Bainitisieren: Kontinuierliches oder. isothermisches Umwandeln. in der Bainitstufe

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1 Bainitisieren: Kontinuierliches oder isothermisches Umwandeln in der Bainitstufe Dr.-Ing. Dieter Liedtke 1

2 Inhalt: Der atomare Aufbau des Eisens Gefügezustände nach langsamer Abkühlung Gefügezustände nach rascher Abkühlung Martensit und Bainit Aufbau des Bainits Eigenschaften des Bainits Herstellung bainitischer Gefüge Dr.-Ing. Dieter Liedtke 2

3 Der atomare Aufbau des Eisens Dr.-Ing. Dieter Liedtke 3

4 Die Umwandlungspunkte des Eisengitters (δ - Ferrit ) (Austenit ) (Ferrit ) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 4

5 Abkühlung einer untereutektoiden Fe-C-Legierung ( Austenit ) (Austenit + Ferrit ) (Ferrit ) (Ferrit + Zementit) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 5

6 Gefüge Austenit im LIM Dr.-Ing. Dieter Liedtke 6

7 Ferrit-Perlit-Gefüge im Lichtmikroskop 10 µm Dr.-Ing. Dieter Liedtke 7

8 Stahl 20 MnCr 5 mit unterschiedlicher Zeiligkeit Dr.-Ing. Dieter Liedtke 8

9 Abkühlung einer eutektoiden Fe-C-Legierung (Austenit) (Ferrit + Zementit) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 9

10 Gefüge Perlit Lichtmikroskop Dr.-Ing. Dieter Liedtke 10

11 Abkühlung einer übereutektoiden Fe-C-Legierung (Austenit ) (Zementit ) (Carbide + Ferrit + Zementit) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 11

12 Gefüge Perlit und Zementit im Lichtmikroskop 10 µm Dr.-Ing. Dieter Liedtke 12

13 Gefüge Perlit und Zementit im Lichtmikroskop Dr.-Ing. Dieter Liedtke 13

14 Perlit-Ferrit-Gefüge bei unterschiedlichen C-Gehalten 0,03 %C 0,15 %C 0,45 %C 0,60 %C 0,80 %C 1,0 %C Dr.-Ing. Dieter Liedtke 14

15 Grauguß mit lamellaren und kugeligen Graphitausscheidungen Dr.-Ing. Dieter Liedtke 15

16 Das Eisen-Kohlenstoff-Zustands-Schaubild Dr.-Ing. Dieter Liedtke 16

17 Zeit-Temperatur-Umwandlungs-(ZTU-)Schaubild für kont. Abkühlen: Stahl C Dr.-Ing. Dieter Liedtke 17

18 Das tetragonal verzerrte raumzentrierte Martensitgitter Eisenatom Kohlenstoffatom Dr.-Ing. Dieter Liedtke 18

19 Dr.-Ing. Dieter Liedtke Begriffsbestimmungen nach DIN EN Bainitisieren Kontinuierlich: Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem Abkühlen mit einer solchen Geschwindigkeit, daß der Austenit sich mehr oder weniger vollständig in Bainit umwandelt. Isothermisch: Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem gestuften Abkühlen 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. Das darauf folgende Abkühlen auf Raumtemperatur unterliegt keinen besonderen Vorschriften.

20 Begriffsbestimmung Bainit (DIN EN 10052) Metastabiler Gefügebestandteil, der bei der Umwandlung des Austenits in einem Temperaturintervall gebildet wird, das zwischen den Temperaturbereichen der Perlit- und Martensitbildung liegt. Er besteht aus (mit) Kohlenstoff übersättigtem Ferrit, wobei der Kohlenstoff zum Teil in Form feiner Carbide ausgeschieden ist. Man unterscheidet: - Oberer Bainit, der sich im oberen Bereich des oben angegebenen Temperaturbereichs bildet. - Unterer Bainit, der sich im unteren Bereich des oben angegebenen Temperaturbereichs bildet Dr.-Ing. Dieter Liedtke 20

21 ZTU-Schaubild für kontinuierliches Abkühlen des Stahls 100Cr Dr.-Ing. Dieter Liedtke 21

22 Einfluß der Legierungselemente auf die Bainit-Starttemperatur bei kontinuierlichem Abkühlen 800 Bainit-Starttemperatur in C Molybdän Kohlenstoff (11 C/s) Abschreckgeschwindigkeit: 5,1 C/s Silicium Mangan Chrom 100 Wang/ Van der Wolk/ Van der Zwaag 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Massenanteile in % Dr.-Ing. Dieter Liedtke 22

