Eisenwerkstoffe - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...

Eisenwerkstoffe 

• Stabiles und metastabiles Fe-C-Diagramm 

• Stähle 

Einteilung - Anwendung - Wärmebehandlung 

• Gußeisen 

Einteilung - Anwendung - Wärmebehandlung 

• Randschichtbehandlungen 

Thermisch - Chemisch - Mechanisch 

Uni Bayreuth, Werkstofftechn. + Halbzeuge, Metalle 115 

Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe

• Hauptfundorte: USA, UdSSR, Schweden 

• Eisen besitzt eine graumetallische Farbe 

• 1kg reines Eisen (99,5%) kostet ~ 2 € 

• 1kg Chrom-Nickel-Stahl kostet ~ 4 € 

• 1kg warmgewalzter Stahl kostet ~ 1 € 

Eisen 

• Ordnungszahl 26 

• Raumgitter (RT) kubisch-raumzentriert 

• Dichte 7,9 g/cm³ (bei RT) 

• Schmelzpunkt 1536 ºC 

• Siedepunkt 2750 ºC (bei 1,013 bar) 

• Spezifische Schmelzwärme 276 kJ/kg (bei 1,013 bar) 

• Spezifische Wärmekapazität 450 J/kg*k (bei RT) 

• Wärmeleitfähigkeit 74,5 W/m*K (bei RT) 

• Wärmeausdehnungskoeffizient 1310-6 K-1 (bei RT) 

10-1610-6 K-1 (Cr-Stähle) 

T[°C] 

Krz α-Fe Kfz γ-Fe Krz δ-Fe 

Symbol 

Fe 55,847 


Uwe Glatzel, Metallische Werkstoffe 

1536 

1392 

911 

26 

2; 3 

Fe-Gitterplatz 

Möglicher Zwischengitterplatz 

für Kohlenstoff 

Reines Eisen kommt selten 

zur Anwendung. Meist Eisen- 

Kohlenstoff Legierungen: 

Stahl oder Gusseisen

Weltweit größten Stahlhersteller 

1 kg 1 € 



Preisentwicklung 



Rohstahlproduktion weltweit 

2010 erreichte die 

Weltrohstahlproduktion 

mit 1.400 Mio. t einen 

neuen Höchststand. 

Verantwortlich dafür war 

China mit 44,3% der 

Weltproduktion. Es gab 

überall zweistellige 

Zuwachsraten. In der EU 

wurden 12% der 

Weltrohstahlproduktion 

erzeugt. Japan, USA, 

Russland und Indien 

folgen auf den Rängen. 



Entwicklung der 

Rohstahlerzeugung 

Deutschland importierte im Jahr 

2010 für 36 Mio. t Stahlprodukte 

und exportiert 38 Mio. t 

( ca. 2 Mrd. € Überschuss). 

Zum Vergleich: Kfz und Kfz-Teile 

(Jahr 2004): 

Überschuss ~ 75 Mrd. € 



Eisen-Kohlenstoff-Diagramm 

metastabiles System 

Fe-Fe 3C 

Stabiles System Fe-C 

0,02% C-Löslichkeit im 

Ferrit bei 723°C 

< 0,001% C-Löslichkeit 

im Ferrit bei RT 



Das Eisen - Kohlenstoff Reineisen 

– Diagramm: 



20 μm

Untereutektoider Stahl 

Das Eisen - Kohlenstoff – Diagramm: 

(ferritisch - perlitisch) 



20 μm

Das Eutektoider Eisen - Kohlenstoff Stahl (perlitisch) 

– Diagramm: 



20 μm

Übereutektoider Stahl 


(Perlit + Korngrenzenzemetit) 



50 μm


Grauguss mit lamellaren Graphit 

100 μm 




Ledeburiteutektikum 

100 μm 



Einteilung der Eisenwerkstoffe 

• Eisenwerkstoff: Eisengehalt am höchsten 

• Stahl: c C < 2 Masse% (schmiedbar) 

• Gusseisen: 2%< c C < 4,3% (für techn. 

Gusseisen, nicht schmiedbar) 

• Unlegierter Stahl Si < 0.5 %, Mn < 0.8 %, 

Al und Ti < 0.1 % und Cu < 0.25 %. 

• Niedriglegierter Stahl: Gesamtlegierungsgehalt 

< 5 %. 

• Hochlegierter Stahl: Gesamtlegierungsgehalt 

> 5 %. 

• Edelstahl (legiert oder unlegiert): 

Begrenzter Gehalt an nichtmetallischen 

Einschlüssen und unerwünschten 

Begleitelementen, z.B. P und S < 0.035 %. 



Gefügebestandteile des 

Eisen-Kohlenstoff-Diagramms 



Ausschnitte aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: 

Vorgänge beim Abkühlen 

Beispiel: Fe mit 0,6% C (untereutektoider Stahl) 

Temperaturintervall 1: 

Li (ca. 1490°C): Ausscheidung von γ-Mk aus der Schmelze C-Gehalt erstarrter γ-Mk ändert 

sich von Pkt. 1 Pkt. 2. 

So (ca. 1410°C): Die Erstarrung ist beendet. 


Im Einphasenfeld der γ-Mk ändert 

sich deren Konzentration nicht. 


Pkt. 3 (ca. 760°C): Unterschreitung der Löslichkeitsgrenze GS. Aus den kfz γ-Mk scheiden 

sich an den KG krz α-Mk mit der Zusammensetzung von Pkt. 4 aus. Der C- 

Gehalt der restlichen γ-Mk steigt bei weiterer Abkühlung bis auf 0,8 % (Pkt. 

S: 723°C). 

Bei Pkt. 5 besteht die Legierung aus: 

m 

0, 

8 

0, 

6 

100% 

25, 

6% 

m 0, 

8 

0, 

02 

m 

100% 

25, 

6% 

74, 

4% 

m 

Ferrit( 

saum) 

Austenit 

Pkt 6: Der restliche γ-Mk zerfällt unterhalb 

von 723°C in Perlit. 



Ausschnitte aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm: 

Vorgänge beim Abkühlen 

Beispiel: Fe mit 3% C (weißes Gusseisen, metastabiles System) 


Li (ca. 1300°C): Ausscheidung von γ-Mk aus der Schmelze. C-Gehalt erster erstarrter 

γ-Mk bei Pkt. 2. Zusammensetzung weiterer ausgeschiedener γ-Mk ändert sich entlang 

So. Die Restschmelze reichert sich dabei an C an. Bei Pkt. 3 besteht die Legierung aus 

58% Austenit mit 2,06% C und 42% Restschmelze mit 4,3% C. 


In Pkt. 4 zerfällt die Restschmelze an Punkt C (Eutektikum) eutektisch zu Ledeburit: 

S C γ 2,06%C + Fe 3C. Während weiterer Abkühlung scheidet sich sowohl aus den 

primären γ-Mk als auch aus dem Austenit des Ledeburits entlang der Linie A Ccm 

Sekundärzementit aus (häufig als Schalenzementit, bei beschleunigter Abkühlung auch 

nadelförmig in den primären γ-Mk ). 


In Pkt. 5 erfolgt eutektoidischer Zerfall der γ-Mk zu Perlit. Bei RT besteht das Gefüge 

aus Perlit (= Ferrit + Zementit (Fe3C)) und Ledeburit (=Perlit + Zementit) 



Wirkungsweise der Legierungselemente 

im Stahl 

Austenitbildner 

(eingeengtes α-Gebiet) 

Merke: Ni, C, Co, Mn, N 

Ferritbildner 

(eingeengtes γ-Gebiet, 

γ-Einschnürer) 

Merke: 

Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W 



Legierungselement 

Si 

Mn 

Mn 

Cr 

In perlit. 

Stählen 

In austenit. 

Stählen 

Ni In perlit. 

Stählen 

Ni In austenit. 

Stählen 

Al 

W 

V 

Co 

Mo 

Cu 

S 

P 

Erhöhung 

Übersicht: Einfluß der Legierungselemente auf 

die Eigenschaften des Stahls 

Härte 

Mechanische Eigenschaften Magnet.Eigensch. 

Festigkeit 

Streckgrenze 

Dehnung 

Einschnürung 

Kerbschlagzähigkeit 

Elastizität 

WarmfestigkeitAbkühlgeschwindigkeit 

KarbidbildungVerschleißfestigkeitSchmiedbarkeitZerspanbarkeit 

Verzunderung 

NitrierbarkeitRostbeständigkeit 

Erniedrigung ~ gleichbleibend - nicht charakteristisch oder unbekannt Mehrere Pfeile = verstärkte Wirkung 



Hysteresis 

Permeabilität 

Koerzitivkraft 

Remanenz 

el. Leistungsverlust


im Stahl (alphabetisch) 

Al Oxid- und Nitridbildner Einsatz als wichtigstes Desoxidationsmittel, Denitrierungsmittel, wirkt Alterung 

entgegen, in Nitrierstählen (Bildung von Nitriden hoher Härte), in geringen Mengen kornfeinend, wirkt 

stark -einschnürend (ferritbildend), erhöht Zunderbeständigkeit in ferritischen hitzebeständigen Stählen, 

durch „Alitieren“ (Einbringen von Al in Oberfläche) läßt sich Zunderbeständigkeit von C-Stählen erhöhen, 

wegen Erhöhung der Koerzitivkraft in Fe-Al-Ni-Co-Dauermagneten 

As Stahlschädling (starke Seigerungsneigung, erhöht Anlaßsprödigkeit, setzt Zähigkeit stark herab, beeintächtigt 

in hohem Maße die Schweißbarkeit) 

B hoher Wirkungsquerschnitt für Neutronen-Absorption in Stählen für Regler und Abschirmungen von 

AKWs, erhöht über Mischkristallhärtung Streckgrenze und (Warm-) Festigkeit von austenitischen Cr-Ni- 

Stählen, setzt Korrosionsbeständigkeit herab, verbessert Durchhärtung in Baustählen und führt damit zu 

höherer Kernfestigkeit, beeinträchtigt Schweißbarkeit 

Be Ni-Be-Legierungen sind hart und korrosionsbeständig Verwendung in chirurg. Instrumenten, starker γ- 

Einschnürer, mit Be Ausscheidungshärtung möglich, wobei Zähigkeit , wirkt stark desoxidierend, hohe 

Affinität zu S 

C wichtigstes und einflußreichstes Legierungselement im Stahl, gelangt wie Si, Mn, P, S bei der Herstellung in 

den Stahl und muß anschließend weitgehend wieder entfernt werden. Mit zunehmendem C-Gehalt steigen 

Festigkeit und Härtbarkeit des Stahls an, während Dehnung, Schmiedbarkeit, Schweißbarkeit und 

spanabhebende Bearbeitkeit abnehmen. Der Korrosionswiderstand gegen Wasser, Säuren und heißen Gasen 

wird durch C praktisch nicht beeinflußt. C ist γ-Erweiterer. 




im Stahl 

Co hemmt Kornwachstum bei hohen T, verbessert stark Anlaßbeständigkeit und Warmfestigkeit, in Schnell- und 

Warmarbeitsstählen sowie in warm- und hochwarmfesten Stählen, begünstigt Graphitbildung, erhöht Remanenz, 

Koerzitivkraft und Wärmeleitfähigkeit Dauermagnete, bildet unter Neutronenbestrahlung das stark radioaktive 

Co 60 in Stählen für Atomreaktoren unerwünscht. 

