Rost- und Säurebeständige Stähle II: Ergänzungen

Transkript

1 Seite Vorbemerkung: Bei den rostfreien Stählen treten durch die massive Legierung mit Chrom und anderen Elementen viele Effekte auf, die man sich vielleicht noch ein bisschen intensiver anschauen sollte. Im Einzelnen sind das: 1. Kohlenstoffgehalt und Härte 2. Umwandlungsgeschwindigkeiten 3. Entstehung Karbiden 4. Chrom im Eisenkohlenstoffdiagramm Das geht jetzt über den Kleinen Stahlschlüssel schon hinaus, aber wir wollen ja etwas da haben. Und den kleinen Stahlschlüssel brauchen wir schon, insbesondere die Seiten 12 und 13 mit dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) Hier eine Darstellung, die der Internationalen Gesellschaft für Damaszenerstahlforschung (IGDF) stammt, als Ergänzung: Bild 1. Das EKD mit Gefügecharakterisierung 1. Kohlenstoffgehalt und Härte Es ist zunächst einmal aufgefallen, dass es bei den "rostfreien" Stähle gibt, die für Messer genommen werden, dabei aber ziemlich wenig Kohlenstoff enthalten. Beispiele waren der "420" (1.4034,

2 Seite X46Cr13) oder der Cronidur 30 mit ca. 0,3%C. Andererseits gibt es viele noch viel höher legierte, die auch deutlich mehr Kohlenstoff haben, ein Beispiel war der Böhler K 190 mit etwa 2% Kohlenstoff. Ich hatte angemerkt, dass durch das Hinzulegieren Cr die Grenzen für die Existenz des Austenits verschoben werden. Austenit brauchen wir, da wir dort viel Kohlenstoff lösen können, der dann beim Abschrecken nicht mehr herauskann und somit zur Härtung durch Bildung Martensit führt. Martensit taucht im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (EKD) gar nicht auf. Das EKD gilt ja auch nur für gleichgewichtsnahe Umwandlungen, und Martensit ist eine Phase, die bei rascher Umwandlung erzeugt wird. Darauf gehen wir später ein unter Punkt 4. Aber zunächst einmal zu der Frage, wie Kohlenstoffgehalt und Härte zusammenhängen. Oft wird im Forum diskutiert, dieser und jener Stahl habe zu wenig C, der wird nicht hart, oder je mehr C, umso härter. Gerade bei den legierten, und insbesondere bei den rostfreien, machts nicht die Menge, sondern die Komposition. Es gibt eine Reihe Untersuchungen zum Einfluß des C-Gehaltes auf die Härte. Wir wissen natürlich, dass man eine gewisse Menge braucht, um zu Härten. Eisen kann bei Raumtemperatur maximal 0,02% C lösen, wenn also weniger als 0,02% drin ist, ist keine Härtung durch Abschrecken aus dem Austenitgebiet möglich (Sonderfälle behandeln wir später, da spielen andere Effekte eine Rolle). Aber wir reden ja klassischem Verhalten. In Bild 1 sieht man, dass man oberhalb der Linien GSE (im "vernünftigen" Temperaturbereich) eigentlich immer reinen Austenit durch Erhitzen erreichen kann, sofern man weniger als 2%C hat. Und wenn man mehr als 0,02%C hat, kriegt man beim langsamen Abkühlen Ferrit und Perlit, und der Perlitanteil wächst mit zunehmendem C-Gehalt, bis bei 0,8%C (circa) kein Ferrit mehr da ist, sondern nur Perlit, und oberhalb 1%C (circa) kommt noch Korngrenzenzementit hinzu. Das hört sich nicht gut an. Ist es auch nicht. Aber langsam. Perlit. Das ist eine besondere Form, sie besteht aus Streifen Ferrit (das im wesentlichen reines Eisen ist) mit dünnen Streifen Zementit, und das ist Eisenkarbid, genauer gesagt Fe 3 C. Damit ist schon einmal klar: Wenn man mehr Kohlenstoff drin hat, als das Eisen bei Raumtemperatur lösen kann, hat man bei langsamer Abkühlung auf jeden Fall Karbide im Gefüge. Und bei hohen C-Gehalten liegen die auch noch auf den Korngrenzen, was die Versprödung fördert. Hier erklärt sich, weshalb man immer das Weichglühen nach dem Schmieden und auch das Normalisieren fordert (bei Stählen mit viel C). Die Korngrenzenbelegung muß weg, die Karbide sollen klein, feinverteilt und rundlich sein. Das ist dann ein schönes Gefüge. Noch deutlicher wird das in einem Bild, das ich dem Härterei-Ratgeber der Firma Grodtke entnommen habe:

3 Seite Bild 2: Veranschaulichung der Umwandlungen im Bereich bis ca. 1,2%C Folgende Bildfolge aus dem Buch: F. Rapatz, die Edelstähle, zeigen das an realen Bildern. Gezeigt ist jeweils in 500facher Vergrößerung der Schmiedezustand Stählen mit verschiedenem Kohlenstoffgehalt.

4 Seite Bild 3. Gefüge des Schmiedezustandes in Abhängigkeit vom C-Gehalt. Das folgende Bild zeigt, wie sich das Härten eines 1,4%C-Stahles auswirkt, wenn man direkt aus dem geschmiedeten Zustand abschreckt, wie sich das Weichglühen auswirkt, und wie das gehärtete Gefüge dieses Stahls aussieht, wenn man den weichgeglühten Zustand härtet. Überzeugend, oder? Das Bild ist ebenfalls aus dem Buch F. Rapatz, das ich oben bereits zitiert habe. Bild 4. Härten eines 1,4%-C-Stahles aus unterschiedlichen Ausgangszuständen. Man sieht, man muß mit Karbiden leben, das geht auch, man muß sie nur richtig behandeln.

5 Seite Aber zurück zum C-Gehalt und der Härtbarkeit. Zunächst ein Bild: Härte Rockwell [HRC] Mitsche, R.; Maurer, K.L.. Archiv Eisenhüttenwes. 25 (1955) S Für die Werte zwischen 0,65% und 1,31%C (Experimentelle Einzeldaten) HRC(HT) HRC (1200 C) HRC (1200 C+2h flüssige Luft) SAE-Formel: HRC = 60 C^0,5 +20 Just höher C 40 Just, E.: Härterei-Technische Mitteilungen 23(1969) S SAE-Formel für Werte zwischen 0% und 0,55% C (orange) und Rechnung für höhere C-Gehalte (blau), diese Linie ist auch für kleine Gehalte eingezeichnet. C45W C55W 100Cr6 Faustformel HRC=50 C ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Kohlenstoffgehalt [%] Bild 5. Erreichbare Härten C-Stählen in Abhängigkeit vom C-Gehalt. Im Bereich kleiner C-Gehalte (bis ca. 0,55%) gibt es einige mehr oder weniger gute Näherungsformeln sowie einige experimentelle Ergebnisse Just, die durch Regressionsrechnung ermittelt wurden. Zunächst zu den Näherungsformeln: Die braune Kurve gibt die sogenannte SAE-Formel (SAE = Society of Automotive Engineers) wieder, die türkisfarbene eine Faustformel, deren Herkunft mir nicht klar ist, aber oft verwendet wird. Im Einzelnen: a) SAE-Formel b) Faustformel HRC = 60 C + 20 HRC = 50 C + 36

