Werkstoff- und Technologie- Beratung Fux

Die breite industrielle Nutzung von Metallen basiert auf einer besonderen Eigenschaft dieser: Sie können im schmelzflüssigen Zustand viele andere Elemente des Periodensystems (Metalle, Halbmetalle, Nichtmetalle) lösen. Je nach Art und Gehalt dieser gelösten Elemente werden sie während der Erstarrung (Kristallbildung)  entweder in die sich ausbildendei Gitterstruktur des Metalls eingebaut (Ausbildubg von Mischkristallen, bleiben also "in Lösung") oder scheiden sich in Form von Phasen (üblicherweise Mischphasen) in einer anderen Struktur aus. Dieses Zusammenspiel zwischen den Basismetallen und ihtren gelösten Elementen und/oder ausgeschiedenen Phasen ermöglicht die Erzeugung einer Vielzahl von Legierungen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften und begründet die breite industrielle Nutzung von metallischen Werkstoffen.  

Für eine Abschätzung des jeweiligen Lösungs- und Ausscheidungszustands werden oft binäre oder in Ausnahmefällen auch ternäre Zustands(bzw. Phasen)- Diagramme herangezogen. Diese geben in Abhängigkeit vom jeweiligen Gehalt an Legierungselementen und der Temperatur Auskunft über die Höhe der Lösungs- und Ausscheidungszustände. Hierdurch lassen sich Arten und Anteile von Mischkristallen und  ausgeschiedenen Phasen abschätzen. Diese Zustandsdiagramme sind Gleichgewichtsdiagramme, d,h,  der jeweilige Lösungs- und Ausscheidungszustand bezieht sich auf einen Zustand nach ausreichender Verweilzeit bei der jeweiligen Temperatur. Ursprünglich wurden Zustandsdiagramme experimentell ermittelt (lange Glühzeit, Abschreckung und Analyse der Proben). Mittlerweile werden solche Diagramme auch berechnet, Mit Hilfe der Informationen aus den Zustandsdiagrammen und den Ergebnissen von analytischen Untersuchungen wird versucht, die jeweilige Mikrostruktur der vorlliegenden Legierungen zu beschreiben. Diese Mikrostruktur kann v.a. mit Hilfe von Licht- und /oder Elektronenmikroskopen als Gefüge sichtbar gemacht werden.

Die meisten technisch genutzten Legierungen befinden sich nach ihrer metallurgichen Erzeung aber nicht im Gleichgewichtszustand. D.h., sie unterscheiden sich in Abhängigkeit der jeweiligen Erstarrungs-und Abkühlgeschwindigkeit zum Teil deutlich hinsichtlich ihrer Lösungs- und Ausscheidungs-Zustände von denen  aus den Zustands -(Gleichgewichts-) diagrammen ermittelbaren Werten. Es bilden sich metastabile Zustände der jeweiligen Phasen als auch neue metastabile Phasen. Das führt zu Unterschieden in der Mikrostruktur und damit zu veränderten Eigenschaften, die sich sowohl bei der nachfolgenden thermischen und/oder mechanischer Bearbeitungen als auch bei ihren technischen Anwendungen bemerkbar machen. Die technische Nutzung metastabiler Löslichkeiten erfolgt beispielsweise bei der martensitischen Härtung und beim Ausscheidungshärten.   

Für härt- und vergütbare Stähle existieren seit vielen Jahrzehnten sogenannte Zeit-Temperatur -Umwandlungs-Diagramme (ZTU-Diagramme). Diese geben Auskunft über die sich nach unterschiedlicher Ablühlung von einer vorgegebenen Austenitisierungstemperatur ausbildenden Gefügebestandteile der jeweiligen Stähle. Für die schweißtechnische Verarbeitung von Stählen können sogenannte Schweiß-ZTU  genutzt werden. Diese geben einen Überblick auf die Gefügeausbildung nach unterschiedlicher Abkühlung aus dem schmelzflüssigen Zustand. 

Bei der Nutzung lokaler metallurgischer Prozesse, wie z.B. bei thermischen Füge- und Beschichtungs- Prozessen, bei denen die jeweils genutzten metallischen Werkstoffe kurzzeitig hoch erhitzt werden,  Dabei bilden sich stark vom Gleichgewicht abweichende Erstarrungs- und Abkühlgefüge. Eine Beschreibung dieser Gefüge und eine Abschätzung der damit verbundenen Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften können jedoch mit Hilfe der bekannten binären oder ternären Gleichgewichts - Diagrammen oder der darauf basierenden Fachliteratur oft nicht oder nur unvollständig erfolgen. 

Eine genauere Beschreibung der metastabilen Gefüge technischer Legierungen und deren Verhalten während der Verarbeitung und Anwendung ist aber mit dem Wissen über die Wirkung u.a. sehr hoher Erstarrungsgeschwindigkeiten auf die Ausbildung stark vom Gleichgewicht abweichender Gefüge möglich.

Mit fast 40 Jahren Erfahrung im Umgang mit Werkstoffzuständen, die bei der Be- und Verarbeitung von metallischen Werkstoffen mittels Füge-, Beschichtungs- und Randschichtbehandlungs- Prozessen entstehen, biete ich allen Interessenten Unterstützung bei der Aufklärung der Ursachen von bislang nicht erklärbaren werkstoffbedingten Defekten und Bauteilversagens an. Dazu gehört auch die Erarbeitung von Lösungsvorschlägen zur künftigen Vermeidung von kritischen Werkstoffzuständen in der Fertigungskette von Bauteilen und Werkzeugen.