Cr macht Stahl öl- bzw. lufthärtbar, durch Herabsetzen von v krit. für die Martensitbildung erhöht es die Härtbarkeit und 

damit die Vergütbarkeit in Vergütungsstählen, verringert Kerbschlagzähigkeit, setzt Dehnung wenig herab, 

Schweißbarkeit nimmt bei reinen Cr-Stählen mit zunehmendem Cr-Gehalt ab, Zugfestigkeit steigt um 80-100 N/mm² 

je % Cr. Cr ist Karbidbildner, Karbide steigern Schnitthaltigkeit und Verschleißfestigkeit in Arbeitsstählen. Cr 

begünstigt Warmfestigkeit ( warm- und hochwarmfeste Stähle) und Druckwasserstoffbeständigkeit. Steigender Cr- 

Gehalt begünstigt Zunderbeständigkeit ( zunderfeste Stähle), ab 13 % Cr gelten Stähle als dauerhaft 

korrosionsbeständig. Cr schnürt den γ-Bereich ein (γ-loop in Fe-Cr, damit ferriterweiternd), stabilisiert jedoch den 

Austenit in Cr-Mn- und Cr-Ni- Stählen, verringert Wärme- und elektrische Leitfähigkeit, senkt Wärmeausdehnung 

Legierungen für Glaseinschmelzungen. 

Cu selten als Legierungselement, da Anreicherung unter Zunderschicht und Eindringen über Korngrenzen, verursacht 

Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformungsprozessen: i.d.R. Stahlschädling, erhöht witterungsbeständigkeit 

un- und niedriglegierter Stähle, in säurefesten hochlegierten Stählen bewirkt ein Cu-Gehalt von > 1% verbesserte 

Beständigkeit gegen Schwefelsäure und Salzsäure, in GE ca. 0,5 % Cu: verschiebt Perlitnasen zu (Kurbelwellen). 

H Stahlschädling, Versprödung ohne Festigkeitssteigerung, Flockenbildung, beim Beizen entstehender atomarer 

Wasserstoff dringt unter Blasenbildung in den Stahl ein. Feuchter Wasserstoff entkohlt bei höheren Temperaturen. 

Mg begünstigt in Gußeisen die kugelige Graphitausbildung 




im Stahl 

Mn desoxidiert. Bindet Schwefel als MnS, verringert dadurch den ungünstigen Einfluß des Eisen-Sulfides 

besonders wichtig in Automatenstählen, verringert Rotbruchgefahr. Mn senkt v krit und erhöht damit die Härtbarkeit, 

EHT wird stark erhöht, Rm und Rp werden erhöht, Mn wirkt sich günstig auf Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit 

aus. Mn>4% führt auch bei langsamer Abkühlung zu sprödem martensit. Gefüge Mn>12% , bei gleichzeitig hohem 

C-Gehalt austenitisch (Mn erweitert γ -Bereich erheblich) bei schlagender Beanspruchung Kaltverfestigung an 

Oberfläche bei zähem Kern Mn-Hartstähle (Gefängnisgitter, Schauvorlesung) Mn > 18% auch nach starker 

Verformung nicht magnetisierbar, Sonderstähle für Tieftemperatur-Beanspruchung Durch Mn erhöht sich der 

Wärmeausdehnungskoeffizient, während Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sinken. 

Mo meist zusammen mit anderen Elementen legiert, durch Absenken von v krit verbesserte Härtbarkeit, verringert 

Anlaßsprödigkeit (z.B. in Cr-Ni- und Mn- Stählen), fördert Feinkornbildung, wirkt sich günstig auf die 

Schweißbarkeit aus. Erhöhung von Rp und Rm, bei hohem Mo-Gehalt erschwerte Schmiedbarkeit, starker 

Karbidbildner, Schneideigenschaften bei Schnellarbeitsstählen deutlich verbessert, erhöht 

Korrosionsbeständigkeit in hochleg. Cr- und Cr-Ni- Stählen, hohe Mo-Gehalte senken Lochfraßanfälligkeit, 

starke Einengung des γ -Bereichs, Erhöhung der Warmfestigkeit Warmarbeitsstähle, verringert 

Zunderbeständigkeit, bildet festhaftenden Zunder (Werkstofftrennung bei Warmwalzen) 

N Stahlschädling: Verminderung der Zähigkeit durch Ausscheidungsvorgänge, Alterungsempfindlichkeit, 

Blausprödigkeit (300-350°C), Auslösung interkristalliner Spannungsrißkorrosion in un- und niedriglegierten 

Stählen. Legierungselement: Erweitert γ-Gebiet (stabilisiert Austenit), erhöht in austenitischen Stählen Rp und Rm, 

verbessert mechanische Eigenschaften in der Wärme; durch Nitridbildung läßt sich beim Nitrieren hohe 

Oberflächenhärte erzeugen 




im Stahl 

Nb,Ta fast immer zusammen, da schwer zu trennen, sehr starke Karbidbildner, Verwendung als Stabilisatoren in 

chemisch beständigen Stählen, kornfeinend, Ferritbildner (verringern γ-Bereich). Nb: Erhöhung von 

Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit in hochwarmfesten austenitischen Kesselblechen. Ta: Hoher 

Absorptionsquerschnitt für Neutronen für AKW-Stähle nur Ta-armes Nb. 

Ni bei Baustählen Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit, auch bei tiefen Temperaturen zur Erhöhung der Zähigkeit in 

Einsatz-, Vergütungs-, und kaltzähen Stählen. Ni senkt Umwandlungspunkte A1-A4, erweitert stark das γ-Gebiet, 

bei c Ni >7% auch unterhalb RT austenitisch. Einige % Ni führt zu nur korrosionsträgen Stähle, in austenititischen 

CrNi-Stählen Erhöhung der chemischen Beständigkeit gegen reduzierende Chemikalien (keine additive Wirkung 

mit Cr, Korrosionsbeständigkeit durch Cr!). Austenitische Stähle: Bei T > 600°C erhöhte Warmfestigkeit 

(Rekristallisationstemperatur hoch), unmagnetisch (einfaches Unterscheidungskriterium), verminderte elektrischeund 

Wärmeleitfähigkeit. Hohe Ni-Gehalte: Stähle mit speziellen physikalischen Eigenschaften: geringe 

Temperaturausdehnung (auch negativ möglich) Invar Legierungen (FeNi36). 

O Stahlschädling, mechan. Eigenschaften, insbes. Kerbschlagzähigkeit, werden verringert, Neigung zu 

Alterungssprödigkeit, Rotbruch, Holzfaserbruch und Schieferbruch werden verstärkt. 

P meist Stahlschädling, da Primärseigerung bei Erstarrung und Sekundärseigerung durch starke Abschnürung des γ- 

Gebietes, da geringe Diffusionsgeschw. In α- und γ-Fe sind Seigerungen schwer zu beheben Begrenzung des P- 

Gehalts in Stählen meist auf 0,03-0,05 %, P erhöht schon in geringen Mengen die Neigung zur Anlassversprödung 

sowie die Empfindlichkeit gegen schlagartige Beanspruchung (Sprödbruchneigung). In niedrig leg. Baustählen mit 

C 0,1 % erhöht P die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse (unterstützt von 

Cu), in austenitischen CrNi-Stählen sind durch Zugabe geringer Mengen P Streckgrenzenerhöhung und 

Ausscheidungseffekte möglich. 




im Stahl 

Pb bewirkt durch feine suspensionsartige Verteilung in Gehalten von 0,2 - 0,5 % kurzbrüchigen Span und saubere 

Schnittflächen, bessere Bearbeitungseigenschaften in Automatenstählen, die mechanischen Eigenschaften der 

Stähle werden durch die angegebenen Pb-Gehalte praktisch nicht beeinflusst. 

S bewirkt stärkste Seigerungen, bildet niedrigschmelzende Eutektika (Fe-FeS) auf KG, welche die Körner netzartig 

umschließen, Aufbruch von KG bei Warmverformung (verstärkt durch O 2), Rotbruch und Heißbruchgefahr, verstärkt 

Schweißrißanfälligkeit, Abhilfe: Abbinden als MnS (punktförmig verteilt, gut verformbar, höhere Schmelztemperatur). 

Als Legierungselement in Automatenstählen mit bis zu 0,4% zur Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften 

zugegeben (Schmierwirkung auf Werkzeugschneide vermindert Reibung, erhöht Standzeit, kurzer Span). 

Sb Stahlschädling, verringert Zähigkeitseigenschaften, schnürt γ-Gebiet ab. Als Legierungselement in 

Automatenstählen bis zu 0,4 % zur Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften zugegeben (Schmierwirkung auf 

Werkzeugschneide vermindert Reibung, erhöht Standzeit, kurzer Span) 

Se Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften wie S in Automatenstählen, bei korrosionsfesten Stählen 

Verminderung der Beständigkeit gegen S 

Si wie Mn in jedem Stahl enthalten (Erze, Ofenauskleidung), wirkt desoxidierend, begünstigt Graphitausscheidung ( 

in GE), engt γ-Bereich stark ein, erhöht Festigkeit und Verschleißfestigkeit ( in SiMn-Vergütungsstählen), starke 

Erhöhung der Elastizitätsgrenze in Federstählen, erhöht Zunderbeständigkeit in hitzebeständigen Stählen, 

Legierungsgehalt an Si begrenzt, da Beeinträchtigung von Warm- und Kaltverformbarkeit. Si > 0,4 %: 

Siliziumstähle, bei 12 % Si Säurebeständigkeit (selten, da nur als harter, spröder Stahlguß herstellbar), Si bewirkt 

Herabsetzung von elektrischer und Wärmeleitfähigkeit, Koerzitivkraft und el. Leistungsverlusten in 

Elektroblechen. 




im Stahl 

Sn Stahlschädling, reichert sich ähnlich wie Cu unter Zunderschicht an, dringt in KG ein und führt zu Rissen und 

Lotbrüchigkeit. Sn neigt zu starken Seigerungen, schnürt das γ-Gebiet ab. 

