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Über dieses Buch

Dieses Handbuch zeigt umfassend und systematisch die metallkundlichen Vorgänge oberhalb etwa 40 % der absoluten Schmelztemperatur. Auch werden in diesem Standardwerk Hochtemperaturlegierungen über 500 °C und deren Beanspruchungen in Bauteilen praxisnah dargestellt. Das Buch dient als zuverlässiger Ratgeber in Studium und Beruf. In der aktuellen Auflage wurde die Additive Fertigung neu aufgenommen sowie der Abschnitt über Rekonditionierungs­maßnahmen (MRO) gezielt ergänzt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundlagen

Zusammenfassung
Zwischen tiefen und hohen Temperaturen, Kaltverformung und Warmverformung, quasistabilem und zeitlich veränderlichem Gefüge bestehen keine scharfen Grenzen. Beispielsweise ist die physikalisch korrekte Feststellung zunächst ungewohnt, dass Kriechverformung nicht auf hohe Temperaturen beschränkt ist, sondern bei allen Werkstoffen und bei allen Temperaturen oberhalb 0 K einsetzt. Zustände, die sich über lange Zeiten – scheinbar „unendlich“ lange – nicht ändern, bezeichnet man als stabil, obwohl die meisten davon in Wirklichkeit metastabil sind. Gegenüber den stabilen Gleichgewichtszuständen zeichnen sie sich in vielen Fällen durch technisch attraktive Eigenschaften aus. Beispiele: die hohe Festigkeit von Martensit in C-Stählen verglichen mit einem Gefüge aus Ferrit und Karbiden, die bei tiefen Temperaturen hohe Streckgrenze eines feinkörnigen Gefüges gegenüber einem Einkristall oder die Festigkeit bei feiner Teilchendispersion im Gegensatz zu stark vergröberten Teilchen. Entscheidend für die Frage, wie lange sich ein metastabiler Zustand einfrieren lässt, sind die Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik und Kinetik. Für technische Betrachtungen, d. h. überschaubare Lebensdauern von Konstruktionen, ist das Kriechen der Werkstoffe erst oberhalb etwa \( 0,4 {T}_{\mathrm{S}} \) (\( {T}_{\mathrm{S}} \): absolute Schmelztemperatur) relevant, darunter vernachlässigbar. In ähnlicher Weise sind viele Grenz- oder Schwellenwerte mehr aus ingenieurmäßig-pragmatischen Gründen eingeführt worden, obwohl sie keine klare Trennung ‚Effekt findet statt oder findet nicht statt‘ markieren. Die Hochtemperatur-Werkstofftechnik behandelt Temperaturbereiche, in denen die Gefüge nicht dauerhaft eingefroren bleiben, sondern sich Vorgänge in der Mikrostruktur in nennenswerten Zeiten abspielen.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

2. Gefügestabilität

Zusammenfassung
Aufgrund der Diffusionsvorgänge, die bei hohen Temperaturen mit nicht zu vernachlässigender Geschwindigkeit ablaufen, kann die Mikrostruktur nicht langfristig metastabil eingefroren werden. Die sich in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit abspielenden Veränderungen betreffen im Wesentlichen die Versetzungsanordnung, das Korngefüge sowie die Ausscheidungen. Zunächst wird auf die Vorgänge der Erholung, Rekristallisation und Kornvergröberung eingegangen. Tabelle 2.1 stellt die Parameter und Merkmale dieser Prozesse zusammen.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

3. Hochtemperaturfestigkeit und -verformung

Zusammenfassung
Bei einer homologen Temperatur von etwa \( 0,4\, {T}_{\mathrm{S}} \) vollzieht sich ein fließender Übergang von zeitunabhängiger zu zeitabhängiger Festigkeit und Verformung. Bei Vorgängen unterhalb rund \( 0,4\, {T}_{\mathrm{S}} \) spricht man von Tieftemperatur- oder Kaltverformung, oberhalb etwa \( 0,4\, {T}_{\mathrm{S}} \) von Hochtemperatur- oder Warmverformung. Im Gegensatz zu tiefen Temperaturen bleiben die Versetzungen bei hohen Temperaturen nach der Belastung nicht „eingefroren“, sondern ein Teil von ihnen befindet sich in Bewegung und liefert kontinuierlich Kriechverformung.
Die aus dem Bereich der Kaltverformung bekannten Mechanismen zur Festigkeitssteigerung
  • Versetzungshärtung
  • Feinkornhärtung
  • Mischkristallhärtung
  • Teilchenhärtung
sind bei hohen Temperaturen nur eingeschränkt wirksam, Tab. 3.1. Versetzungshärtung durch Kaltverformung ist bei hohen Temperaturen ein untaugliches Mittel zur dauerhaften Festigkeitssteigerung. Die erzeugte Versetzungsanordnung erholt sich im Laufe der Zeit, so dass eine anfänglich hohe Festigkeit allmählich verloren geht. Bei entsprechend hohen Verformungsgraden, ausreichend hohen Temperaturen und genügend langen Zeiten kann es auch zu Rekristallisation kommen mit einer unerwünschten Gefügeausbildung. Der Einfluss einer Kaltvorverformung auf die Zeitbruchverformung und Zeitstandfestigkeit ist in vielen Fällen negativ.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

