Wärmebehandlung von Stählen. 1. Klassifizierung / Definition WB 2. Verschiedene thermische WB 3. Thermochemische Verfahren

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1 1 Wärmebehandlung von Stählen 1. Klassifizierung / Definition WB 2. Verschiedene thermische WB 3. Thermochemische Verfahren Werkstoffkunde HWK Schwerin

2 1. Klassifizierung / Definition WB Unter WB versteht man den gesamten Prozess der Eigenschaftsänderung von met. Werkstoffen im festen Zustand infolge Strukturveränderungen. 2 Unter Glühen versteht man ein durchgreifendes Erwärmen des Werkstoffes bis auf einen Ziel-T-Bereich, ein Halten und ein je nach Ziel der WB entsprechendes schnelles Abkühlen. aus [Seidel, WT]

3 1. Klassifizierung / Definition WB 3 Je nachdem, wie schnell die technologischen Abläufe bei den technischen WB sind, kann man die ablaufenden Phasenumwandlungen eher dem: Gleichgewichtsfall (EKD) oder dem Ungleichgewichtsfall (ZTU-SB) zuordnen.

4 4 aus [Fachkunde Metall]

5 5 ZTU-Schaubild Stahl 14 MoV 6 für kontinuierliche Abkühlung (nach Baerlecken und Lorenz)

6 65 Wichtige Grundtypen: 1. Normalglühen /Normalisierungsglühen 2. Härten 3. Vergüten 4. Spannungsarmglühen 5. Weichglühen 6. Rekristallisationsglühen 7. Diffusionsglühen/Homogenisierungsglühen 8. Grobkornglühen /Hochglühen

7 3.1. Normalglühen /Normalisierungsglühen Temperatur-Zeit-Regime 7 6 aus [DVS-Lehrm.]

8 2.1. Normalglühen /Normalisierungsglühen 8 7 aus [Fachkunde Metall]

9 2.1. Normalglühen /Normalisierungsglühen 8 Weg: langsam Erwärmen, Halten, Abkühlen gleichgewichtsnaher Zustand, doppelte / - Umwandlung Keimzahl erhöht Kornfeinung (F+P) gleichmäßiges, quasiisotropes Verhalten (mech./technolog. Eigenschaften) Anwendung bei: Stahlguss (im Gusszustand immer Grobkorn, nach dem Walzen, Ziehen, Pressen etc. zur Beseitigung der Verformungstextur) Unterschied in Technologie für unter- und übereutektoide Stähle

10 2.1. Normalglühen /Normalisierungsglühen 9 aus [Seidel, WT]

11 2.1. Normalglühen /Normalisierungsglühen 10

12 2.2. Härten 11 Temperatur-Zeit-Regime aus [DVS-Lehrm.]

13 2.2. Härten 12 Verschiedenste technologische Varianten sind üblich! Je nach Zielsetzung: a) Volumenhärtung / Durchhärtung b) Oberflächenhärtung aus [Fachkunde Metall]

14 2.2. Härten 13 Ziel: Erreichung einer Max.härte unter Hinnahme verringerter Zähigkeit Vorraussetzung: C-Gehalt > 0,2 %, hinreichend große Abkühlgeschwindigkeit (Unterkühlung) für die Martensitbildung, max. 0,8% C (HRC ca. 62) Ergebnis: verspannter Martensit mit hoher Härte Anwendung: für Werkzeugstähle, Messmittel, Maschinenteile aus [Fachkunde Metall]

15 2.2. Härten a ) Volumenhärtung von Werkzeugstahl 14 Anlassen zum Zwecke des Entspannens, Problem: RA bei C>0,6 %, bzw. große A-KG aus [Fachkunde Metall]

16 2.2. Härten a ) Volumenhärtung von Werkzeugstahl 15 aus [Fachkunde Metall]

17 Härten - Problem der Durchhärtung aus [Seidel, WT]

18 2.2. Härten b ) Oberflächenhärten 17 aus [Fachkunde Metall]

19 2.2. Härten b ) Oberflächenhärten 18 Unter EhT versteht man den Abstand von der Oberfläche, bis zu dem ein Gefüge von 50 % Martensit vorliegt. Das Einhärtevermögen wird verbessert durch: Legieren Austenitfeinung Homogenität aus [Fachkunde Metall]