Ti große Affinität zu O, N, S, C, wirkt stark desoxidierend, denitrierend, schwefelbindend, Karbidbildner in 

korrosionsbeständigen Stählen zur Stabilisierung, wirkt kornfeinend (TiB ebenso wie HfC), schnürt γ-Gebiet stark 

ein, steigert Zeitstandfestigkeit durch Bildung von Sondernitriden, neigt zu Seigerung und Zeilenbildung. Führt in 

hohen Gehalten zu Ausscheidungsvorgängen, erhöht Koerzitivkraft in Dauermagneten. 

V starker Karbidbildner (sehr harte Karbide), Erhöhung von Verschleißwiderstand, Schneidhaltigkeit und 

Warmfestigkeit verbessert Anlaßbeständigkeit, vermindert Überhitzungsempfindlichkeit in Schnellarbeits-, 

Warmarbeits- und warmfesten Stählen; wirkt kornfeinend, hemmt Lufthärtung begünstigt Schweißbarkeit von 

Vergütungsstählen; erhöht Beständigkeit gegen Druckwasserstiff, engt γ-Gebiet ein, verschiebt Curie-Punkt zu 

höheren Temperaturen. 

W starker Karbidbildner (sehr harte Karbide), verbessert Zähigkeit, behindert Kornwachstum, erhöht Warmfestigkeit 

und Anlaßbeständigkeit sowie Verschleißbeständigkeit bei erhöhter Temperatur (Rotglut), erhöht Schneidfähigkeit 

in Schnellarbeits-,Warmarbeits- und warmfesten Stählen und zur Erzielung höchster Härte; engt γ-Gebiet ein, 

Steigerung der Koerzitivkraft in Dauermagneten, beeinträchtigt Zunderbeständigkeit, hohes spezifisches Gewicht. 

Zr Karbidbildner, zur Desoxidation, Denitrierung, Entschwefelung, hinterläßt wenig Desoxidationsprodukte, übt 

günstigen Einfluß auf Sulfidbildung aus, vermindert Rotbruchgefahr in völlig beruhigten Automatenstählen, 

erhöht Lebensdauer von Heizleiterwerkstoffen, bewirkt Einengung des γ-Gebietes. 



Merkregeln/Eselsbrücken: 

• "Niccoman macht gamma an" (Ni, C, Co, Ma, N Austenitbildner) 

• "Craltitasimovw" (Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W Ferritbildner) 

Bezeichnung niedriglegierte Stähle: 

• "Mit 100 PS nach Canstatt" (Faktor 100 für C, N, P, S) 

• "Alcumotativ" (Faktor 10 für Al, Cu, Mo, Ta, Ti, V) 

• "Chrom connte man nicht sicher wahrnehmen" oder: "Man sieht nie 4 weiße 

Crocodile" (Faktor 4 für Cr, Co, Ma, Ni, Si, W) 

• Reihenfolge der Häufigkeit von Elementen in der Erdkruste: Osialfe nakampfMg 

Beispiel: 17CrNi6-6 0,17% C + 1,5% Cr + 1,5% Ni 



E-Modul 

[GPa] 

200 

180 

160 

140 

120 

100 

8,0 

7,8 

7,6 

7,4 

7,2 

Dichte 

[g/cm 3 ] 

E-Modul 

Änderung physikalischer Eigenschaften mit 

der Temperatur 

therm. 

Ausdehnungskoeffizient 

Dichte 

Temperaturleitfähigkeit 

therm. 

Ausdehnungskoeff.[10 

-6 /K] 

0 200 400 600 T [°C] 1000 

für Reineisen 

20 

19 

18 

17 

16 

Temperaturleitfähigkeit 

[mm 2 /s] 

6,0 

5,5 

5,0 

4,5 

Werte bei RT für verschiedene Stähle: 



Atomvolumen Ω [10 -30 m 3 ] 

12,8 

12,4 

12,0 

11,6 

11,2 

Änderung von Werkstoffeigenschaften 

mit der Temperatur 

1392°C 

-200 200 600 1000 1400 

Temperatur [°C] 

γ 

911°C 

1536°C 

δ 

220 

200 

180 

160 

140 

120 

E-Modul [GPa] 

Änderungen von RT auf 700°C bei dem 

Werkstoff 42 Cr Mo 4 (1.7225): 

Zugfestigkeit Rm von 1600 auf 800 MPa 

Streckgrenze Rp0,2 von 1470 auf 700 MPa 

Bruchdehnung A von 8 auf 13% 

0 100 200 300 400 500 600 700 

Temperatur [°C] 



Tendenzen und Arten 

der Karbidbildung 



M 23C 6 

Karbidstrukturen 

M 6C 



Vorgänge bei beschleunigter 

Temperaturführung: 



Einfluß einer beschleunigter Abkühlung 

Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist ein Gleichgewichtsdiagramm. Die Bildung der Gefügebestandteile 

laut Phasendiagramm erfordert ausreichend lange Zeiten für Diffusionsvorgänge. Es gilt daher streng 

genommen nur für unendlich lange Abkühlzeiten. 

Mit zunehmender Abkühlgeschwindigkeit werden Diffusionsvorgänge erschwert. Umwandlungen 

laufen bei niedrigeren Temperaturen ab und es entstehen andere Gefüge als im Phasendiagramm dargestellt. 



Gefügebestandteile von Eisen-Kohlenstoff- 

Legierungen nach beschleunigter Abkühlung 

Perlitstufe 

Perlit (180 HV) 

Sorbit (250HV) 

Troostit (400 HV) 

Troostitrosetten (dunkel), Martensit (hell) 

Bainit 

obere Zwischenstufe 

untere Zwischenstufe 

50 µm 

Martensit 

Nadeliger Martensit 

Massiver Martensit 



Mechanismen der Umwandlung 

Diffusionsgesteuerte Umwandlungsprozesse: 

Perlitstufe: 

Perlit 

Sorbit 

Troostit 

Zwischenstufe: 

(Bainit) 

obere Zwischenstufe 

(nadelig) 

untere Zwischenstufe 

(globulitisch) 

γ 

C 

Diffusionsweg 

x Dt 

d(Fe 3C) : d(α-Fe) = 1 : 7 

Fe 3C (wenige nm bis 100 nm) 

Abstand der Fe 3C-Lamellen 

verringert sich mit steigender 

Abkühlgeschwindigkeit bis bei 

extrem verringerten Diffusionswegen 

sehr feine globulitische Fe 3C- 

Ausscheidungen entstehen. 

untere 

Zwischenstufe 

an 

55Cr3 

sehr feine 

Karbidausscheidungen 



Austenitgitter 

Martensitgitter 

Umwandlung in der Martensitstufe 

Hohe Abschreckgeschwindigkeit diffusionsloser 

Umklappvorgang (Schiebungsumwandlung) 

Tetragonal verzerrtes Gitter hoher 

Spannungszustand Glashärte Anlassen 

Lattenmartensit 

Niedrig leg. Stahl 

C=0,17%; 1200°C/H 2O 

Plattenmartensit mit RA 

überkohlter Rand eines 

Einsatzstahls1100°C/H 2O 

ε-Martensit 

Entkohlter Rand eines 

X120Mn12 



Einfluß des Kohlenstoffgehalts auf die 

Martensitbildung (Härten von Stahl) 

M s und M f-Temperatur Abkühlgeschw. Restaustenitgehalt 



Vorgänge bei beschleunigter 

Temperaturführung: 

Rasche Erwärmung EKS 

Rasche Abkühlung 

Zeit- 

Temperatur- 

Austenitisierungs- 

Diagramme 

ZTA ZTU 

Zeit- 

Temperatur- 

Umwandlungs- 

Diagramme 



ZTU-Diagramme 

ZTU-Schaubild eines untereutektoiden Stahls mit 0,45% C 

Isotherm Kontinuierlich 



Gefügebestandteile nach unterschiedlicher 

Abkühlung anhand des ZTU-Diagramms 

Kontinuierliches ZTU für 

einen Stahl mit 0,45 %C 

Abkühlverlauf 

1 

(z.B. Luftabkühlung) 


2 

(z.B.Ölabkühlung) 


3 

(z.B. Wasserabkühlung) 

60% Ferrit (weiß), 40%Perlit 

3%Ferrit, 70%Perlit, 

17%Zwischenstufe 

98% Martensit mit 

2% Zwischenstufengefüge 



Einfluß der Legierungselemente auf das 

Umwandlungsverhalten dargestellt an 

isothermen ZTU-Diagrammen 

a) unlegierter Stahl 

b) niedrig legierter Stahl meist großer Existenzbereich des Zwischenstufengefüges 

c) hoch legierter Stahl (Trennung der Perlitstufe von der Zwischenstufe durch 

Karbidbildner (Cr, Mo, V, W)) 



Umwandlungen in der Perlit- und 

Zwischenstufe 

1: Perlitisieren 

Ziel: gut zerspanbares perlitisches Gefüge, zäh 

2: Patentieren 

Ziel: feinstreifiges sorbitisch-troostitisches 

Gefüge mit sehr guter Kaltverformbarkeit für die 

Herstellung von Drähten (Rm bis 3000 MPa). 

Die unterschiedlichen Abkühlbedingungen 

zwischen Rand und Kern werden durch die 

Seigerung der Legierungselemente über den 

Querschnitt kompensiert. 