4. Zyklische Festigkeit und Verformung

Zusammenfassung
Unter zyklischer Beanspruchung wird eine zeitliche Änderung der Spannung oder der Temperatur verstanden. Der Begriff Wechselbeanspruchung wird in diesem Zusammenhang vermieden, weil im engeren Sinne nach DIN 50 100 im Wechselbereich die Spannung ihr Vorzeichen während eines Zyklus ändert, was technisch nicht immer der Fall ist. Als Ermüdung wird die werkstoffschädigende Folgeerscheinung der zyklischen Beanspruchung in Form von Rissbildung und langsamem Risswachstum bezeichnet, unabhängig von der Temperatur. Damit grenzt sich diese Art der Schädigung ab von Kriechrissbildung und -wachstum, welche unter statischer Belastung bei hohen Temperaturen stattfinden.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

5. Hochtemperaturkorrosion

Zusammenfassung
Unter Hochtemperaturkorrosion versteht man alle Formen der Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebungsatmosphäre bei erhöhten Temperaturen, bei denen wässrige Elektrolytmedien nicht vorhanden sind. Hochtemperaturkorrosion steht damit in Abgrenzung zur Nasskorrosion oder wässrigen Korrosion. Tabelle 5.1 gibt eine Übersicht über die Grundarten der Hochtemperaturkorrosion und deren Erscheinungsformen.
Die vier genannten Grundtypen können in Kombination und Wechselwirkung miteinander auftreten. Dabei entstehen besondere Angriffsformen, die mit eigenen Begriffen belegt werden, wie beispielsweise die Heißgaskorrosion.
Als Deckschicht (scale) wird ein durch Reaktion mit Bestandteilen der Atmosphäre gebildetes Korrosionsprodukt bezeichnet, welches weitgehend geschlossen die metallische Oberfläche abdeckt. In den allermeisten Fällen handelt es sich dabei um eine Oxiddeckschicht. Die gleiche Definition gilt für eine Passivschicht bei der wässrigen Korrosion. Man spricht bei der Deckschicht auch von einer Schutzschicht (protective scale), wenn sie die weitere Korrosion bremst. Dieser Begriff wird ebenfalls häufig für Beschichtungen (coatings) benutzt, d. h. Überzüge, die nach ausgewählten Verfahren aufgebracht werden, um die Oberflächeneigenschaften eines Bauteils gezielt zu verändern.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

6. Hochtemperaturlegierungen

Zusammenfassung
Zu den Hochtemperaturwerkstoffen werden alle Materialien gezählt, die oberhalb von rund 500 °C dauerhaft für Bauteile eingesetzt werden können und damit langzeitig ausreichende mechanische Eigenschaften und Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit aufweisen müssen. Dafür kommen metallische und keramische Werkstoffe infrage sowie intermetallische Phasen, welche eine Stellung zwischen den Metallen und den Keramiken einnehmen.
Die Anwendungen der Hochtemperaturwerkstoffe erstrecken sich im Wesentlichen auf folgende Bereiche:
  • Energietechnik
    Dampf- und Gasturbinen, Dampfkessel, Hochtemperatur-Reaktorbau (Kernreaktoren mit Betriebsmitteltemperaturen oberhalb etwa 500 °C), Wärmetauscher und Hochtemperaturrohrleitungen, Ofenbau und Heiztechnik, Beleuchtungstechnik
  • Antriebstechnik
    Flugtriebwerksbau und Motorenbau
  • Chemische Industrie
    Hochtemperaturverfahren zur Herstellung chemischer Produkte (z. B. die Ammoniak-Synthese), Hochtemperaturpyrolyse (thermische Zersetzung chemischer Verbindungen, wie z. B. in der Petrolchemie das Spalten von C-H-Verbindungen oder die Müllverbrennung), Kohleveredlungstechniken, Wasserstofferzeugung und Synthesegasherstellung durch Sonnenenergie
  • Hüttentechnik und Maschinenbau
    Prozesse der Metallurgie und des Glasschmelzens sowie anderer Verfahren zur Rohstoffgewinnung und -verarbeitung, Hochtemperatur-Werkzeugbau.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

