Sommersemester Dr. Dieter Müller RENK AG, Augsburg 18. Juni 2011

Transkript

1 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Sommersemester 212 RENK AG, Augsburg 18. Juni 211 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1 Block 3 Glühverfahren Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Weichglühen Normalglühen Martensitisches Härten Prozessparameter Härtbarkeit Anlassen Prozessparameter beim martensitischen Härten Bainitisches Härten / Zwischenstufenvergüten ZTA- und ZTU-Diagramme Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2 1

2 Übersicht Wärmebehandlungsverfahren Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4 2

3 Temperaturbereiche Wärmebehandlung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 Temperaturbereiche Wärmebehandlung von Stahl Temperatur C : Grobkornglühen 2: Normalglühen 3: Weichglühen 4: Spannungsarmglühen ,5 1 1,5 2 2,5 Kohlenstoffgehalt Gew.% Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6 3

4 Spannungsarmglühen Spannungsarmglühen (DIN EN 152:1993) Wärmebehandlung bestehend aus Erwärmen und Halten bei ausreichend hoher Temperatur und anschließendem zweckentsprechenden Abkühlen, um innere Spannungen ohne wesentliche Änderung des Gefüges weitgehend abzubauen. Ziel: Reduzierung von Eigenspannungen Verbesserung der Maßhaltigkeit während der weiteren Verarbeitung / Wärmebehandlung Ablauf - Erwärmen auf eine entsprechende Temperatur unlegierte Stähle: C hochlegierte Stähle: ca. 85 C - Halten auf Temperatur - Abkühlung entsprechend Querschnitt Anlagen: Luftumwälzofen (Oxidation!), Schutzgasöfen Fehlermöglichkeiten: Temperatur zu niedrig (unzureichender Spannungsabbau) Haltezeit zu lang (starke Oxidation) Abkühlung zu schnell (Bildung thermischer Eigenspannungen) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 8 4

5 Spannungsarmglühen Ursachen von Eigenspannungen Thermische Eigenspannungen aufgrund Ausdehnungskoeffizient und unterschiedlicher Abkühlung Rand-Kern (z.b. Abkühlung nach Warmumformung, lokale Erwärmung, Schweißen) Metallurgische Eigenspannungen aufgrund Phasenumwandlung (z.b. Martensitbildung) Mechanische Eigenspannung aufgrund Kaltumformung, Zerspanung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 9 Spannungsarmglühen 12 C Spannungsarmglühen Austenitisieren Abschrecken Abkühlen Anlassen Zeit Grobzerspanung Feinzerspanung bis Schleifaufmaß Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1 5

6 Spannungsarmglühen Tangentiale Resteigenspannungen (MPa) Mittlere Abkühlgeschwindigkeit bis 4 C ( C/h) Tangentiale Resteigenspannungen in Abhängigkeit von Durchmesser und Abkühlungsgeschwindigkeit (CrMoNiV-Stähle) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 11 6

7 Rekristallisationsglühen Rekristallisationsglühen (DIN EN 152:1993) Wärmebehandlung mit dem Ziel, durch Keimbildung und Wachstum ohne Phasenänderung eine Kornneubildung in einem kaltumgeformten Werkstück zu erreichen. Ziel: Gefügeneubildung zur Verbesserung der Umformbarkeit Ablauf: - Erwärmen auf Rekristallisationstemperatur (ca.,4 T S ) - Halten auf Temperatur - Abkühlung Anlagen: Schutzgasöfen, Vakuumöfen Fehlermöglichkeiten: Temperatur zu niedrig (unzureichender Gefügeneubildung) Haltezeit zu kurz (dto.) Umwandlungstemperatur überschritten Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 13 Rekristallisationsglühen Kaltverformung Rekristallisation Zugfestigkeit Zähigkeit Zugfestigkeit Zähigkeit Verformbarkeit Verformungsgrad Zugfestigkeit Zähigkeit Verformbarkeit Glühtemperatur Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 14 7

8 Rekristallisationsglühen Rekristallisation durch Keimbildung und Keimwachstum Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 15 Rekristallisationstemperatur Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 16 8

9 Rekristallisationsdiagramm Zusammenhang Verformungsgrad Korngröße Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 17 9