3. Zwischenstufenvergüten 

Ziel: Zwischenstufengefüge mit herausragenden 

mechanischen Eigenschaften; Abbau der 

Spannungen im gut verformbaren Austenit, 

daher besonders für rißempfindliche Stähle 

geeignet, geringer Verzug, keine 

Anlaßversprödung 



Härten von Stahl 

Härtetemperaturen in Abhängigkeit vom C-Gehalt 



Härtbarkeit = Aufhärtbarkeit + Einhärtbarkeit 

Maximal erreichbare 

Härte, im wesentlichen 

Abhängig vom C-Gehalt 

≈ 1200 

HV 

≈ 800 

≈ 250 

Maximale Einhärtetiefe (EHT), im wesentlichen 

abhängig von Legierungselementen 



Jominy-Versuchsaufbau 

Prüfung der Härtbarkeit: Jominy- 

Versuch (DIN 50 191) 

Typischer Verlauf 

von Stirnabschreck- 

Härtekurven 



Wasser-, Öl-, und Lufthärter 

Abkühlverläufe für unterschiedlich legierte 

Stähle mit gleichem C-Gehalt (Rand und 

Kern), 100 mm Durchmesser 

Wasserhärter 

Ölhärter 

Lufthärter 



Härten, Anlassen, Vergüten 

Mehr dazu (Härteverzug, Anlasstufen, Gefügeveränderungen 

beim Vergüten) in den Vorlesungen: 

• Metalle II 

• Bei Wahl des Vertiefungsfachs Metalle: 

Dr. Dieter Müller, Renkel-MAN, 1 SWS Vorlesung, im 

SS: "Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe" 



Nichtrostende Stähle 



Masseverlust in g / cm² 

Entwicklungsgeschichte 

nichtrostender Stähle 

1912: Entdeckung V2A=Versuchsschmelze 2 Austenit, X5CrNi18-8 oder 

Werkstoffnr. 1.4301 X5CrNi18-10 andere Handelsnamen Nirosta (Krupp), 

Cromargan (WMF), stainless steel (nicht zu verwechseln mit 

Edelstahl mit besonderer Reinheit). 

0,10 

Stahl mit mehr als 12 % Chrom bildet eine 

0,08 

fest haftende Deckschicht, die Passivschicht. 

0,06 

Entwicklung weiterer Legierungssysteme mit anderen 

Elementen Ni, Mo, Cu, Si, Mn, N, Ti, Nb u.a.. 

0,04 

0,02 

0,00 

0 

2 

1992 

4 

6 

8 

10 12 

14 

16 

Optimierung der Eigenschaften und der 

Herstellungsverfahren. Heute: Eine Fülle 

nichtrostender Stähle und 

maßgeschneiderte Problemlösungen. 

18 



Einteilung nichtrostender Stähle 

1.4301 1.4016 

X5CrNi18-10 

1.4313 

austenitisch ferritisch 

X3CrNiMo13-4 

1.4462 

X6Cr17 

X2CrNiMoN22-5-3 

martensitisch ferritisch-austenitisch 



Nickelgehalt [wt.%] 

28 

24 

20 

16 

12 

8 

Gefügeschaubild nach Strauss und Maurer für 

Chrom-Nickel-Stähle mit etwa 0,2 % Kohlenstoff 

Austenit 

X20CrNi 18-10 

(V2A: X5CrNi 18-10) 

Austenit - 

Ferrit 

4 Ferrit 

- Perlit 

0 

0 2 4 6 8 

Martensit - Ferrit 

10 12 14 16 18 20 

Chromgehalt [wt.%] 

22 24 26 



Nickel-Äquivalent: 

%Ni + 0,5 • %Mn + 30 • (%C + %N) 

30 

24 

18 

12 

6 

0 

Schaeffler-Diagramm 

Austenit 

+ 

Martensit 

Martensit 

Ferrit + 

Martensit 

Austenit 

X5CrNi 18-10 

V2A 

Martensit 

+ Ferrit 

A 

+M 

% Ferrit: 0 

+F 

Austenit + 

Ferrit 

5 

10 

20 

40 



80 

100 

0 6 12 18 24 30 36 42 

Chrom-Äquivalent: %Cr + 1,5 • %Si + 0,5 • %Nb + 2,0 • %Ti + 1,4 • %Mo

Korrosionsbeständigkeit 

Relation von Korrosionsbeständigkeit 

und Festigkeit der verschiedenen Sorten 

Austenitische 

Stähle 

Ferritische Stähle 

Festigkeit 

Superferritische 

Stähle 

Ferritischaustenitische 

Stähle 

Nickelmartensitische 

Stähle 

Martensitische 

Stähle 



Übersicht über nichtrostende 

ferritische Stähle 

Grundtyp Typische Stähle 

nach Norm 

EN 10088; SEW 400 

11-13 % Chrom 

16-18 % Chrom 

16-18 % Chrom 

+1–2,5 % Molybdän 

28 % Chrom 

+4 % Molybdän 

+ (Ni) 

(Superferrite) 

1.4003 

1.4512 

1.4016 

1.4509 

1.4520 

1.4521 

1.4113 

1.4575 

1.4592 

Anwendung 

Anwendungsbereiche bzw. 

-komponenten 

Schienen- und Straßenfahrzeuge 

Maschinen- und Anlagenbau 

Agrartechnik 

Haushalt 

Abgasanlagen / Gasturbine 

Containerbau 

Wärmetauscher 

Automobilindustrie 

Handhabung hochkonzentrierter 

Schwefelsäure 




austenitische Stähle 


nach Norm 

EN 10088; SEW 400 

18 % Chrom 

8-10 % Nickel 

17 % Chrom 

12-14 % Nickel 

2 % Molybdän 

Sonderstähle: 

bis 25 % Chrom 

bis 20 % Nickel 

bis 7 % Molybdän 

bis 0,50 % 

Stickstoff 

(Kupfer) 

1.4301 

1.4306 

1.4541 

1.4401 

1.4435 

1.4571 

1.4565 

1.4562 

1.4529 

1.4563 

Anwendung 


-komponenten 

Chemische Industrie 

Haushalt 

Nahrungsmittelindustrie 

Apparate- und Behälterbau 

Rohrleitungen 

Umwelttechnik 

Rauchgasentschwefelung 

Wasseraufbereitung 

Offshoretechnik 

Meerestechnik / 

Meerwasserentsalzung 

Bauwesen / Architektur 

Rohrleitungen 




ferritisch-austenitische Stähle 


nach Norm 

EN 10088; SEW 400 

23 % Chrom 

4 % Nickel 

22 % Chrom 

5 % Nickel 

3 % Molybdän 

Stickstoff 

25 % Chrom 

7 % Nickel 

4 % Molybdän 

Stickstoff 

(Cu, W) 

1.4362 

1.4462 

1.4501 

1.4507 

Anwendung 


-komponenten 

Chemische Industrie 

Onshore- / Offshoretechnik 

Chemikalientankerbau 

Meerestechnik / 

Meerwasserentsalzung 

Behälter 

Apparate 

Rohrleitungen 




martensitische Stähle 


nach Norm 

EN 10088; SEW 400 

Kohlenstoff-martensitische 

Stähle 

bis 0,50 % Kohlenstoff 

13 % Chrom 

bis 0,50 % Kohlenstoff 

17 % Chrom 

1 % Molybdän 

Nickelmartensitische Stähle 

13 % Chrom 

4 % Nickel 

16 % Chrom 

5 % Nickel + (Mo) 

Aushärtbare nickelmartensitische 

Stähle 

13 % Chrom 

4 % Nickel + Cu 

1.4006 

1.4034 

1.4122 

1.4057 

1.4313 

1.4418 

1.4542 

Anwendung 


-komponenten 

Wellen, Spindeln 

Konstruktionsteile im Wasserkraftwerksbau 

Bremsscheiben 

Messerklingen 

Chirurgische Instrumente 

Pumpen, Verdichter 

Wasserturbinen 

Erdöltechnik 

Kältetechnik 

Schrauben 

Spindeln 



Formeln zur Berechnung von 

Martensittemperaturen 

M d30 = 413-462%(C+N)-9,2(% Si)-8,1(% Mn)-13,7(% Cr)-9,5(% Ni)-18,5(% Mo) °C 

M d30 ist die Temperatur, 

bei der nach 30%iger Umformung 50% Martensit gebildet wird. 

M s = 1305-1665%(C+N)-28(%Si)-33(%Mn)-42(%Cr)-61(%Ni) °C 

Martensitpunktberechnung nach Hull und Eichelmann 



Einfluss von Legierungszusätzen auf das 

Ausscheidungsverhalten korrosionsbeständiger Stähle 

Wärmezufuhr: 

Hoch Chrom -Phase (FeCr); ~ 30 - 35 % Cr 

tetragonal 

Hoch Molybdän -Phase (Fe 36Cr 12Mo 10); ~ 15 - 25 % Cr 

kubisch 

Lavesphase (Fe 2Mo) bis zu 45 % Mo 

+ Kohlenstoff Carbid (M 23C 6); ~ 65 % Cr 

kubisch 

+ Stickstoff Nitrid Cr 2N; 90 % Cr 

hexagonal 

+ Stickstoff z-Phase; 25 % Cr 

+ Niob tetragonal 



Stahlsorte Dichte E-Modul 

Überblick über physikalische und 

mechanische Eigenschaften 

(kg/dm 3 ) (N/mm 2) 

Wärmeaus- 

dehnungs- 

koeffizient 

(20 - 200°C) 

Spezif. 

Wärme 

Elektr. 