20 2.2. Härten b ) Oberflächenhärten Aufhärte (max. Randhärte): Ist die an der Oberfläche gemessene max. Härte, sie wird ausschließlich vom gelösten C-Gehalt bestimmt. aus [Fachkunde Metall]

21 2.2. Härten Technisch wichtige Verfahren und Einfluß auf Abschreckwirkung Technisch wichtige Verfahren: Kontinuierliches Härten Warmbadhärten (isothermisch) gebrochenes Härten (2 Medien: erst Wasser, dann Öl) Randschichthärten ohne Änderung der chem. Zusammensetzung der Randschicht Randschichthärten mit Änderung der chem. Zusammensetzung der Randschicht Einfluß auf Abschreckwirkung: Härtbarkeit des Stahls, Abschreckwirkung des Mediums, Wärmeleitfähigkeit des Werkstückes, Abmessung und Form des Teils, Bewegung des Werkstückes im Medium

22 Vergüten / Definition Man unterscheidet Vergüten und Bainitisieren (Zwischenstufenvergüten). Im Ergebnis beider Verfahrensvarianten entsteht das Gefüge: Bainit (Zwischenstufengefüge). Das Vergüten besteht aus einem Härten und Anlassen, wobei das Anlassen bei höheren T erfolgt, als bei bestimmten Stählen nach dem Härten. Zweck des Anlassens beim Härten: Entspannen des M Zweck des Anlassens beim Vergüten: Bildung eines feinkörnigen V- Gefüges mit einer guten Kombination aus hohen Festigkeitskennwerten und hoher Zähigkeit Das Bainitisieren wird so durchgeführt, dass nach dem Härten auf die Bildungstemperatur des Bainits abgeschreckt wird und hier der Austenit isothermisch zerfällt.

23 2.3. Vergüten ( T-t-Ablauf) 23 aus [DVS-Lehrm.]

24 Vergüten / Anlassen nach dem Härten Oxidschichtbildung, Dicke der Oxidschicht unterschiedliche Farbe aus [Seidel, WT]

25 Vergüten / Anlassen nach dem Härten Stufe1: Entspannung durch Bildung von kubischem M, submikroskopische Fe 2 C-Bildung Stufe2: RA- Umwandl. in kub. M., Beginn Fe 3 C-Bildung Stufe3: Fe 3 C-Bildung fortgesetzt und abgeschlossen: F+Z Stufe4: Fe 3 C- Vergröberung aus [Seidel, WT] für C130

26 Vergüten /Anlassschaubild 2 Sekundärhärter! aus [Fachkunde Metall]

27 Vergüten / komplettes Vergütungsschaubild Einstellen von Zielgefügen je nach Anlass-Temperatur aus [Fachkunde Metall]

28 Bainitisieren/ T-t-Verlauf Kurve 6: Bainitisieren aus [Seidel, WT]

29 Vergüten / Vergütungsstähle aus [Fachkunde Metall]

30 2.4. Spannungsarmglühen 32 Ziel: Abbau innerer Spannungen (bei Gussteilen, nach dem Schweißen, dem Kaltumformen etc.) Innere Spannungen: sind Spannungen, die ohne Einwirkung äußerer Kräfte wirken (haben Sie bereits bei der MK-Bildung, bei den GBF, der Martensitbildung kennengelernt!) Prinzip: Innere Spannungen in Bauteilen sind elastische Spannungen. Sie liegen deshalb unterhalb R e. Durch Glühen erfolgt ein Spannungsabbau infolge Ausheilen von Gitterbaufehlern. aus [DVS-Lehrm.]

31 2.4. Spannungsarmglühen 33 aus [DVS-Lehrm.]

32 2.4. Spannungsarmglühen 34 Findet im Bereich der Kristallerholung statt! aus [DVS-Lehrm.]