10 Weichglühen Weichglühen (DIN EN 152:1993) Wärmebehandlung zum Vermindern der Härte eines Werkstoffes auf einen vorgegebenen Wert. Glühen auf kugelige Carbide (Zementit) / GKZ-Glühen (DIN EN 152:1993) Glühen mit dem Ziel einer Einformung der Carbide. Es umfaßt im allgemeinen ein längeres Halten auf einer Temperatur bei Ac1, ggf. ein Pendeln um diese Temperatur. Ziel: Karbideinformung zur Verbesserung der Zerspanbarkeit bzw. Kaltumformbarkeit Ablauf: - Erwärmen unter Ac1 - längeres Halten auf Temperatur bzw. Pendeln um Ac1 - Abkühlung Anlagen: Schutzgasöfen, Vakuumöfen Fehlermöglichkeiten: Temperatur zu niedrig (unzureichende Carbideinformung) Haltezeit zu kurz (dto.) Umwandlungstemperatur überschritten und Abkühlung zu schnell - Perlitbildung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 19 Weichglühen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 2 1

11 Weichglühen C1 C45 C1 Gefügezustand N GKZ-N GKZ-H Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 21 Weichglühen Richtreihe 1 (%) Richtreihe 3 (2%) Richtreihe 5 (6%) Richtreihe 2 (8%) Richtreihe 4 (35%) Richtreihe 6 (8%) Werksinterne (Buderus Edelstahl) Richtreihe für das GKZ-Glühen von 1Cr6; Prozentangaben für Anteil an lamellaren Perlit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 22 11

12 Weichglühen - Carbideinformung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 23 Temperaturzyklus GKZ-GlühenGlühen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 24 12

13 Normalglühen Normalglühen (DIN EN 152:1993) Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem Abkühlen an ruhender Luft Ziel: Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Gefügeneubildung und Kornfeinung Ablauf: - Erwärmen über Umwandlungstemperatur (über Ac 3 für untereutektoide, über Ac 1 für übereutektoide Stähle) - Halten auf Temperatur - Abkühlung Anlagen: Schutzgasöfen, Vakuumöfen Fehlermöglichkeiten: Temperatur zu niedrig (unzureichender Gefügeneubildung) Haltezeit zu kurz (dto.) Abkühlung zu schroff (Zwischenstufengefüge) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 25 Normalglühen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 26 13

14 Normalglühen Gefüge eines Baustahls vor und nach dem Normalglühen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 27 Normalglühen - Kornfeinung Gefüge eines Vergütungsstahls Normalgeglüht nach DB-Vorschrift Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 28 14

15 Glühen - Sonderverfahren - BG-Glühen (Besonderes Gefüge): auch FP-Glühen (Ferrit-Perlit) Normalglühen bei 9-1 C mit anschließender geregelter Abkühlung; Wärmebehandlung nach Warmumformung - BF-Glühen (Besondere Festigkeit): Wärmebehandlung bei C mit anschließendem Abkühlen und folgendem Anlassen bei 5-55 C (Vergüten) - BY-Glühen: Kontrolliertes Abkühlen aus der Schmiedehitze Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 29 Normalglühen - Sonderverfahren Sonderverfahren: magnetisches Schlussglühen - Kaltumformung führt zu Erhöhung der Koerzitivfeldstärke - Gefügeneubildung führt zu definierter Koerzitivfeldstärke - Elektronische Bauteile/Gehäuse Hysteresekurven: kaltumgeformt geglüht Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 3 15

16 Historische Härteanweisung n.n., 1532 bei Peter Jordan in Mainz gedruckt: Von Stahel und Eysen Erstlich wie man Eysen härten und wieder weich machen soll. Nimm Eisenkraut, sowohl die Stengel als auch die Blätter Zerstampfe es und presse den Saft durch ein Tuch, tue den Saft in ein Glas und hebe es auf Wenn Du dann Härten willst, so tue auch soviel Harn eines Mannes dazu als Saft vorhanden ist Tue ferner Saft von den Würmern dazu, die man Egerlinge nennt Lass dann das Eisen nicht gar zu heiß werden Sondern nur bis es eine ausreichende Hitze hat Die Härte des Eisens zu beseitigen Lasse Menschenblut abstehen, bis Wasser darauf steht Dieses Wasser wird abgesiebt und aufbewahrt Danach halte die gehärteten Waffen ins Feuer Bis dass sie heiß werde Dann streiche das Blutwasser mit einer Feder auf Wenn das Wasser verdampft ist, so werden sie weich Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 32 16