Widerstand 

bei 20°C 

0,2%- 

Dehngrenze 

(10 -6 xK -1 ) (Jxkg -1 xK -1 ) (xm) (N/mm 2) 

Zugfestigkeit Bruchdehnung 

(N/mm 2) 

Ferritisch 7,7 220.000 10,0 460 0,60 370 500 26 

Duplex 7,8 200.000 13,0 500 0,80 620 840 30 

Austenitisch 7,9 200.000 16,0 500 0,73 270 620 56 

Ferrite: 

• Verformungsverhalten grundsätzlich ähnlich zu 

Baustählen 

• Durch fehlende Phasenumwandlung keine 

Härtbarkeit 

• Einstellung der Festigkeit nur durch 

Kaltumformung möglich 

• Bei stabilisierten Ferriten hohe Verformbarkeit 

Austenite: 

• Niedrige Streckgrenze 

• Starke Verfestigung 



(%) 

• Sehr hohe Duktilität (auch bei tiefen 

Temperaturen) 

• Hohe Verformungsfähigkeit

Zugfestigkeit und Streckgrenze [N/mm²] 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

200 

Verfestigungsverhalten (schematisch) 

der nichtrostenden Stähle 

Zugfestigkeit 

Bruchdehnung [%] Bruchdehnung [%] 

70 1400 

70 

Streckgrenze 

Bruchdehnung 

0 

0 

0 10 20 30 40 50 60 70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 10 20 30 40 50 60 70 



Zugfestigkeit und Streckgrenze [N/mm²] 

1200 

1000 

800 

600 

400 

200 

Zugfestigkeit 

Streckgrenze 

Bruchdehnung 

Verformungsgrad [%] Verformungsgrad [%] 

Austenitische Stähle Ferritische Stähle 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0

Kerbschlagarbeit [J] 

Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven 

verschiedener nichtrostender Stahltypen 

150 

100 

50 

0 

-300 -200 -100 0 100 200 

Prüftemperatur [°C] 

Chrom-Nickel-Austenit 

Chrom-Nickel-Martensit 

Chrom-Ferrit 

(DVM-Proben) 



Einstufung der Korrosionsbeständigkeit 

nichtrostender ferritischer Stähle 

Heißkorrosionsbeanspruchung 

DIN EN 10088 

1.4512 

1.4512 

+Ti 

1.4000 

1.4000 

1.4000 X 6 Cr 13 

1.4016 X 6 Cr 17 

1.4113 X 6 CrMo 17-1 

1.4513 

1.4512 X 2 CrTi 12 

1.4520 X 2 CrTi 17 

1.4509 X 2 CrTiNb 18 

1.4526 X 6 CrMoNb 17-1 

1.4521 X 2 CrMoTi 18-2 

+Cr 

1.4520 

1.4520 

1.4016 

+Cr 1.4016 +Mo 

1.4513 

1.4513 

Naßkorrosionsbeanspruchung 

Werkstoffcharakteristiken 

1.4509 

1.4509 

+Cr 

+Nb 

+Mo 

+Nb 

1.4526 

1.4526 

+Mo 

+Ti 

1.4113 

1.4113 

1.4521 

1.4521 

krz - Gitter 

Ferritische Basisgüte mit 13% Chrom 

Bessere Korrosionsbeständigkeit als 1.4000 


Vergleichbar 1.4113, schweißbar 

Bessere Umformbarkeit und Schweißbarkeit als 1.4000 

Bessere Korrosionsbeständigkeit und Kriechfestigkeit als 1.4512 

Bessere Korrosionsbeständigkeit und Kriechfestigkeit als 1.4520 


Bessere Korrosionsbeständigkeit und Kriechfestigkeit als 1.4509, neigt zur Versprödung 

0,29nm 



Einstufung der Korrosionsbeständigkeit 

nichtrostender austenitischer Stähle 

Heißkorrosionsbeanspruchung 

DIN EN 10088 

1.4541 +Mo 

1.4541 

1.4301 

1.4301 

+Ti 

(V2A) 

1.4301 X 5 CrNi 18-10 

1.4541 X 6 CrNiTi 18-10 

1.4571 X 5 CrNiMoTi 17-12-2 

1.4828 X 15 CrNiSi 20-12 

1.4835 X 8 CrNiSiN 21-11 

+Ni 

+Ce 

1.4833 

1.4833 

1.4828 

1.4828 

+Cr 

+Ni 

+Cr 

Naßkorrosionsbeanspruchung 

Werkstoffcharakteristiken 

1.4571 

1.4571 

1.4401 

+Mo 1.4401 

Austenitische Basisgüte 

Bessere Kriechfestigkeit als 1.4301 

Bessere Naßkorrosionsbeständigkeit als 1.4541 

Hitzebeständiger Stahl 

Bessere Umformbarkeit als 1.4828 

kfz - Gitter 

0,36nm 

(V4A, X5CrNiMo 17-12-2) 



Chrysler Building, New York 



Plaza Tower 

Costa Mesa, Kalifornien (USA) 

Werkstoff: 

Edelstahl Rostfrei mit strukturgewalzter Oberfläche 

(Dessin Leinen) 



Neuer Zollhof 

Hafen Düsseldorf 

Architekt: Frank Gehry, USA 



Dubai 

Höchstes Gebäude der Welt (828 m) 

Einweihung 04.01.2010 

"Geschmückt ist die Fassade des 

Wolkenkratzers mit Edelstahl, der in 

Deutschland hergestellt worden ist. Die 

ThyssenKrupp Nirosta in Krefeld 

fertigte das Material, das im Werk 

Dillenburg gewalzt wurde. Die deutsche 

Partnerfirma Strukturmetall (bei 

Heilbronn) bearbeitete den Werkstoff 

weiter und lieferte diesen nach Dubai - 

insgesamt rund 400 Tonnen. Dort 

wurden sie in Streifen geschnitten. Die 

am Ende 420 Millimeter breiten Bänder 

sind an den Stirnseiten der Etagen- 

Plattformen angebracht und umfassen 

die riesigen Glasfenster der 

Außenfront." 

© ThysscenKrupp Stainless Steel AG 



Einsatzgebiet martensitischer Chromstähle 

(NIROSTA ® 4021 = 1.4021 = X20Cr13 

NIROSTA ® 4034 = 1.4034 = X46Cr13) 



Einsatzgebiete austenitischer Cr-Ni-Mo-Stähle 

NIROSTA ® 4401 = X5CrNiMo17-12-2 

NIROSTA ® 4571 = X6CrNiMoTi17-12-2 



Einsatzgebiet höherlegierter Cr-Ni-Mo-Stähle 

NIROSTA ® 4439 = X2CrNiMoN17-13-5 

NIROSTA ® 4539 = X1NiCrMoCu25-20-5 



Hochtemperaturlegierungen 

Ni-, Cr-, Co- Basis 

oder intermetallische 

Verbindungen 



Nickel 

Ordnungszahl 28 

Raumgitter kubisch-flächenzentriert 

Dichte 8.9 g/cm³ (bei 20ºC) 

Schmelzpunkt 1455ºC 

Siedepunkt 2732ºC (bei 1,013 bar) 

Spezifische Schmelzwärme 301 kJ/kg (bei 1,013 bar) 

Spezifische Wärmekapazität 0,45 J/(g K) (bei 20ºC) 

Wärmeleitfähigkeit 90 W/(m K) bei 25ºC) 

Hauptfundorte: Kanada, Rußland, China, auch 

Neukaledonien, Philippinen, Amerika. 

Nickel läßt sich gut schweißen, löten und 

zerspannen 

Preis 12,76 €/kg (07.02.2006) 

€/100 kg 



Zustandsdiagramm Nickel-Chrom 



Nickel-Chrom-Legierungen 

Wegen ihrer hohen Hitzebeständigkeit und ihres hohen spezifischen 

elektrischen Widerstandes werden die bis zu 32% Cr enthaltenden 

Legierungen für Widerstände, Heizleiter und Ofenbauteile eingesetzt. 

Die Widerstandslegierungen: 

NiCr 8020: (20ºC=1,0 10-6 /m); 18-20% Cr, 76-80% Ni. 

Hochhitzebeständig, sehr warmfest. Elektroöfen und -geräte. 

Emailieröfen, Lötkolben. Atmosphäre muß schwefelfrei sein. 

NiCr 6015: (20ºC=1,11 10-6 /m); 14-16% Cr, 58-62% Ni, Rest Fe. 

Hitzbeständig, warmfest, hoher spezifischer Widerstand. 

Elektrowärmegeräte, hochbelastbare Widerstände. 

NiCr 3020: 20-22% Cr, 29-31% Ni Rest Fe. Hitzbeständig, sehr warmfest 

unempfindlicher gegen schwefelhaltige u. aufkohlende Gase. Elektroofen 

bis 1150°C. Haushaltgeräte. 

NiCr 2520: 23-25% Cr, 18,5-19,5% Ni, Rest Fe. Hitzebeständig, 

warmfest. Für Härtöfen besonders geeignet. Temperaturgebiet 700-950°C. 

NiCr10 gegen Ni 

Thermoelement, schematisch 

NiCr Heizelement 



Nickelanteile in verschiedenen 

Turbinenbau 

NiCr Stähle 

Legierungen 

C 

Mn 

Cr 

Ni 

Fe 

Mo 

Co 

W 

Nb 

Ti 

Al 

Rm 

Rp0,2 20°C 

Rp0,2300°C Rm/1000h/750°C R m/1000h/900°C 

A 

X 10 CrNiNb 18 9 

(W. Nr. 1.4550) 

max. 0,04 

max. 2,0 

17-19 

9-11 

Rest (~ 70) 

- 

- 

- 

> 8 x C 

- 

- 

550 

210 

140 

- 

- 

40 

Incoloy 800 

(W. Nr. 1.4876) 

max. 0,03 

max. 1,5 

21 

32 

Rest (~ 45) 

- 

- 

- 

- 

0,4 

0,4 

Hastelloy X 

(W. Nr. 2.4603) 

max.0,10 

max 1,0 

22 

Rest (~ 48) 

18 

9 

1,5 

0,6 

- 

- 

- 



570 

400 

300 

- 

- 

40 

800 N/mm² 

350 N/mm² 

320 N/mm² 

110 N/mm² 

24 N/mm² 

40%

HASTELLOY alloy C-276 

HASTELLOY alloy B-2 

HASTELLOY alloy C-22 

HASTELLOY alloy G-30 

Nickel 200/201 

MONEL alloy 400 



INCONEL alloy 600 

INCONEL alloy 625 

HASTELLOY® 

C-22 Gasrohre 

Korrosionsfeste Nickel-Legierungen 

Anwendungen: 

• Chemie- und Ölindustrie 

• Flüssiggasrohre 

• Säuretanks 

• Vakuumanwendungen 

• Filtern für chloridhaltige Säuren 

• Goldputzen 

• Hochtemperatur Chemie (bis 550°C) 

• Rohre für Atomkraftwerke 

HASTELLOY® C-22 Säurepumpe 

HASTELLOY® B-2 

Chemiewerke 



Nickellegierung mit hohem Kobalt 

Anteil bis 850°C 

Erstes Schaufelkranz der Turbine 

Waspaloy (2.4654) 

Ni 58% (bal.) 

