit + Perlit
Perli
tAustenit + Fe3CII
Perlit + Fe3CII
Bsp.: DC06
Bsp.: S235 / C40
Bsp.: C80 Bsp.: C100
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Zusammenfassung (Begriffe)
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Phase / Phasengemisch Aufbau Eigenschaften
γ-MK (Austenit) kfzmax. 2,06 % C (T = 1147°C)
weich, sehr zäh, sehr gut umformbar
α-MK (Ferrit) krzmax. 0,02 % C (T = 723°C)
weich, zäh, gut umformbar
Fe3C (Zementit)Fe3CI = Ausscheidung aus SchmelzeFe3CII = Ausscheidung aus AustenitFe3CIII = Ausscheidung aus Ferrit
rhomboedrisches Gitter6,67 % C
sehr hart, sehr spröde,nicht umformbar
Perlit(Eutektoid, feines Gemisch aus Ferrit und Zementit)
ca. 88 % Ferrit + 12 % Zementit
Lamellenstruktur
hart, spröde, feinkörniges Gefüge
Ledeburit(Eutektikum, feines Gemisch aus Perlit und Zementit)
ca. 50 % Perlit + 50% Zementit
Lamellenstruktur
sehr hart, sehr spröde, feinkörniges Gefüge
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Zusammenfassung (Eigenschaften)
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C = 0 % C = 0,15 % C = 0,30 %
Ferrit Perlit (α + Fe3C)
% C
Beachte: Fe3C (Karbid ist hart!)⇒ HärtePerlit > HärteFerrit (Umformbarkeit)
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 15. Juni 2016
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Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt:Michaela Sommer, M.Sc.Gemeinnützige KIMW Forschungs-GmbHMathildenstr. 22, 58507 LüdenscheidTel.: +49 (0) 23 51.6 79 99-14E-Mail: [email protected]: www.kunststoff-institut.de
Zustandsschaubild Fe-Fe3C 3215. Juni 2016