Schwenkbiegemaschinen warten: Genauigkeit und Lebensdauer sichern
Die ersten Blechteile eines Wiederholauftrags bestehen die Prüfung. Nach der Hälfte des Produktionslaufs nimmt der Bediener eine weitere Winkelkorrektur vor,…
Legierungsmetalle können in verschiedenen Phasen existieren. Phasen sind physikalisch homogene Zustände einer Legierung. Eine Phase besitzt eine genau definierte chemische Zusammensetzung – eine bestimmte Anordnung und Bindung der Atome.
Diese Atomstruktur verleiht den verschiedenen Phasen unterschiedliche Eigenschaften. Wir können gezielt die gewünschte Phase auswählen und sie für unsere Anwendungen nutzen.
Nur bestimmte Speziallegierungen können in mehreren Phasen existieren. Durch das Erhitzen des Metalls auf bestimmte Temperaturen mittels Wärmebehandlungsverfahren entstehen unterschiedliche Phasen. Einige spezielle Legierungen können sogar bei gleicher Temperatur in mehr als einer Phase vorliegen.
Phasendiagramme sind grafische Darstellungen der in einer Legierung unter verschiedenen Bedingungen von Temperatur, Druck oder chemischer Zusammensetzung vorhandenen Phasen.
Das Diagramm beschreibt die geeigneten Bedingungen, unter denen zwei oder mehr Phasen im Gleichgewicht existieren können. Zum Beispiel zeigt das Phasendiagramm von Wasser einen Punkt (Tripelpunkt), an dem Wasser gleichzeitig in drei verschiedenen Phasen vorliegen kann. Dies geschieht knapp über dem Gefrierpunkt (0,01°C) und bei 0,006 atm.
Es gibt vier Hauptanwendungen für Legierungsphasendiagramme:
Im Bereich der Legierungsentwicklung haben Phasendiagramme dazu beigetragen, eine Überdimensionierung für Anwendungen zu vermeiden. Das reduziert Kosten und Fertigungszeiten. Sie helfen außerdem dabei, alternative Legierungen oder bestehende Legierungen mit anderen Legierungselementen zu entwickeln. So kann auf seltene, gefährliche oder teure Legierungselemente verzichtet werden.
In Bezug auf die Leistung ermöglichen Phasendiagramme Metallurgen zu verstehen, welche Phasen langfristig thermodynamisch stabil, metastabil oder instabil sind. So können geeignete Elemente für die Legierung ausgewählt werden, um Maschinenausfälle zu verhindern. Wird zum Beispiel das Material für Abgasrohre nicht korrekt gewählt, kann dies bei höheren Temperaturen zu Ausfällen führen.
Auch die Lebensdauer verbessert sich, da Phasendiagramme Lösungen für Probleme wie interkristalline Korrosion, Heißkorrosion und Wasserstoffschäden aufzeigen.
Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm wird häufig genutzt, um die verschiedenen Phasen von Stahl und Gusseisen zu verstehen. Sowohl Stahl als auch Gusseisen bestehen aus einer Mischung von Eisen und Kohlenstoff. Beide Legierungen enthalten zudem kleine Mengen an Spurenelementen.
Das Diagramm ist recht komplex, doch da wir uns hier auf Fe3C beschränken, betrachten wir nur bis zu 6,67 Gewichtsprozent Kohlenstoff.
Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm ist aufgetragen mit dem Kohlenstoffgehalt in Gewichtsprozent auf der X-Achse und der Temperaturskala auf der Y-Achse.
Der Kohlenstoff im Eisen ist eine Zwischengitterverunreinigung. Die Legierung kann ein kubisch-flächenzentriertes (KFZ) Gitter oder ein kubisch-raumzentriertes (KRZ) Gitter ausbilden. Es entstehen feste Lösungen mit den α-, γ- und δ-Phasen des Eisens.
Die Skala für den Gewichtsprozentanteil auf der X-Achse des Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramms reicht von 0% bis 6,67% Kohlenstoff. Bis zu einem maximalen Kohlenstoffgehalt von 0,008% wird das Metall einfach als Eisen oder Reineisen bezeichnet. Es liegt bei Raumtemperatur in der α-Ferrit-Form vor.
Von 0,008% bis 2,14% Kohlenstoffgehalt spricht man bei der Eisen-Kohlenstoff-Legierung von Stahl. Innerhalb dieses Bereichs gibt es verschiedene Stahlsorten, wie niedriglegierter Stahl (Weichstahl), mittel- und hochgekohlte Stähle.
Steigt der Kohlenstoffgehalt über 2,14%, spricht man von Gusseisen. Gusseisen ist zwar sehr hart, aber seine Sprödigkeit schränkt die Anwendungen und Bearbeitungsmöglichkeiten stark ein.