17 Begriffe der Wärmebehandlung (EN 152) Härten Härten Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in Martensit und ggf. Bainit erfolgt. Austenitisieren Wärmebehandlungsschritt, in dessen Verlauf das Werkstück auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die Matrix austenitisch wird. Abschrecken Wärmebehandlungsschritt, bei dem Werkstück mit größerer Geschwindigkeit als an ruhender Luft abgekühlt wird. Abkühlungsgeschwindigkeit Sie gibt die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit während des Abkühlens an. Man unterscheidet: - die momentane Abkühlgeschwindigkeit bei einer bestimmten Temperatur - die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit in einem bestimmten Temperaturintervall kritischer Abkühlverlauf Abkühlverlauf, bei dem eine vollständige Umwandlung (bei Vermeidung ungewünschten Gefüges) unter den vergleichsweise mildesten Abkühlbedingungen erreicht werden. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 33 Begriffe der Wärmebehandlung (EN 152) Härten Bainitisieren; isothermes Umwandeln in der Bainitstufe; Zwischenstufenvergüten Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem gestuften Abschrecken auf eine Temperatur oberhalb M S mit solcher Geschwindigkeit, dass jegliche Bildung von Ferrit oder Perlit vermieden wird, und Halten auf dieser Temperatur, um den Austenit teilweise oder vollständig in Bainit umzuwandeln. Anlassen Wärmebehandlung, die im allgemeinen nach einem Härten oder einer anderen Wärmebehandlung durchgeführt wird, um gewünschte Werte für bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Sie besteht aus ein- oder mehrmaligem Erwärmen auf eine vorgegebene Temperatur (<A c1 ), Halten auf dieser Temperatur und anschließendem zweckentsprechenden Abkühlen. Vergüten Härten und Anlassen bei höherer Temperatur, um die gewünschte Kombination der mechanischen Eigenschaften, insbesondere Zähigkeit und Duktilität, zu erreichen. Warmbadhärten Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren, anschließendem gestuften Abschrecken auf eine Temperatur dicht oberhalb M S, mit solcher Geschwindigkeit, dass die Bildung von Ferrit, Perlit oder Bainit vermieden wird, und einem ausreichend langen Halten bei jener Temperatur, um einen Temperaturausgleich über den Querschnitt zu erzielen, jedoch nicht zu lange, um Bainitbildung zu vermeiden. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 34 17

18 Härte von Martensit 1 3 Härte HV Härte HV1 mit Resaustenit Bruchdehnung A Bruchdehnung A5 (%) 2,,2,4,6,8 1, 1,2 1,4 Massengehalt C (%) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 36 18

19 Bedingungen für die Martensitbildung Abkühlgeschwindigkeit schneller als kritischer Abkühlverlauf (v krit. ) Temperatur kleiner als Martensitstarttemperatur (M S ) Kritische Abkühlgeschwindigkeit Ms / Mf Temperatur (K/s) Ms Mf 2,4,8 1,2-1,2,4,6,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 C- Gehalt (Gew. %) -2 C- Gehalt (Gew. %) ( C) Empirische Formel zur Abschätzung der Martensitstarttemperatur: MS (1%) = (%C) - 33 (%Mn) - 17 (%Cr) - 17 (%Ni) - 21 (%Mo) [ C] Mf (5%) = MS - 63 C Mf (95%) = MS C Mf (99%) = MS C Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 37 Temperaturzyklus beim Härten 1. Erwärmen (gestuft) 2. Austenitisieren (spez. Härtetemperatur) 3. Abschrecken so mild wie möglich, so schroff wie nötig 4. Anlassen Quelle: Stahl-Informationszentrum Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 38 19

