21 Wärmebehandlung Stahl

1. Härten/Vergüten - ein Ungleichgewichtsgefüge, der Martensit eingestellt

2. Randschichtverfahren - begrenzen die Härtesteigerung auf den oberflächennahen Bereich d. Werkstücke

Gleichgewichtswärmebehandlung

Werkstoffe werden über mehrere Stunden zwischen 200-250°C gehalten (relativ niedrige temp reichen aus-> H2 hat hohen diffusionskoeff. Voraussetzung dafür: Konzentrationsgradient zw. H- Gehalt im Stahl und Ofenatmosphäre es erlaubt)

• Ziel: Beseitigung von gelöstem Wasserstoff im Stahl

• freisetzung von atomarem wasserstoff durch schweißen oder beschichtungsverfahren

• bei hochfesten Stählen im Werkstoff verbleibender Wasserstoff sehr schädlich -> atomarer Wasserstoff rekombiniert zu H2 und Poren bildet -> unter hohem druck entstehen risse

• Ziel: Beseitigung von Eigenspannungen, die während Fertigungsprozess (Kaltumformen, Schweißen) entstanden sind

• Hohe zugeigenspannungen im Randbereich überlagern sich im Betrieb eines Bauteils mit den Lastspannungen -> reduktion der nutzbaren Festigkeit eines Bauteils

• 450-650°C (Fließgrenze sinkt deutlich ab, innere Spannungen können so durch lokale plast. v. auf das Niveau d. Warmdehngrenze Rp02,Tglüh oder Re,Tglüh abgebaut werden

• >650: Oberfläche verzundert bei Glühung an Luft

Spannungen im Bauteilm die im GG stehen, ohne dass es der wirkung äußerer kräfte bedarf.

• Ziel: während herstellschritt eingebrachte Festigkeit zu beseitigen um idealen Ausgangszustand zu generieren

• Für spanende Bearbeitung und Kaltumformung

• Unterscheidung : 1. WG zur Rekristallisation nach Kaltverformung 2. WG zur Beseitung martensitischer oder bainitischer Gefügebestandteile vor Zerspanung

Blockseigerungen

1) feinlamellarer Perlit

2) kornfeinend und zähigkeitssteigernd

3) undefiniert abgekühlte unlegierte oder niedriglegierte ferritisch-perlitische Stähle.

4) höher legierte stähle: nicht opportun, wenn sich Bainit oder Martensit bildet

1) hochlegierte stähle

2) ausscheidung von karbiden oder intermetallischen phasen. Bsp Chromverarmung führt zur Absenkung der Korrosionsbeständigkeit / bei duplexstahl: ausgeschiedene intermet. phase führt zu Versprödung

3) bei LG werden diese Ausscheidungen durch halten bei hohen temp aufgelöst -> abschrecken mit hohen Abkühlraten verhindert erneute Ausscheidung

1) Austentisierung, um Kohlenstoff aus aufgelösten Karbiden mit gamma MK in Lösung zu bringen, mit anschließender Abschreckung.

2) Ziel: Kohlenstoff in Zwangslösung zu bringen, um Martensit zu bilden.

3) Abkühlgeschwindigkeit, Austentisierungstemp

• spezielle Glühbehandlung von gehärteten Bauteilen bei niedrigen Temp

Kombination von Härten und Anlassen

martensitische Umwandlung

Abkühlkurve des zu härtende Werkstücks die Martensitstartremp. erreichen ohne die Felder ferrit, perlit, bainit im ZTU diagramm

• durch abschrecken können sich thermische spannungen aufbauen -> initiierung von Härterissen

• Goldene Regel: So schnell wie nötig so langsam wie möglich

Ofenabkühlung, Abkühlung bei ruhender oder bewegter Luft, Hochdruckgasabschreckung, Ölbad, Wasserbad

• spez. abkühlverläufe werden durch isothermes halten bei einer temp oberhalb MStemp (zb mh Salzbäder durch hohe leitfähigkeit des salzes)