Im Diagramm sind mehrere Linien mit A1, A2, A3, A4 und ACM bezeichnet. Das A steht für das englische Wort „arrest“ (Haltepunkt). Steigt oder fällt die Temperatur des Metalls, findet an diesen Grenzen ein Phasenwechsel statt, sobald die Temperatur den jeweiligen Wert erreicht.
Normalerweise erhöht sich beim Erhitzen einer Legierung die Temperatur. Entlang dieser Linien (A1, A2, A3, A4 und ACM) führt das Erhitzen jedoch zu einer Umstrukturierung in eine andere Phase, und die Temperatur bleibt solange konstant, bis der Phasenwechsel vollständig abgeschlossen ist. Dies wird als thermischer Haltepunkt bezeichnet.
Legierungselemente wie Nickel, Mangan, Chrom und Molybdän beeinflussen die Position dieser Grenzen im Phasendiagramm. Je nach eingesetztem Element verschieben sich die Grenzlinien. Beispielsweise senkt Nickel im Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm die A3-Grenze, während Chrom sie anhebt.
Der eutektische Punkt ist der Punkt, an dem mehrere Phasen zusammentreffen. Im Eisen-Kohlenstoff-Legierungsdiagramm ist dies die Stelle, an der sich die Linien A1, A3 und ACM schneiden. Das Auftreten dieser Punkte ist zufällig.
An diesen Punkten finden sogenannte eutektische Reaktionen statt, bei denen eine flüssige Phase in ein Gemisch aus zwei festen Phasen erstarrt. Dies geschieht, wenn eine flüssige Legierung mit eutektischer Zusammensetzung bis zur eutektischen Temperatur abgekühlt wird.
Die an diesem Punkt gebildeten Legierungen nennt man eutektische Legierungen. Links und rechts von diesem Punkt spricht man von hypoeutektischen bzw. hypereutektischen Legierungen („hypo“ bedeutet im Griechischen weniger als, „hyper“ mehr als).
Die einander schneidenden Grenzlinien markieren im Fe3C-Diagramm bestimmte Bereiche.
In jedem dieser Bereiche kann eine bestimmte Phase oder auch ein Phasengemisch existieren. An den Grenzlinien findet jeweils ein Phasenwechsel statt. Diese Bereiche nennt man Phasengebiete.
Sie geben an, welche Phasen bei einer bestimmten Zusammensetzung und Temperatur der Legierung vorliegen. Schauen wir uns die verschiedenen Phasen der Eisen-Kohlenstoff-Legierung etwas genauer an.
Bei niedrigen Temperaturen und geringem Kohlenstoffgehalt existiert α-Ferrit als feste Lösung von Kohlenstoff im KRZ-Eisen. Diese Phase ist bei Raumtemperatur stabil. Im Diagramm erscheint sie als schmaler Bereich am linken Rand, mit der Y-Achse links und der A2-Grenze rechts. Diese Phase ist unterhalb von 768°C magnetisch.
Der maximale Kohlenstoffgehalt liegt bei 0,022 %, und bei 912°C wandelt sich α-Ferrit in γ-Austenit um, wie im Diagramm ersichtlich.
Diese Phase ist eine feste Lösung von Kohlenstoff im KFZ-Eisen mit einer maximalen Löslichkeit von 2,14 % C. Bei weiterer Erwärmung wandelt sie sich bei 1395°C in KRZ δ-Ferrit um. γ-Austenit ist unterhalb der eutektischen Temperatur (727°C) instabil, sofern keine schnelle Abkühlung erfolgt. Diese Phase ist nichtmagnetisch.
Diese Phase hat eine ähnliche Struktur wie α-Ferrit, existiert jedoch nur bei hohen Temperaturen. Im Diagramm ist sie oben links zu finden. Ihr Schmelzpunkt liegt bei 1538°C.
Zementit ist eine metastabile Phase dieser Legierung mit einer festen Zusammensetzung von Fe3C. Bei Raumtemperatur zersetzt sich Zementit nur sehr langsam in Eisen und Kohlenstoff (Graphit).
Die Dauer dieser Zersetzung ist lang und übersteigt die Lebensdauer der meisten Anwendungen bei Raumtemperatur deutlich. Andere Faktoren – zum Beispiel hohe Temperaturen oder die Zugabe bestimmter Legierungselemente – können diese Zersetzung beeinflussen, da sie die Graphitbildung fördern.
Zementit ist hart und spröde, was ihn besonders zur Verstärkung von Stählen geeignet macht. Seine mechanischen Eigenschaften hängen von der Mikrostruktur ab, die wiederum davon beeinflusst wird, wie Zementit mit Ferrit gemischt ist.
Im Diagramm mit „L“ gekennzeichnet, findet man sie im oberen Bereich des Diagramms. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine flüssige Lösung von Kohlenstoff in Eisen. Da δ-Ferrit bei 1538°C schmilzt, ist klar, dass mit steigendem Kohlenstoffgehalt der Schmelzpunkt von Eisen sinkt.