33 2.5. Weichglühen 35 Ziel: Zeitweiliges Herstellen eines für die Bearbeitung günstigen (weichen) Werkstoffzustandes. Weg: Glühen kurz unterhalb A 1 bzw. Pendelglühungen um A 1 Anmerkung: nach dieser WB und der technologischen Bearbeitung der weichgeglühten Teile erfolgt immer eine End-WB!

34 Weichglühen / T-t-Verlauf aus [DVS-Lehrm.]

35 2.5. Weichglühen 37 aus [Fachkunde Metall]

36 Weichglühen / Gefüge Gefüge eines C80: körniger Perlit

37 2.6. Rekristallisationsglühen 39 Ziel: Beseitigung der Verfestigung in kaltverformtem Stahl Weg: Glühen bei der Rekristallisations-T (unterhalb A 1 ) T R = f(t s ) [K], KV-Grad

38 2.6. Rekristallisationsglühen 40 aus [Fachkunde Metall]

39 2.6. Rekristallisationsglühen 41

40 Rekristallisationsglühen Kornneubildung (Keimbildung und Keimwachstum) ausgehend von den am stärksten verformten Gefügebereichen. Da es sich um einen Diffusionsprozess handelt, ist dieser T- und t-abhängig! Wird zu lange oder bei zu hohen T rekristallisiert, entsteht grobes Korn!

41 2.7. Diffusionsglühen/Homogenisierungsglühen 43 Ziel: Beseitigung von Seigerungen (chem. Heterogenitäten) Weg: durch Langzeitglühen im Austenitgebiet (> A 3 ) erfolgt über Diffusion ein Konzentrationsausgleich Anmerkung: anschließend Normalglühen!

42 2.8. Grobkornglühen /Hochglühen 44 Ziel: technologische WB, um Stahl für die mechanische Bearbeitung weicher zu machen. Weg: Langzeitglühen im Austenitgebiet (>A 1 ) Anmerkung: anschließend Endwärmebehandeln!

43 2.8. Grobkornglühen /Hochglühen 45 aus [DVS-Lehrm.]

44 3. Thermochemische Verfahren 46 aus [Seidel]

45 Wärmebehandlung Thermo-chemische Wärmebehandlungen (Auswahl) Einsatzhärten Aufkohlen der Randschicht, durch Einsetzen (T ~ 850 bis 950 C) in feste, flüssige oder gasförmige kohlenstoffhaltige Medien und folgendes Abschrecken. Typische Werkstoffe sind Einsatzstähle (Kohlenstoffgehalt C < 0,25 %), die selbst nur unwesentlich zu einer Härtesteigerung beim Härten beitragen (EN ). - feste Kohlenstoffträger: z. B. Aufkohlungspulver - flüssige Kohlenstoffträger: z. B. Salzbäder - gasförmige Kohlenstoffträger: z. B. Methanol / Propan Nitrieren Gesteuerte Diffusion von Stickstoff in die Stahloberfläche. Die Nitrierschicht beträgt nur wenige zehntel Millimeter. Anschließend Abkühlung im Ofen, somit kaum Schrumpfspannungen. Spezielle Nitrierstähle mit Mo, Al, V (sind Nitridbildner). Das Nitrieren wird z. B. in Ammoniakgas (NH 3 ) bei T = 500 C C über einen Zeitraum von t = 30 h - 60 h durchgeführt. GSI - Gesellschaft für Schweißtechnik International mbh (alle Rechte vorbehalten) 47

46 3. Thermochemische Verfahren 3.2. Einsatzhärten 48 Ziel: einem Bauteil mit einer geringen Härte, aber großen Zähigkeit eine hohe Randhärte verleihen. Weg: Aufkohlen des Randes, anschließend Härten und Anlassen. aus [Fachkunde Metall]

47 3. Thermochemische Verfahren 3.2. Einsatzhärten 49 aus [Seidel, WT] Die Aufkohlungstiefe ist der Abstand vom Rand des Bauteils, der noch einen C- Gehalt i.h. von 0,35 Gew. % aufweist.

48 3. Thermochemische Verfahren Einsatzhärten / technologische Varianten aus [Fachkunde Metall] aus [Fachkunde Metall]

49 3. Thermochemische Verfahren 3.1. Einsatzhärten 51 aus [Fachkunde Metall]

50 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!