Cr 20% 

Co 14% 

Mo 4% 

Ti 3% 

Al 1% 

Waspaloy Bolzen 



Extrem Temperaturbeständige 

Nickel-Legierungen (bis 1050°C) 

Inco z.B. Inconel 738 LC 

RollsRoyce SRR 99 

Canon-Muskegon CMSX-4 

... 

Anwendungen: 

• Gasturbinenbau 

• Propeller- und Pumpenteile 

• Teile von Atomreaktoren 

• Raketendüsen 

• Ofenteile 

• Seewasserfeste Teile 



Zustandsdiagramm Nickel-Aluminium 

1395°C 

1385°C 



flow stress [MPa] 

Warum Nickel als Basiselement mit Al-Zugabe? 

Anomales Verhalten der mechanischen Eigenschaften 

von Ni 3Al bei Zunahme der Temperatur: 

500 

400 

300 

200 

100 

Copley and Kear, Trans. AIME 

Vol. 239 (1967), 984-992 

0 

superalloy heat treated 

superalloy as cast 

Ni 3 Al 

nickel solid solution 

0 200 400 600 800 1000 

temperature [°C] 

70 % 

100 % 

0 % 



Kristallstrukturen 

NiAl ↔ Ni 3Al ↔ Ni 

B2-geordnet L12-geordnet (Basis krz) (Basis kfz) kfz 

a 

b 2 

111 

 

2 

oder a 100 

 

 

Al 

Ni 

a 

b 2 

110 

 

2 

oder a 100 

 

 

d Ni3Al = 358,0 pm 

Legierungselemente statistisch 

verteilt (Mischkristall, solid 

solution) 

a 

b 110 

 

2 

 

d nickel solid sol. = 358,7 pm 



Zweiphasig, Einkristall: 

kfz-Matrix 

(Nickelmischkristall) 

Ni 3Al 

L1 2 geordnete ' Phase 

Volumenanteil ≈ 70% 

Mikrostruktur der 

Legierung CMSX-4 

Annähernd Versetzungsfrei 

Titelblatt Habilitationsschrift Glatzel 



Ternäres Phasendiagramm 

Al-Ni-Cr 

Cr engt Phasengebiet 

der '-Phase ein, 

bei hohen Cr- 

Zugaben müssen ' 

bildende Elemente 

zugegeben werden. 

Entwicklung zu höherer 

Temperaturbeständigkeit 

(Cr und Al ) 



Blade for 

stationary 

gas turbine 

for power 

production 

$ 40.000 

Big, Single Crystal Blade 



max 

theor. 

Coefficient of Efficiency 

regular fuel car engine: 23% 

diesel car engine: 27% 

aircraft turbine: 30-35% 

stationary gasturbine: 40% 

gas and steam generation: 54% 

gas + steam + long distance heating: 87% 

 

Tin T 

T 

in 

out 

increase of T in increases 

coefficient of efficiency 



temperature [°C] 

2000 

1500 

1000 

500 

Increase in Temperature due to 

Improved Construction and Material 

polycrystalline 

military 

civilian 

directional solidified 

material temperature 

single crystal 

gas temperature 

improved cooling 

improved materials 

1950 1960 1970 

year 

1980 1990 2000 

ceramics?? 

platinum 

base alloys? 

constant 

improvement 

5-10°C/year 



Mehr über (einkristalline) Nickel-Basis- 

Superlegierungen und deren Anwendung als 

Hochtemperaturwerkstoffe in der Vorlesung 

Advanced High Temperature Alloys 

im Vertiefungsfach Metalle 



Kobalt 

Ordnungszahl 27 

Raumgitter hexagonal 

Dichte 8,93 g/cm³ (bei 20ºC) 

Schmelzpunkt 1494 ºC 

Siedepunkt 2870 ºC (bei 1,013 bar) 

Spezifische Schmelzwärme 243 kJ/kg (bei 1,013 bar) 

Spezifische Wärmekapazität 422 J/kg*k (bei 20ºC) 

Wärmeleitfähigkeit 100 W/m*K (bei 25ºC) 

Hauptfundorte: Mittel- und Nordafrika, Kanada, USA; auch Deutschland. 

Kobalt ist ferromagnetisch. 

Preis pro 1kg Kobalt ist ~ 30 €/kg (Jan. 2006) 



Legierungbezeichnung 

Art der 

Legierung 

Kobalt-Basis-Superlegierungen 

Chemische Zusammensetzung in Masse- % 

C Cr Ni Fe Co Mo W Ti Nb Ta Cb B Zr 

Typische Anwendungen 

S-816 Knet 0,38 20 20 3 44 4,0 4,0 - 4 - - - - Gasturbinen Laufräder und 

Schaufeln 

HS-25 Knet 0,15 20 10 - 55 - 15 - - - - - - Leitschaufeln, Nachbrenner 

MAR-M509 Guß 0,6 21,5 10 1 54 - 7 0,2 - 3,5 - 0,010 0,4 Lauf- und Leitschaufeln 

(Flugtriebwerke) 

MAR-M302 Guß 0,85 21,5 - - 58 - 10 - - 9,0 - 0,005 0,15 Gasturbinen-Lauf- und 

Leitschaufeln 

MAR-M322 Guß 1,0 21,5 - - 61 - 9 0,75 - 4,5 - - 2,25 Desgl. 

HS-21(LK4) Guß 0,25 27 3 1 62 5 - - - - - - - Gasturbinen Teile 

X-40 Guß 0,5 25 10 1,5 54 - 7,5 - - - - - - Gasturbinen Teile 

FSX414 Guß 0,35 27,5 10 2 50 - 7 - - - - - - Leitschaufeln 

UMCo 50 Guß 0,1 28 - 21,9 50 - - - - - - - - 

UMCo 51 Guß 0,3 28 - 19,6 50 - - - - - 2,1 - - 

Viele Legierungen werden mit eigenem Namen gehandelt wie z.B.: 

Waspaloy: United Aircraft Co. Rene: General Electric. Co. 

MAR-M: Martin Marietta Corp. UMCo: Union Miniere Udimet: Special Metals Inc. 



Kobalt Korrosionschutzlegierungen 

ULTIMET® ist eine Korrosionsschutzlegierung. Sie ist beständig in 

Seewasser und Säuren. 

54% Co 

26% Cr 

9% Ni 

5% Mo 

3% Fe 

2% W 

0,8% Mn 

0,3% Si 

0,08% N 

0,06% C 

Dichte 8,47g/cm³ 

HV: 20°C - 296 

ULTIMET 

Maschinenelemente für 

Marinediesel 

ULTIMET Blasdüse 

ULTIMET H-2082 Säuretank 



Hartmetall mit Kobalt als Bindemetall 

Quasibinäres Zustandsschaubild Co-WC 

WC, TiC, TaC, NbC sind ineinander löslich. Als 

Bindemetall verwendet man in den meisten Fällen 

Kobalt. Karbide in der Größe 1 - 10 m mit 

80 - 95% Volumenanteil. Sie werden über die 

pulvermetallurgische Route hergestellt 

Z.B.: Co-WC Legierungen (Widia, eingetragener 

Markenname der Firma Krupp für Hartmetall, 

1926). 

Beschichtungen mit TiC, Al 2O 3, TiN und TiCN (ab 

ca. 1970) verbessern die Produktivität der 

Zerspanung nochmals beträchtlich 



Energie 

Erze 

Zuschläge 

Recycling 

Vom Werkstoff zum Bauteil 

Fertigungsabläufe 

Schmelzmetallurgie 

Metalldarstellung 

Raffination 

Schmelzen / Legieren 

Gießen Verdüsen 

Formguß Block- 

Strang- 

Bandguß 

Spanende Formgebung 

Stoffeigenschaftsänderung 

Beschichten 

Fertigteil 

Umformen 

Metallpulver 

Mischen / Kompaktieren 

Trennen 

Abtragen 

Verbinden 

Demontage Montage / Einsatz 

Pulvermetallurgie 



Werkstoffprüfung / Qualitätssicherung

Verteilung der Inhalte auf die 

• Urformen 

verschiedenen Vorlesungen 

– Gießen: Form-, Block-, Strang- und Bandguß 

– Pulvermetallurgie (Sintermetalle, metal-injectionmoulding 

(MIM)) 

in Einführungsvorlesung (G3) 

• Umformen: Schmieden, Walzen, Ziehen, 

Blechumformung 

in Werkstofftechnologie und Halbzeuge (H1) 



Definition: Umformen ist Ändern der Form mit Beherrschung der 

Geometrie (Gegensatz zu Verformen). 

Massivumformung: 

- Stauchen 

- Schmieden Gesenkschmieden 

Freiformschmieden 

Umformen 

Definition und Einteilung 

- Walzen 

-Ziehen 

- Fließpressen 

- Strangpressen Vorwärtsstrangpressen 

Rückwärtsstrangpressen 

Blechumformung: 

Biegen und Tiefziehen 



Umformen – Vorteile/Nachteile 

Vorteile: 

Verbesserung des Gefüges (Poren, Seigerungen, Einschlüsse (Korngröße/-form) 

hohe Bauteilsteifigkeit 

Kaltverfestigung 

Hohe Materialausnutzung 

Geringer Energiebedarf 

Geringe Stückkosten 

Niedrige Stückzeiten 

Entwicklungsaufwand geringer als beim Gießen 

Nachteile: 

Wirtschaftlich erst bei hohen Stückzahlen 

Geometrieeinschränkungen 

Bei falscher Prozessführung Risse, Fehlstellen 



Umformen - Einteilung 

(nach Temperatur) 

Warmumformung: 

• Große Umformbarkeit 

• Geringe Umformkräfte 

• Geringe Änderung von 

Festigkeit und Dehnung 

Kaltumformung: 

• Enge Maßtoleranzen 

• Keine Verzunderung der 

Oberfläche 

• Erhöhung der Festigkeit und 

Dehnung 



Druckumformen 

Walzen 

Freiformen 

Gesenkformen 

Eindrücken 

Durchdrücken 

Umformen - Einteilung 

(nach wirksamen Spannungen) 