23 Bainit bei kontinuierlichem Abkühlen im LIM (M. Wildau) oberer Bainit Martensit unterer Bainit Dr.-Ing. Dieter Liedtke 23

24 Temperatur-Zeit-Folge beim Isothermischen Bainitisieren Austenitisieren Austenit Temperatur Erwärmen Abschrecken Bainit Umwandeln Perlit und Carbide Zeit Dr.-Ing. Dieter Liedtke 24

25 Entstehung des Bainits (Warlimont) Bainit ist ein stab- oder plattenförmiges Umwandlungsprodukt, oft in Bündeln oder verzweigten Gruppen und besteht aus den zwei Phasen Ferrit und Carbid. Temperaturbereich 570 bis 350 C: ( oberer Bainit) Ausgehend von Austenitkorngrenzen entstehen abgeflachte Ferrit- Nadeln, Ferritstäbe oder -platten, bei untereutektoidischen Stählen mit Fe 3 C-Ausscheidungen im Austenit, bei übereutektoidischen Stählen mit Carbidausscheidungen im Ferrit. Temperaturbereich unterhalb 350 C: ( unterer Bainit) Es entstehen Ferritplatten mit Carbidteilchen im Inneren, die während des Wachstums der Platten als ε-carbid oder Fe 3 C ausgeschieden werden, wodurch der Ferrit weiterwächst Dr.-Ing. Dieter Liedtke 25

26 Aussehen des Bainits (schematisch) Bainit aus dem unteren Temperaturbereich Bainit aus dem oberen Temperaturbereich Dr.-Ing. Dieter Liedtke 26

27 Ablauf beim Entstehen von unterem Bainit (schematisch) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 27

28 ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln (Stahl 100Cr6) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 28

29 Ablauf der Austenitumwandlung beim isothermischen Bainitisieren Dr.-Ing. Dieter Liedtke 29

30 Umgewandelte Menge in Abhängigkeit von der Zeit Stahl mit 0,8 Masse-% C und 0,8 Masse-% Mn Eckstein, Bild Dr.-Ing. Dieter Liedtke 30

31 Bainitisieren: Gefüge Bainit (Stahl 100Cr6) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 31

32 Gefüge oberer Bainit (FME-Aufnahme) Eckstein, Bild Dr.-Ing. Dieter Liedtke 32

33 Bainit aus dem oberen Temperaturbereich im REM (M. Wildau) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 33

34 Einfluß der Umwandlungstemperatur auf die Umwandlungsdauer Bund/ Ölund/ Rösch (Ovako Steel) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 34

35 Einfluß der Umwandlungstemperatur auf die Härte des Bainits Bund/ Ölund/ Rösch (Ovako Steel) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 35

36 ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 100CrMn Dr.-Ing. Dieter Liedtke 36

37 ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 100CrMo Dr.-Ing. Dieter Liedtke 37

38 ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 16MnCr5 C Dr.-Ing. Dieter Liedtke 38

39 Bainit beim Stahl 16 MnCr 5 (LIM) 5 µm Dr.-Ing. Dieter Liedtke 39

40 Martensit und Bainit beim Stahl 16MnCr5 (LIM) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 40

41 Dauer der isothermischen Umwandlung dicht oberhalb M s Umwandlungsende in min , ,67 333,33 333, ,67 Stahlsorte Dr.-Ing. Dieter Liedtke 41

42 Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die Umwandlungstemperatur zum Erreichen der Maximalhärte Temperatur für höchste Härte in C CrMoV CrMo CrV ,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Massenanteile Kohlenstoff in % Wälzlagerstähle Dr.-Ing. Dieter Liedtke 42

43 Einfluß der Stahlzusammensetzung auf die Umwandlungstemperatur für maximale Härte Umwandlungstemperatur für Maximalhärte in C Stahl Dr.-Ing. Dieter Liedtke 43

44 Bainit nach isothermischem Umwandeln beim Stahl 34Cr4 (Wildau) 375 C 500 s 490 C 150 min Dr.-Ing. Dieter Liedtke 44

45 ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 31CrMoV Dr.-Ing. Dieter Liedtke 45

46 ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 50CrV Dr.-Ing. Dieter Liedtke 46