20 Das Austenitisieren Parameter Austenitisierungstemperatur: Ist werkstoffabhängig und kann entsprechenden Datenblättern entnommen werden. Prinzipiell steigt die Austenitisierungstemperatur mit zunehmenden Gehalt an Sonderkarbidbildnern, da die Karbide im Gefüge in Lösung gebracht werden müssen. Darf nicht zu hoch sein, da es sonst zu unerwünschter Kornvergröberung kommt (Überhitzung) Austenitisierungszeit: Muss lang genug sein, um homogenen Austenit zu bilden Darf insbesondere bei hohen Härtetemperaturen nicht zu lang sein, da es sonst zu einer unerwünschten Kornvergröberung kommt (Überzeitung) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 39 Austenitisierungstemperaturen 16 1: Unlegierte Stähle C45, C6, C1 14 2: Niedrig legierte Vergütungsstähle 42CrMo4, 5 CrV4, 3MnB4 Temperatur in C , : Niedriglegierte Wälzlagerstähle 1Cr6, 1CrMo6-7 4: Hochlegierte Warmarbeitsstähle X38CrMoV5-1, X32CrMoV3-3 5: Härtbare korrosionsbeständige Stähle X4Cr13, X39CrMo17-1, X15CrMo17 6: Ledeburitische Kaltarbeitsstähle X21Cr12, X155CrVMo Gew.% C 7: Schnellarbeitsstähle, PM-Stähle HS6-5-2, HS Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 4 2

21 Abschrecken - Abschreckmedien Abschreckmittel Gasförmige (bis 2 bar) Luft N 2 He H 2 Flüssige Härteöle (Mineralöle, synthetische Öle) Wässerige Lösungen (Polymerbäder) Bei RT feste Metallschmelzen (Blei, Zinn) Salzschmelzen (Nitritbasis) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 41 Abschrecken - Dampfhautbildung Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 42 21

22 Abschrecken - Abschreckmedien 3 Abschreckgeschwindigkeit (K/s) %ige Cyanidsalzlösung Leitungswasser legiertes Öl unlegiertes Öl Salzschmelze (Warmbad 21 C) Temperatur ( C) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 43 Restaustenit Liegt die Martensitfinishtemperatur unterhalb Raumtemperatur, so bleibt im Gefüge nicht umgewandelter Austenit erhalten, welcher als Restaustenit bezeichnet wird. Dieser ist jedoch nicht stabil und kann im Laufe der Zeit in Martensit umwandeln, weswegen er in der Regel unerwünscht ist. Abhilfemaßnahmen: - Anlassen - Tiefkühlen unter M f Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 44 22

23 Erscheinungsformen des Martensit Lanzettenmartensit (LM) (Massiv-Martensit) gemischt Plattenmartensit (PM) (Nadel-Martensit) Restaustenit (RA) Habitusebene Ck15 Ck45 C7 C16 REM Temperatur in C M s M f Volumenanteil in % LM PM RA Kohlenstoffgehalt in Ma.-% Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 45 Kohlenstoffgehalt in Ma.-% STH/3- Gefügeausbildung von Martensit Nach dem Umklappen ins Martensitgitter hat der Kohlenstoff eine wesentlich höhere Diffusionsgeschwindigkeit als im Austenit. Aus diesem Grund scheiden sich noch während der Abkühlung bei den zuerst (bei hohen Temperaturen) gebildeten Martensitplatten feinste Karbidausscheidungen aus. Dadurch ätzen sie sich im Schliff dunkel an. Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 46 23

24 Stirnabschreckversuch nach Jominy Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 48 24

25 Härteverlauf Jominy-Probe 8 A C3 A C1 A F 6 P Temperatur ( C) 4 M S M B Stirnabstand (mm) 6 Härte HV1 4 2, Abkühldauer t 8/5 (s) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 49 Stirnabschreckkurven 7 6 C45E+H C45R+H CrMo4+H 42CrMo4+HH 42CrMo4+HL 42CrMoS4+H 42CrMoS4+HH 42CrMoS4+HL Härte (HRC) 5 4 Härte (HRC) 5 4 HH H 3 3 HL Abstand von der Stirnfläche (mm) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 5 H Abstand von der Stirnfläche (mm) DIN Vergütungsstähle 25

26 Härtbarkeit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 51 Durchhärtbarkeit Durchmesser 4 mm 2 mm 1 mm 1 Werkstoff 5 CrMo 4 41 Cr 4 Ck Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 52 26