Zug-Druckumformen 

Durchziehen Längen 

Tiefziehen 

Kragenziehen 

Drücken 

Knickbauchen 

IHU 

Umformen 

Zugumformen 

Weiten 

Tiefen 

Biegeumformen 

Biegen mit 

geradlinieger 

Werkzeugbewegung 

Biegen mit 

drehender 

Werkzeugbewegung 

Schubumformen 

Verschieben 

Verdrehen 



Umformen 

Blech- und Massivumformung 

Blechumformung Massivumformung 

Tiefziehen Biegen 

- flächiges Halbzeug: große Oberfläche/ 

Fließpressen, 

Stauchen 

Schmieden 

geringe Wanddicke 

- Halbzeug: Stäbe, Gußstücke 

- i. A. keine gewollte Blechdickenänderung 

- räumliche Hohlteile mit großen 

- annähernd zweiachsige Spannungszustände 

Querschnittsänderungen 

- Hohlteile 

- mehrachsige Spannungszustände 



Abgrenzung von Umformtechnik 

und Festigkeitslehre 

= F 

A 0 

R P0,01 

elastischer Bereich 

(Festigkeitslehre) 

ε = 0,01% 

elastisch-plastischer Bereich 

(Umformtechnik) 

ε = (l-l 0)/l 0 



Umformen - Fließkurve 

Merke: 

In der Umformtechnik wird 

das wahre Spannungsdehnungsdiagramm 

(Fließkurve) herangezogen 

Grundsatz: Material wird 

nicht verdichtet und 

Zusammenhang bleibt 

erhalten Volumenkonstanz 

(Grundlage der 

Plastizitätstheorie) 



Relativer Energiebedarf und 

Rohstoffausnutzung beim Umformen 

im Vergleich zu anderen Verfahren 

einschließlich dem Aufwand für Stahlherstellung und Energieinhalt des Abfalls 

© Doege, Behrens: Handbuch Umformtechnik 



Schmieden 



Schmieden - Werkstoffe 

Zum Schmieden 

eignen sich 

grundsätzlich alle 

knetbaren Metalle. 

Umformverhalten 

unterschiedlicher 

Werkstoffgruppen 



Temperatur, °C 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

723 

Schmieden - Werkstoffe 

Schmiedeteile aus Stahl haben aufgrund der Vielfalt der Stahlsorten mit ihren 

anpassbaren Eigenschaften eine überragende Bedeutung. 

+ 

-Austenit, kfz 

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 

Kohlenstoffgehalt, % 

Anfangsschmiedetemperatur 

Endschmiedetemperatur 

+ Fe 3C 

Normblätter, in denen die für Schmiedeteile 

gebräuchlichsten Stahlsorten aufgeführt sind 

Verunreinigungen wie S und P dürfen höchstens insgesamt 0,1% betragen, da sie den 

Stahl kalt- bzw. rotbrüchig machen 



Schmiedetemperatur nach 

Werkstoffen 

Werkstoff 

Aluminiumlegierungen AlCuMg 

Schmiede- 

Anfangstemperatur [°C] Endtemperatur [°C] 

500 400 

Kupferlegierungen CuZn42 750 600 

Unlegierter Baustahl 1200 800 

HSS, S18-1-2-5 1150 900 

Nitrierstahl, 27CrAl4 1050 850 

Merke: 

Unlegierte Stähle bis 0,4% C rasch erwärmen. Stähle mit C > 0,4% langsam bis 700 °C 

danach rasch auf Schmiedetemperatur, um Spannungsrisse zu vermeiden 



T 

[°C] 

1050 

1000 

950 

TiAl6 

900 

850 

800 

β -Region 

α + β Region 

α -Region 

Beispiel: TiAl6V4 

β transformiert 

10% α 

60% α 

90% α 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

Vanadium, wt.% 

β-Phasengrenze 

V98MD002 



Temperatur 

Block 

Fertig- 

Schmieden 

Zeit 

Die Temperaturführung muß 

beim Schmieden auf 20°C 

genau eingehalten werden, 

damit das gewünschte 

äquiaxiale Gefüge entsteht. 

Geschmiedeter Ti-Ring (ø ca. 90 cm) 

Lösungsglühen 

Anlassen

Vergleich herkömmliches Stauchen 

mit Elektrostauchen 

Herkömmliches Stauchen 

4 Stufen 

Elektrostauchen + Presse 

2 Stufen 

Hohe Stauchverhältnisse möglich durch 

genaue Temperaturführung/Stempelweg 

Reduzierung der Arbeitsschritte 

1: Stauchstempel 

2: Klemmbacke 

3: Führungselektrode 

4: Verschleißplatte 

5: Amboßelektrode 

6: Transformator 

Anstauchen unter örtlicher elektrischer 

Widerstandserwärmung (Warmstauchen) 



4 

Billet 

Billet 

8 

Ends tapered 

6 6 

Pancake 

6 11 / 64 

Billet 

Gesenkschmieden 

Warmstauchen ist fast immer der erste Schritt beim Gesenkschmieden 

Positioned in dies Finish forged 

Positioned in dies Finish forged 

Positioned in dies 

Finish forged 

Waspaloy 



10 

Type 410 

stainless steel 

53 / 4 

4620 steel 

10 3 / 4 

2 

l‘‘ 

5 1 / 2 

3 3 / 4

Gesenkschmieden einer Kurbelwelle 

Entfernen des Rohlings aus 

dem Untergesenk 

Herstellung einer 

Kurbelwelle 

Gesenkschmieden: 

- Werkstücke werden in 

Hohlformen (Gesenke) aus 

Stahl geschlagen 

- wirtschaftliche Herstellung 

komplizierter Bauteile 

Wichtig: 

- schmiedegerechte 

Konstruktion 

- genaue und wiederholbare 

Herstellung 

- kurze Werkzeugwechselzeiten 

- hohe Standzeiten 



Umformmaschinen 

Maschinen zur Umformung 

Arbeitsgebundene Maschinen 

- Schmiedehammer 

- Schwungrad-Spindelpresse 

Weggebundene Maschinen 

- Kurbelpresse 

- Kniehebelpresse 

Kraftgebundene Maschinen 

- Hydraulische Presse 

- Schwungradlose Spindelpresse 

Genauigkeit hängt ab von 

der Steifigkeit der Maschine 

d. h. Kosten der Maschine. 



Umformen - Maschinen 



Schmiedehammer 

Energiebegrenzte Maschine (mgh) 

• Billigster Weg um hohe Kräfte zu erzielen 

• Keine große Genauigkeit (Maschine, 

Umformbedingungen) 

Work 

Ram 

(Bär) 



Anvil 

Roll 

Board 

Upper die 

Lower die 

• Viel Lärm und Vibrationen 

Piston 

Down 

Up

E N 

s 

Umformkraft F 

Schmiedehammer 

1. Arbeitsspiel 

F 

E N 

W = 3 E N 

Umformweg s 


E N 


Wegen der Erschöpfung des 

Arbeitsvermögens wird der 

Vorgang auf mehrere 

Arbeitsspiele (Hübe, Schläge) 

aufgeteilt. 



E N

Einsatz von Schmiedeteilen 

PKW-Achsteile 




Flugturbine 




PKW-Motor 

Höherwertige 

Kolben sind 

geschmiedet. 

In der Regel Al- 

Guss-Kolben. 



1 2 

Schmieden/Ringwalzen 

„gestochener Ring“ 

Nahtlose Ringe 



Definition: Walzen ist stetiges oder schrittweises Druckumformen 

mit einem oder mehreren sich meist drehenden 

Werkzeugen. Dabei können auch Gegenwerkzeuge wie 

Stopfen, Stangen oder Dorne eingesetzt werden. 

Flachlängswalzen 

Längswalzen 

Profillängswalzen 

Walzen 

Definition und Einteilung 

Flachquerwalzen 

Walzen 

Querwalzen 

Profilquerwalzen 

Flachschrägwalzen 

Jeweils Unterscheidung von Hohl- bzw. Vollkörpern 

Schrägwalzen 

(DIN 8583 B.2) 

Profilschrägwalzen 

Ausgangsformen: Gussblöcke aus Kokillen oder Strangguss 



Prozesskette beim Walzen 

Beispiel: Feinblechherstellung 



Stranggießen 

Entwicklungstendenzen Gießverfahren 

Verkürzung der Prozesskette Rohstahl-Warmband durch 

endformnahes Gießen 

Dünnbrammengießen 

Vorbandgießen 

250mm Stoßofen 

Vorgerüst 

Durchlaufofen 

Bandgießen 

Warmband Kaltband 

60mm 

Fertiggerüst 

15-50mm 

Fertiggerüst 

Ausgleichs- 

10mm 

ofen 

Fertiggerüst 

1-3mm 



Vorgänge im Walzspalt 

Definitionen des 

Walzgrades: 

Formänderung/Dehnung: 



= 

h1 h 

h 

("Walzer" lassen Minuszeichen weg) 

Umformgrad: 

h1 

= ln = ln( + 1) 

h 

Englisch oft pl 

0 

0 

0

Dehnung im Vergleich zum 

Umformgrad 

Vorteil des Umformgrades: Gesamtumformgrad unabhängig von der Anzahl der 

Umformstufen. 

 

ges 

 

n 

 

i1 

 

i 

 

ges 



 

n 

 

i1 

 

i

Metallkundliche Abläufe beim Warmwalzen 

im Walzspalt 



Kaltbandherstellung 

Ein wesentlicher Teil der Warmbandproduktion wird zu Kaltband weiterverarbeitet 

Vorteile der Kaltumformung im Vergleich zu Warmumformung: 

• Dünnere Abmessungen erreichbar 

• Höhere Oberflächenqualität 

• Bessere Maßgenauigkeit 

• Gezielte Einstellung mechanisch-technologischer Eigenschaften 

Verfahrensablauf Kaltbandfertigung: 

• Beizen 

• Kaltwalzen 

• Glühen 

• Nachwalzen 

• Bandbeschichtung (Optik) 



Walzen 

Duo-Walzgerüst Quadro-Walzgerüst Sensimar-Walzgerüst 

Kleine Walzendurchmesser sind vorteilhaft, da 

kleinerer Kraftbedarf durch verringerte Reibung. Bei 

dünnen Folien und starken Stichabnahmen werden 

deshalb kleine Walzen gewählt. Es werden dann aber 

Stützwalzen notwendig (Durchbiegung). 



Fünfgerüstige Kaltwalztandemstrasse 

Kaltwalzen 

Kaltverformung meist in 4- bis 6gerüstigen 

Tandemstrassen. 

