Ein ZTU-Diagramm (Zeit-Temperatur-Umwandlung-Diagramm) zeigt, welche Phasenumwandlungen ein Werkstoff, vor allem eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung, in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur bei kontinuierlicher oder isothermer Abkühlung durchläuft. Daraus lässt sich ablesen, welche Abkühlgeschwindigkeit zu welchem Gefüge führt, etwa Perlit, Bainit oder Martensit, und welche mechanischen Eigenschaften das Bauteil dadurch erhält.
Was ist ein ZTU-Diagramm und wozu wird es genutzt?
Ein Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm (ZTU-Diagramm) dient der grafischen Darstellung der strukturellen Änderungen, die in einem metallischen Material, vor allem Eisen-Kohlenstoff-Legierungen, bei bestimmten thermischen Einflüssen auftreten. Die Kenntnis dieser Diagramme ist entscheidend für die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit in der Gießereiindustrie. So kann exakt bestimmt werden, welche Mikrostrukturmerkmale wie Perlit, Bainit oder Martensit entsteht und welche mechanischen Eigenschaften die resultierenden Bauteile aufweisen.
Unterschiede zwischen kontinuierlichen und isothermen ZTU-Diagrammen
Man unterscheidet grundsätzlich zwei Arten von ZTU-Diagrammen: kontinuierliche und isotherme. Isotherme ZTU-Diagramme stellen die Phasenumwandlungen bei konstanter Temperatur über unterschiedliche Zeitintervalle dar. Im Gegensatz dazu bilden kontinuierliche Diagramme die Ergebnisse bei kontinuierlicher Abkühlung des Werkstücks ab. Kontinuierliche Diagramme sind besonders praxisnah, da sie den realen Abkühlverlauf beim Gießen oder Abschrecken widerspiegeln.
Bedeutung des ZTU-Diagramms für die Praxis in der Gießerei
In der Gießereipraxis bildet das ZTU-Diagramm die Grundlage, um die Qualität und Eigenschaften des erstarrten Metalls gezielt zu steuern. Je nach gewünschter Anwendung können dadurch maßgeschneiderte Bauteile mit definierten Festigkeiten, Zähigkeiten und Härten produziert werden. Durch exakte Abstimmung der Abkühlgeschwindigkeit können kostspielige Fehler und Nacharbeit vermieden und effiziente sowie hochwertige Ergebnisse nachhaltig sichergestellt werden.
Praxisteil: Wofür der Gießereitechniker das ZTU-Diagramm braucht
Im Betrieb liest der Gießereitechniker das ZTU-Diagramm nicht als Theorie, sondern als Entscheidungshilfe für die Wärmebehandlung. Vor dem Härten oder Vergüten eines Bauteils zeigt das Diagramm, welche Abkühlgeschwindigkeit nötig ist, um die gewünschte Gefügemischung zu erreichen, und welche Geschwindigkeit vermieden werden muss, um Risse zu verhindern. Unerwünschter Restaustenit entsteht dagegen nicht durch die Abkühlgeschwindigkeit, sondern wenn die Martensit-Finish-Temperatur (Mf) unter der Abschrecktemperatur liegt; Gegenmittel sind Tiefkühlbehandlung und Anlassen. Bei großen oder ungleichmäßig dicken Gussteilen kühlt der Kern langsamer ab als der Rand. Das ZTU-Schaubild macht sichtbar, ob der Kern noch im Martensitbereich liegt oder bereits in die Bainit- oder Perlitstufe abgleitet, und liefert damit die Grundlage für Härteprofil und Abschreckmedium. Kontinuierliche ZTU-Diagramme werden für reale Abkühlkurven aus Ofen, Bad oder Luft verwendet, isotherme Diagramme für Prozesse mit gehaltener Zwischentemperatur wie das Bainitisieren.
Charakteristische Umwandlungsbereiche im Überblick
Die folgenden Werte sind typische Richtwerte für unlegierte und niedriglegierte Baustähle (z. B. C45, 42CrMo4) und dienen der Einordnung, nicht der Auslegung eines konkreten Bauteils. Genaue Werte liefert immer das ZTU-Diagramm der jeweiligen Stahlsorte.
| Gefüge | Typischer Temperaturbereich der Bildung | Charakteristik |
|---|---|---|
| Perlit | ca. 550–720 °C | langsame Abkühlung, lamellare Ferrit-Zementit-Struktur |
| Bainit | ca. 250–550 °C | mittlere Abkühlung, nadelige Ferrit-Karbid-Struktur |
| Martensit | ab Martensit-Start (Ms), stahlabhängig ca. 220–340 °C | schnelle Abkühlung, diffusionslose Umwandlung |
Häufige Fragen zum ZTU-Diagramm
Wie liest man ein ZTU-Diagramm?
Man legt die Abkühlkurve des Bauteils über das Diagramm. Jede Umwandlungslinie, die die Kurve schneidet, markiert den Beginn oder das Ende einer Gefügeumwandlung bei der zugehörigen Temperatur und Zeit. Am Endpunkt der Kurve liest man die Gefügeanteile ab, die sich bei dieser Abkühlung einstellen, häufig ergänzt um die resultierende Härte in HV oder HRC.
Was ist der Unterschied zwischen ZTU- und ZTA-Diagramm?
Das ZTA-Diagramm beschreibt die Umwandlung beim Erwärmen in den Austenitbereich, also den umgekehrten Vorgang zum ZTU-Diagramm, das die Umwandlung beim Abkühlen aus dem Austenit zeigt.
Welche Stahlsorten benötigen ein eigenes ZTU-Diagramm?
Jede Stahlsorte hat ein eigenes ZTU-Diagramm, da Legierungselemente wie Chrom, Molybdän oder Mangan Lage und Form der Umwandlungslinien verschieben. Ein Diagramm für C45 lässt sich nicht auf 42CrMo4 übertragen.
Normbezug
Die Ermittlung von ZTU-Schaubildern für Eisenwerkstoffe ist im Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP 1680 des Stahlinstituts VDEh geregelt. Es legt Vorgehen und Darstellung für kontinuierliche und isotherme ZTU-Diagramme fest, damit Diagramme unterschiedlicher Quellen vergleichbar bleiben.
Weiterführende Begriffe
- ZTA-Diagramm – die Umwandlung beim Erwärmen
- Martensit – Gefüge bei sehr schneller Abkühlung
- Bainit – Gefüge bei mittlerer Abkühlung
- Zementit – Bestandteil von Perlit
- Abschrecken – Verfahren zur schnellen Abkühlung
Ein Kommentar zu „ZTU-Diagramm“