47 Bainit beim Kugelgraphitguß (LIM) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 47

48 Möglichkeit zum Verkürzen der Prozeßdauer beim Bainitisieren 100 Cr Dr.-Ing. Dieter Liedtke 48

49 Möglichkeit zum Verkürzen der Prozeßdauer beim Bainitisieren 100Cr Dr.-Ing. Dieter Liedtke 49

50 Reduzierung der Umwandlungsdauer durch 2 Temperaturstufen Temperatur Dauer Härte in Stahlsorte in C in h HRC 100 Cr ,5 60,1 100 Cr ,0 100 CrMo , CrMo , Dr.-Ing. Dieter Liedtke 50

51 Eigenschaften bainitischer Gefüge Mechanisches Verhalten entspricht mindestens dem Eigenschaftsprofil martensitisch gehärteter und angelassener Gefüge Je nach Umwandlungsprozeß: geringerer Restaustenitgehalt als Martensit, damit größere Maßstabilität ohne Tiefkühlen Größere Zähigkeit als Martensit, sowohl bei hoher Formänderungsgeschwindigkeit (Kerbschlagbiegeversuch) als auch niedriger (statische Biegung) Bainitische Ringe aus 100Cr6 sind im Überrollversuch maßbeständiger als martensitische (Kugelfischer) Maß- und Formänderungen sind auf Grund geringerer Ferrit-Verzerrung kleiner als bei Martensit Anlassen und Tiefkühlen entfällt Dr.-Ing. Dieter Liedtke 51

52 Nachteile gegenüber martensitischem Härten Längere Prozeßdauer infolge der notwendigen isothermischen Umwandlung Größerer Aufwand für die Anlagentechnik Bauteile sind länger außerhalb der Bearbeitung als beim Härten und Anlassen Für das Bainitisieren sind Salzschmelzen, zum Abschrecken um die erforderliche Abschreckgeschwindigkeit und die erforderliche Haltetemperatur mit geringster Streubreite zu erreichen unerläßlich Waschanlage zum Reinigen der bainitisierten Teile erforderlich Nachträgliches Reduzieren der Härte nur durch Anlassen oberhalb der Umwandlungstemperatur möglich Dr.-Ing. Dieter Liedtke 52

53 Vergleichskriterien für Bauteileigenschaften: martensitisch gehärtet - bainitisiert FeW/MSD31-Englert Höhere Innen-Druckschwellbeanspruchbarkeit (Pumpenkörper) Höhere Zähigkeit bei geometrisch komplizierter Form Keine Anlaßversprödung Höhere Verschleiß- und Schwingfestigkeit Restaustenitgehalte <1% ohne Härteverlust erreichbar Geringe Maß- und Formänderungen Geringe Streuung der Formänderungen innerhalb einer Charge Reduzierung der Verfahrensschritte - höhere Prozeßsicherheit Dr.-Ing. Dieter Liedtke 53

54 Eigenspannungen Bainit - Martensit (SKF/Material Technology, Volkmuth) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 54

55 Maßstabilität Bainit - Martensit (SKF/Material Technology, Volkmuth) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 55

56 Statische Belastbarkeit Bainit - Martensit (SKF/Material Technology, Volkmuth) 100 Ausfallwahrscheinlichkeit in % MnCr5 einsatzgehärtet 100Cr6 martensitisch 100Cr6 bainitisch Belastung in kn Dr.-Ing. Dieter Liedtke 56

57 Kriterien für Wälzlageranwendung (SKF/Material Technology, Volkmuth) 10 9 Martensit SN Martensit S0 Bainit 8 Relative Bedeutung Verschleißwiderstand Maßstabilität Wälzfestigkeit Stat. Tragfähigkeit Gestaltfestigkeit Dr.-Ing. Dieter Liedtke 57

58 Durchstoß-Kammerofen (Ipsen) Dr.-Ing. Dieter Liedtke 58

59 Kammerofen mit Salzwarmbad zum Bainitisieren Dr.-Ing. Dieter Liedtke 59

60 Anlage zum Bainitisieren mit Salzwarmbad und Luftumwälzofen(Ipsen) Erwärmen und Austenitisieren im Prozeßgaskammerofen Abschrecken- Bainitisieren im Salzbad Bainitisieren bzw. Restumwandlung im Luftumwälzdurchlaufofen Ipsen Dr.-Ing. Dieter Liedtke 60