27 Härtbarkeitsdiagramm HRC 62 HRC 6 HRC Salzbadabschreckung HRC Werkstückdurchmesser (mm) Einhärtungstiefe (mm) MnCrV8 Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 53 Härtbarkeitsdiagramme HRC 62 HRC 6 HRC Salzbadabschreckung Salzbadabschreckung 8 54 HRC 8 Werkstückdurchmesser (mm) MnCrV Einhärtungstiefe (mm) Werkstückdurchmesser (mm) X21C12 62 HRC 6 HRC Einhärtungstiefe (mm) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 54 27

28 Anlassen C45 Anlassen: Mit steigender Temperatur sinkt Härte und Festigkeit Bruchdehnung und Zähigkeit steigen Die einzustellenden Werte richten sich nach den konstruktiven Anforderungen Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 56 28

29 Anlassversprödung R m 4NiCrMo Z,2%-Dehngrenze R p,2 und Zugfestigkeit Rm (MPa) R p,2 Bereich der 3 C-Versprödung Blauversprödung / Fe 3C-Bildung Bereich der Anlassversprödung erhöhter Gehalt an z.b. P, Sn,, As K A Bruchdehnung A und Brucheinschnürung Z (%) Kerbschlagarbeit K / DVM-Probe (J) Anlasstemperatur ( C) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 57 Anlaßstufen gehärteten Stahls Anlaßstufen: 1. tetragonaler Martensit kubischer Martensit Ausscheidung von ε-karbiden (Fe2C) > Volumenverringerung 2. Ausscheidung von ε-karbiden Restaustenit kubischer Martensit ε-karbide Fe3C > Volumenverringerung 3. kubischer Martensit Ferrit + Fe3C > Volumenverringerung 4. Vergröberung der Karbide Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 58 29

30 Anlassdiagramme C CrMnMo X38CrMoV HS Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 59 Sekundärhärtemaximum Auswirkung der Austenitumwandlung Auswirkung von Karbidausscheidungen Karbidausscheidungen Härte Beobachtete Anlasskurve M 3 C M 7 C 3 Auswirkung des Martensitzerfalls M 23 C 6 Anlasstemperatur Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 6 3

31 Sekundärhärtemaximum 6 5 Cr-Gehalt 6 5 Mo- Gehalt Härte(HRC) Sekundärhärtemaximum 12% 4% 2%,5% % Härte(HRC) Sekundärhärtemaximum 5% 2%,5% % Anlasstemperatur ( C) Anlasstemperatur ( C) Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 61 Ausscheidungen in Stählen Ausscheidung Struktur Matrix krz kfz Ausscheidung Struktur Matrix krz kfz Eisenverbindung mit interstitiellen Begleitern Intermetallische Verbindungen Fe-X >15 C >25 C Fe 2 C hex ε-karbid + Fe 3 C orh Zementit + - Fe 16 N 2 trz α -Nitrid ++ Fe 4 N kfz γ'-nitrid + ++ Metallverbindung mit interstitiellen Begleitern M-X >45 C >6 C MC kfz V, Nb, Ti + - M 2 C hex Mo, V + M-M >45 C >7 C NiAl krz B2-Phase ++ Ni 3 Al kfz γ -Phase ++ Ni 3 Ti hex η-phase - - Fe 7 (Mo,W) 6 rh µ-phase - Fe 2 (Mo,W) hex Laves-Phase - + FeCr tetr σ-phase - - Fe 36 Cr 12 Mo 1 kkrz χ-phase - - (Fe,Ni) 16 Ti 6 Si 7 kfz G-Phase + M 7 C 3 hex Cr - - M 23 C6 kfz Cr - + M 6 C kfz Mo, W inkohärent + teilkohärent ++ kohärent MN kfz Cr + MN hex Al - - M 2 N hex Cr - Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 62 31

32 Isothermes ZTU-Diagramm von 1Cr6 Oberer Bainit Unterer Bainit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 64 32

33 Eigenschaften Zusammenfassung Vergleich zur Martensitbildung Geringere Maß- und Formänderung Keine Zugeigenspannungen in der Oberfläche Bessere dynamische Eigenschaften Höhere Zähigkeit bei gleicher Festigkeit Geringere Rißempfindlichkeit Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 65 33