Walzgeschwindigkeiten bis zu 

max. 2000 m/min (120 km/h !) 

Umformgrad meist ca. 50 – 75% 

Werkstoffkundliche Vorgänge: 

• Starke Verfestigung 

• Gefügestreckung 

• Einstellung einer Walztextur 



Walzverfahren 



Verfahren: 

Produkte: 

Walzverfahren 

Flachwalzen Profilwalzen 

Bänder 

Eisenbahnschienen 



Werkstück 

Rohrwalzen (nahtlos) 

Walze 

Stopfen 

Stopfenstange 

Außendurchmesser 

140-400 mm 

ab ca.1880 

Stopfenwalzen von Rohren über einem im Walzspalt fest angeordneten Stopfen 

- mit bewegter Stange 

- ohne Innenwerkzeug 




Pilgerwalzen 

Für größere Außendurchmesser (60-660 mm), ab ca.1890, Gebrüder Mannesmann 

Walzen ca. 10x schneller als Austrittsgeschwindigkeit des Rohrs 

Verfahrensschritte: 

• Lochen eines 

erwärmten Blocks 

zu einem Hohlblock 

• Strecken des 

Hohlblocks zur 

Luppe 

• Fertigwalzen der 

nacherwärmten 

Luppe zum Rohr 




Schrägwalzen 

1. Hohlblock 

2. Arbeitswalzen 

3. Führungswalze 

4. Dornstange mit 

Lochdorn 



2 

mit Flachbacken 

3 

Gewindewalzen 

1 

mit Rundwerkzeugen 

im Durchlaufverfahren 

Ziel: 

- hohe Maßgenauigkeit 

- gute Oberflächenbeschaffenheit 

- gute mechanische Eigenschaften (Härte, 

Faserverlauf) 

2 

3 4 1 

mit Rundwerkzeugen 

im Einstechverfahren 

1) ortsfestes Werkzeug 

2) verstellbares Werkzeug 

3) Werkstück 

4) Werkstückauflage 



3 

2 

1

Umformen- Durchdrücken 

Verfahrensprinzip Strangpressen 

Pressrohling wird im warmen Zustand in einem Kaliber verpresst. Es wird zwischen 

Vorwärts – Rückwärts und Voll – Hohl Strangpressen unterschieden 

Stempel Block Matrize Matrizenhalter 

Vollstrang 

Stempel Matrize Verschlussplatte 

Voll-Vorwärtsstrangpressen Voll-Rückwärtsstrangpressen 

Hydraulische Pressen mit Direktantrieb 

Rückwärtsstrangpressen braucht weniger Kraft (Reibung), aber andererseits kann der hohle Stempel nicht so 

fest ausgelegt werden. 



Hohl-Vorwärtsstrangpressen 

Dorn 

Hohlstrang 



Strangpressprofile (Beispiele) 

← Strangpreßprofile 

aus Aluminium 

Strangpreßprofile 

aus Magnesium ↓ 



Weitere Umformverfahren 

• Fließpressen 

• Durchziehen 

• Rundhämmern 

• Biegen 

• ... 



Ziehstein 

(Ziehring) 

Gleitziehen von Rundstahl oder 

Rundstäben (Drahtziehen) 

Stopfen 

(Dorn) 

Gleitziehen über 

festen Stopfen (Dorn) 

Zugdruckumformung 

Beispiel Gleitziehen 

Ziehring 

Ziehbacken 

Flachziehen 

Ziehring 

Stopfen (Dorn) 

Gleitziehen über losen (fliegenden 

oder schwimmenden) Stopfen (Dorn) 

Ziehring 

Hohl-Gleitziehen 

eines Rohres 

Ziehring mitlaufende 

Stange 

Gleitziehen über mitlaufende 

Stange (über langen Dorn) 

Ziel: Profilierung und Reduzierung des Querschnitts bei Hohlkörpern ohne Wanddickenabnahme 



Zug/Druck- 

Bereich 

Verfahrensprinzip Tiefziehen 

Zugbereich 



Versagensarten beim Tiefziehen 



Stahlwerkstoffe zum Tiefziehen 

Verwendet werden überwiegend kaltgewalzte Feinbleche, oft 

beschichtet 

Wichtige Anforderungen für Anwendungen in Blechkonstruktionen 

des Fahrzeugbaus, z.B. als Karosseriebleche: 

• gute Umformbarkeit, 

• Eignung zum Tiefziehen (wichtige Kenngröße: erreichbare Tiefung) 

• gute Oberflächenqualität 

Zusätzlich wird eine höhere Festigkeit für Leichtbau angestrebt 

Trend zur Entwicklung höherfester Stahlsorten 




Feinblech aus weichem, unlegierten Stahl 

Klassischer Tiefziehstahl ist die Güte DC04 

D = Blech aus weichen unlegierten Stählen zum Kaltumformen 

C = kaltgewalzt 

01 bis 06 = Stahlsorte mit zunehmender Tiefziehfähigkeit 

Chemische Zusammensetzung: 

C Si Mn P S Al N 

0,08% - 0,40% 0,030% 0,030% (≈ 0,040%)* (≈ 0,003%)* 

Mechanische Eigenschaften: * Typische Werte 

R e R m A 80 

210 MPa 270…350 MPa 38% 



Kennwerte der Tiefziehfähigkeit 

Zieh- und Pressversuche 

Formänderungskurve 

Computersimulation 

Bruchdehnung (A80) 

Verfestigungsexponent (n-Wert) 

Fliessspannung = k·φ n 

max im Bereich 

zwischen 10 und 20 % Dehnung 

oder n = Gleichmaß = ln(1 + Gleichmaß) Ebene Anisotropie (r-Wert) 

 

Breite r 

Dicke 

b1 b0 

 

dd Bestimmung im Zugversuch 

0: Zustand vor der Verformung 

1. Zustand nach der Verformung 

L: längs 

Q: quer 

D: diagonal 



 

r 

m 

ln 

ln 

 

r 

L 

1 

0 

2rD rQ 

4 

r 

 

r 

L 

r 

Q 

2 

2r 

D

Beispiele Tiefziehfähigkeit 

r = 1 homogene Verformung 

r < 1 stärkere Abnahme der Blechstärke 

r > 1 stärkere Abnahme der Blechbreite 

Verfestigungsexponent n groß hohe Streckziehfähigkeit, 

das Maximum der Dehnug verlagert sich im Tiefungsversuch 

nach außen. In der Mitte des Stempels wird das 

Blech durch Verfestigung und Reibung festgehalten. 

Dehnungs- und Spannungsspitzen werden bei einem hohen 

Verfestigungsexponenten durch Fließen abgebaut. 



L 0 

Q 0 

Formänderungsanalyse in der 

Blechumformung 

L 1 

Bei der Gridanalyse wird auf die 

Oberfläche des Bleches ein Kreisraster 

aufgebracht. Während der Umformung 

verändert sich die Geometrie der 

einzelnen Kreise. Je nach 

Belastungszustand werden aus Kreisen: 

• Kreise mit größerem Durchmesser 

• Ellipsen. 

In Oberfläche: 

Q 1 

L 

L 

ln 

L 

In Blechdicke: 

Q 

Q 

ln 

Q 



1 

0 

 

t 

 

l 

1 

0 

 

 

b

Formänderungsmöglichkeiten in 

der Blechumformung 

Das Formänderungsvermögen eines Werkstoffs ist abhängig vom Formänderungspfad, 

den der Werkstoff während der Umformung durchläuft. Im Rahmen linearer 

Formänderungspfade kommen grundsätzlich folgende Varianten in Betracht: 



Grenzformänderungsdiagramm 

Im Grenzformänderungsdiagramm 

stellen die Grenzformänderungskurven 

die Versagensgrenzen bzgl. 

Einschnüren bzw. Reißen/Bersten 

dar. 

Alle Kombinationen von 

Formänderungen der Blechoberfläche, 

welche unterhalb der Kurven 

liegen, führen nicht zu einem 

Versagen des Werkstücks während 

der Umformung. 

Bei allen, die darüber liegen, ist mit 

Reißern bzw. Einschnürungen zu 

rechnen. 



Nakazima-Test 

Blechstreifen mit unterschiedlicher Geometrie erzeugen verschiedene Spannungszustände und 

Formänderungen im Werkstoff (Vergleich mit FEM-Simulationen). 

Auswertung der Haupt- und Nebenformänderungen an den Probeblechen. 

Maximal ertragbare Formänderungs-zustände, abgebildet im Grenzformänderungsdiagramm. 



Beispiel 

Grenzformänderungsdiagramm 

Grenzformänderungsdiagramm für fünf verschiedene Stahlwerkstoffe 

ermittelt in NAKAZIMA-Streifentests 



Sorte R p 

[MPa] 


Mechanische Eigenschaften von Tiefziehstählen 

(kaltgewalzt, unbeschichtet – EN 10130) 

R m 

[MPa] 

A Br 

[%]* 

DC01 140-280 270-410 28 - 

DC03 140-240 270-370 34 1,3 

r q-Wert / r m-Wert* n-Wert* 

DC04 140-210 270-350 38 1,6 0,18 

DC05 140-180 270-330 40 1,9 0,2 

DC06 120-180 270-350 38 (~2,1)/1,8 0,22 

DC07 in Diskussion 

* Mindestwerte 




Typische Verwendungszwecke 

DC01 und DC03: Schaltschränke, Regalböden, Büromöbel, Fässer, Rohre, 

Automobilteile innen 

DC04: Heckklappen innen, Bodenblech, Dach, Seitenteil innen; 

Vormaterial zum Emaillieren, z.B. Herdteile, Duschwanne 

DC05: Seitenteile außen, Heckklappe außen 

DC06: Seitenteil außen, Heckklappe außen 

DC07: Seitenteil außen 

DX51: Spaltband, Profile, Innenteile 

DX52: Innenteile 

DX53: Innenteile, Radkasten, Bodenblech 

DX54: Bodenblech, Tür innen, Rahmen, Längsträger, Motorhaube innen, 

Radkasten, Seitenteil innen 

DX56: Tür innen, Seitenteil außen und innen, Boden 

DX57: Seitenteile innen und außen 

Quelle: Thyssen Krupp Stahl 



Umformen - Tiefziehen

Eisenwerkstoffe - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität ...

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