7. Hochtemperatur-Korrosionsschutzschichten

Zusammenfassung
Hochtemperaturbeschichtungen werden hauptsächlich eingesetzt, um zwei Funktionen zu erfüllen: a) Korrosionsschutz und b) Wärmedämmung der Bauteile. Während für die erstgenannte Aufgabe metallische Schichten aufgebracht werden, handelt es sich bei Wärmedämmschichten um keramische Überzüge mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Hochtemperaturbeschichtungen erfüllen oft auch mehreren Funktionen. Neben dem Korrosionsschutz dienen z. B. metall-keramische Schichten bei Abgasanlagen in Kraftwerken auch dem Verschleißschutz.
Bei Beschichtungen spricht man auch von Schutzschichten (protective coatings), wenn sie den Grundwerkstoff vor einer bestimmten Einwirkung von außen abschirmen, aber nicht optische oder elektrische Funktionen erfüllen. Üblicherweise versteht man darunter Korrosionsschutz; ist Wärme- oder Verschleißschutz gemeint, wird dies begrifflich gekennzeichnet. Deckschichten, z. B. Oxide, werden manchmal ebenfalls als Schutzschichten bezeichnet, weil sie Korrosion verhüten oder mindern. Bei den Hochtemperaturbeschichtungen handelt es sich ausnahmslos um Dickschichten in Abgrenzung zu Dünnschichten, wobei der Übergang bei etwa 1 bis 5 \( \upmu \)m Schichtdicke definiert wird.
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

8. Maßnahmen an betriebsbeanspruchten Bauteilen

Zusammenfassung
Die Werkstoffzustandsänderungen nach Tab. Tab. 1.1 können die Gebrauchseigenschaften des Werkstoffes und damit den Gebrauchswert des Bauteils in vielfältiger Weise mindern, und zwar durch:Nach einer gewissen Betriebsdauer oder in bestimmten Zeitintervallen stellt sich aufgrund der immer weiter voranschreitenden Schädigung und Minderung des Gebrauchswertes die Frage nach dem jeweils vorherrschenden Werkstoff- und Bauteilzustand. Folgende Ziele verfolgt man mit diesen Zustandsbeurteilungen:
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

9. Werkstoffbezeichnungen und -zusammensetzungen

Zusammenfassung
In den nachfolgenden Tabellen ist eine Auswahl von Hochtemperaturlegierungen auf Fe-, Co- und Ni-Basis sowie hochschmelzender Legierungen aufgeführt. Es werden typische und häufig verwendete Vertreter in den Gruppen genannt – ohne Absicht auf Vollständigkeit. Sofern vorhanden werden die in Deutschland gebräuchlichen Kurznamen, die Werkstoffnummern sowie die Handelsnamen angegeben.
Alle Werte stellen Masse-% dar, und zwar handelt es sich um Mittelwerte nach ‚Stahl-Eisen-Liste‘, falls die Legierungen dort enthalten sind, ansonsten um Nennwerte der Hersteller oder aus der Literatur (ohne Toleranzangaben).
Zahlreiche warmfeste Druckbehälterstähle sind in DIN EN 10028-2, hochwarmfeste Stähle, Co- und Ni-Legierungen in DIN EN 10302 sowie hitzebeständige Stähle und Ni-Legierungen in DIN EN 10095 zu finden. Dort sind neben den Zusammensetzungen vor allem mechanische Eigenschaften, einschließlich langzeitiger Zeitstanddaten, aufgeführt.
Die Werkstoffe sind unter ihren Kurznamen, Werkstoffnummern und gebräuchlichen Handelsnamen aufgeführt, sofern vorhanden.
Bei den gerichtet erstarrten Legierungen (DS und SC) trennt die gestrichelte Linie die \( C{r}_2{O}_3 \)- (oben) von den \( A{l}_2{O}_3 \)-Deckschicht bildenden Legierungen.
Die Ni-Basis-Einkristalllegierungen teilt man in der Literatur in folgende Generationen auf:
1.
Generation: ohne Re
 
2.
Generation: ca. 3% Re
 
3.
Generation: ca. 6% Re
 
4.
Generation: ca. 6% Re \( + \) 3% Ru.
 
Hans Jürgen Maier, Thomas Niendorf, Ralf Bürgel

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