6 Seite Zum Vergleich sind noch die (Norm-)Härten für C45, C55 und 100Cr6 angegeben. In dem uns interessierenden Bereich sind die Faustformeln alle etwa gleich gut oder gleich schlecht, je nachdem. Inwieweit man für die tägliche Arbeit diesen Formeln trauen kann, muß jeder selbst wissen. Geht man zu C-Gehalten oberhalb etwa 0,65% über, so sieht man im Wesentlichen drei Messreihen: eine heißt HRC (HT), das ist die obere blaue. Sie ist ermittelt worden an Proben, die mit der empfohlenen Härtetemperatur (HT) gehärtet wurden. Die hängt ja vom C-Gehalt ab, wo man sich durch einen Blick ins EKD überzeugen kann. In diesem Falle wird nicht aller vorhandener Kohlenstoff (Karbide!) gelöst, trägt also auch nicht zur Martensithärtung bei, da diese ja durch gelösten und beim Abschrecken "eingesperrten" Kohlenstoff erzeugt wird. Geht man auf Härtetemperaturen ca. 1200, so werden alle Karbide (zumindest weitestgehend) gelöst, aber komischerweise fällt die Härte ab 1% C wieder ab. Erst wenn man tiefkühlt, steigt die Härte an. Aha, Restaustenit. Richtig. Durch das Abschrecken wird nicht aller Restaustenit beseitigt. Man beachte, dass es sich hier um den nicht angelassenen Zustand handelt, sondern den echt abgeschreckten Zustand. Das Tiefkühlen beseitigt den Restaustenit, die Härte steigt wieder mit zunehmendem C- Gehalt. Aber der Anstieg ist oberhalb ca. 0,7% C nicht so dramatisch. Was bedeutet das? Hat man mehr als 0,7%C im Stahl, und greift man zu allen Tricks (höhere Härtetemperatur, Tiefkühlen), so erreicht man eigentlich keine dramatische Härtesteigerung. Ein Blick auf das EKD macht uns da schlauer: Wenn man ca. 0,8% C überschreitet, hat man bei Raumtemperatur auf jeden Fall Karbide, Zementit. C-Gehalte oberhalb 0,7% (circa) tragen also kaum noch zu Härtesteigerungen des Martensits durch Umwandlungshärtung bei, sondern dieser Kohlenstoff wandert in Karbide. Wie man mit denen umzugehen hat, haben wir ja schon gehört. Die Folgerung wäre, mal abgesehen den rostfreien Stählen, dass ein C70 prima hart wird, und dass man bei Stählen wie 100Cr6 oder auch Feilenstählen, die ohne weiteres 1,4%C haben können, aufpassen muß, was man macht. Sonst verschenkt man Potential. Gut, wir wissen also, dass man keine riesigen Mengen C braucht, um tolle Härten zu erreichen. Auch und erst recht nicht bei den Rostfreien. Das werden wir aber erst später genauer sehen. Zuvor noch ein paar Worte zu den Abkühlgeschwindigkeiten. 2. Abkühlgeschwindigkeiten Im letzten Beitrag habe ich erwähnt, dass die rostfreien Stähle teilweise auch schon an Luft härten, gar nicht richtig abgeschreckt werden müssten. Das liegt daran, dass die berühmte "Perlitnase" sich mit zunehmender Legierung zu hohen Zeiten verschiebt, dazu gibt es ja auch ein Bild, nämlich Bild 10. Ich möchte dazu noch ein Beispiel geben. Wenn wir uns das Bild 10 aus meinem letzten Beitrag ansehen, so stellen wir fest, dass ein gutes Maß für Abkühltempo die Zeit ist, in der der Werkstoff sagen wir mal ca. 850 C auf etwa 500 C abgekühlt sind, und man muß dann eine Abkühlkurve suchen, die vor der Perlitnase vorbeiführt. Die Abkühlkurve, die gerade eben noch davor vorbeikommt, ist die kritische Abkühlkurve, und die dazugehörige Zeit für die Abkühlung 850 auf 500 (t 850/500 ) heißt kritische Abkühlgeschwindigkeit (obwohl keine Geschwindigkeit, sondern eine Zeit). Vergleichen wir einmal solche Zeiten:

7 Seite Tabelle 1. Kritische Abkühlzeiten einiger Werkstoffe Werkstoff-Nr. DIN-Bez. t(850/500) [sec] Härte-Temp [ ] HRC (ca.) C80W1 0, Cr Mn Cr V X 210 Cr Das heißt, beim C80 darf man keinesfalls trödeln beim Abschrecken, auch beim 100Cr6 ist Eile angesagt, der beliebte ist schon sehr gutmütig, und der 2080 läßt einem reichlich Zeit. Trotzdem, Abschrecken ist die bessere Methode. Man vermeidet durch das schnelle Durchlaufen der Umwandlung unangenehme Nebeneffekte. Vielleicht gehe ich darauf später noch einmal ein. 3. Entstehung Karbiden Oft ist die Rede Primärkarbiden, Anlasskarbiden, Sonderkarbiden etc. Schauen wir uns einmal an, was das alles bedeutet: Bild 6. Karbidausscheidungsgrenzen (H. Berns, Stahlkunde für Ingenieure)

8 Seite Durchläuft man in Bild 6 bei einer Abkühlung eine der farbigen Linien, so scheiden sich Karbide aus nach der in der folgenden Tabelle angegebenen Systematik: Tabelle 2. Karbidausscheidungen Linie Ausscheidung Umwandlungen Temp. Bereich [ C] D-C primär Kontinuierlich aus der Schmelze C-E eutektisch Diskontinuierlich gekoppelt mit Umwandlung Schmelze Austenit 1147 E-S sekundär Kontinuierlich aus dem Austenit S-P eutektoid Diskontinuierlich mit Umwandlung Austenit Ferrit 723 P-Q Tertiär Aus dem Ferrit Damit dürften die Bezeichnungen und der Mechanismus etwas klarer werden. Gehen wir rechts nach links vor, so heißen die unterhalb der roten Linie DC ausgeschiedenen Karbide primär, weil sie direkt aus der Schmelze ausgeschieden werden. Unterhalb eines Grenzkohlenstoffgehaltes geht das nicht mehr, das bildet sich längs CE erst aus der Schmelze Austenit, und daraus dann Karbide Längs ES bilden sich sekundäre Karbide aus dem Austenit, längs der gelben Linie SP bildet sich erst Austenit, daraus Ferrit, und daraus dann eutektoide Karbide, und schließlich die tertiären, die sich aus dem Ferrit bilden, der sich erst mal vollständig aus dem Austenit gebildet hat. Die Primärkarbide bilden sich sehr früh, aus der Schmelze, und die Dinger wachsen während weiterer Abkühlung, und wir wissen, dass das nicht gut ist für feinschneidende Klingen. Klar, bei reinen C- Stählen funktioniert das nur bei richtig hohen C-Gehalten. Ist aber Cr im Spiel, so verschiebt sich das auch zu C-Gehalten, die uns interessieren. Das sind dann die berühmten Primärkarbide, die sehr groß sind, und die man nie wieder bei einer Wärmebehandlung gelöst bekommt. Diese Karbide bleiben einem erhalten. Erst durch die Pulvermetallurgie kann man dieses Wachstum unterdrücken und kontrolliert ablaufen lassen. Karbide sind oft erwünscht, das sie die Verschleißbeständigkeit erhöhen, aber sie sind halt auch Ausgangspunkte für Schäden. Und bei den pulvermetallurgisch hergestellten Stählen (K190) mit üppigen C-Gehalten und viel Legierungselementen kann man diesen Effekt der kontrolliert ablaufenden Karbidbildung sehen:

9 Seite Bild 7. Karbidverteilungen eines klassisch hergestellten Cr-legierten Stahls (links) mit Böhler K 190 (aus dem Datenblatt der Firma Böhler) Eine überzeugende Darstellung. Links große Karbide, starke Zeiligkeit, rechts feinverteilte, kleine homogene Karbide, die isotrop ausgeschieden sind, also keine Richtungsabhängigkeit besitzen. Den 4. Punkt, nämlich Cr im EKD; behandeln wir in einem separaten Beitrag. Das ist nämlich recht komplex und ziemlich viel Stoff.