• Ziel WBH: temperaturausgleich -> abbau der thermischen Spannung vor der Initiierung der martensitischen umw, die mit zusätzlichen inneren Spannung verbunden ist

• Ziel ZSV: gezielte provozierung der bainitische Phasenumw. (Vorteil für Festigkeit und Zähigkeit)

• Durch Härteb steigt Zugfestigkeit um Faktor 3, Bruchdehnung nimmt ab

• Man nimmt Versprödung in Kauf, um Festigkeitszuwachs nutznießen zu können

mech. Eig. können darunter leiden

1) max erreichbare Härte nach martensitischer Härtung und wird primär durch Kohlenstoffgehalt des stahl bestimmt

2) durch zugabe von Kohlenstoff

3) Durch Härten im blindgehärteten Zustand nach Abschreckung

1) max. erreichbare Tiefe im Werkstück nach dem Abschrecken, in der die maximalhärte erreicht wird.

2) durch legieren mit elementen (Cr, Ni, Mo)

3) Stirnabschreckversuch

• prüft einhärtvermögen von vergütungsstählen (0,3 m/o C)

• wasserabschreckung wird simuliert

• Nach Versuchsende Härte wird entlang einer seitlich angeschliffenen fläche gemessen und über dem abstand von der stirnfläche aufgetragen

• verschieben Ferrit-Perlit-Nase und die Bainit-Nase im kontinuierlichen ZTU Diagramm zu langen Zeiten -> legierte Stähle haben geringe kritische Abkühlgeschwindigkeit und tief durchhärten

• Temperaturbereiche, in denen zwar Härte sinkt, die zähigkeit aber nicht steigt.

• Man meidet diese Anlasstemp. in der praktischen Anwendungen

• Kombination aus Härten und Anlassen

• Durch Vergüten kann man Festigkeit von Stahl stufenlos variieren

• Vergütungsstahl C-Gehalt 0,2% - 0,55% -> Kohlenstoffgehalt bestimmt maximale Aufhärtbarkeit

• bei gleicher Aufhbk. kann durch Zugabe der Legierungselemente Cr, Mo, Ni, V die Einhärtbarkeit gesteigert werden

D: direkt aus der Aufkohlungshitze heraus gehärtet

E: nach aufkohlen zunächst auf Raumtemp abgekühlt und anschließend ein serparater härteprozess folgt

Aufkohlungstemp:

• so hoch wie möglich, um durch schnelle diff. ofenzeit + kosten zu reduzieren

• allerdings zu hohe temp führt zu ausgeprägtem Kornwachstum -> negative beeinflussung von festigkeit & zähigkeit (beim direkthärten ofentemp kompromiss aus beiden forderungen)

• Zur Verbesserung von Verschleißeigenschaften (insbesondere adhäsiven verschleiß sogenannte Fressschäden -> hat keine verbesserung der kernfestigkeit zur folge)

• Unter 600°C, nicht mit gamma-alpha umwandlung verbunden -> verzugsarm

• Höchste Verschleißfestigkeit erzielt man mit Stählen mit 1 m/o Al

  • Cr & Al bilden beim nitrieren submiskropisch kleine Cr2N-, CrN-, bzw. AlN-Ausscheidungen die mit sehr hohen Härtesteigerungen verbunden sind -> nutzung für verschleißfestigkeit und schwingfestigkeit

• Aufkohlendes Glühen des Werkstoffs

  • Kohlenstoff diffundiert in Randschicht

• Abschrecken

  • martensitbildung in der Randschicht

• Anlassvorgang bei 150-250 grad

Wenn sie niedrigen C Gehalt haben

Denn durch geringen C Anteil wird ein aufkohlen der Randschicht begünstigt und somit einen steileren Kohlenstoffgradienten zum Kern hin

-> oberflächliche Druckeigenspannungen