Wärmebehandlung von Stahl Abschreckhärten, martensitisches ...

<strong>Wärmebehandlung</strong> <strong>von</strong> <strong>Stahl</strong><br />

<strong>Abschreckhärten</strong>, <strong>martensitisches</strong> Härten<br />

Zweck<br />

Verschleißfestigkeit, Härte<br />

Vorgang<br />

Erwärmen auf Härtetemperatur<br />

ca. 50°C über der PSK-Linie<br />

Das Kristallgemisch aus Ferrit / Zementit und Perlit wird<br />

über die GSK-Linie auf Härtetemperatur durchgewärmt und<br />

wandelt sich vollständig in Austenit um, der den C löst.<br />

FO ZTU-Schaubild für kontinuierliche Abkühlung Ck45, 41Cr4 aus Weißbach S.180: für<br />

innen und außen, erreichbare Härten je nach Temperaturverlauf<br />

ZTU-Schaubilder für kontinuierliche Abkühlung<br />

FO Wärmebhandlung im ZTU-Diagramm<br />

Ck45 siehe auch Böge7 S.133, allerdings unübersichtlicher beschriftet.<br />

Härterisse<br />

Entstehen durch Wärmespannungen (unterschiedliche<br />

Wärmeausdehnung) oder durch Volumenänderung bei<br />

Gefügeänderungen.<br />

Abschreckgeschwindigkeit / Eindringtiefe<br />

ist bestimmt durch das Abschreckmittel: Wasser, kalte / warme<br />

Salzlösung, (legiertes) Härteöl oder Luft.<br />

Möglichst milde Abschreckmittel verwenden!<br />

Werkstoffe<br />

C > 0,2%<br />

Vergüten<br />

= Härten + Hochtemperatur-Anlassen bei 500 .. 680°C<br />

Anlasstemperatur und -zeit bestimmen die<br />

Eigenschaften (Zähigkeit Festigkeit).<br />

Martensit zerfällt zu sehr feinkörnigem Ferrit und<br />

Zementit.<br />

Werkstoffe<br />

un-/niedriglegierte Stähle mit 0,25 .. 0,6%C<br />

Ein Nockenwelle, Zahnrad, Kurvenscheibe o.ä.<br />

1) Funktion, Belastung ? Reibung, Verschleiß Härten<br />

Härten macht Stähle durch <strong>Wärmebehandlung</strong> hart und verschleißfest. Vorher müssen Werkstücke<br />

etwa ihre endgültige Form haben, danach können sie nur noch durch Schleifen gespant werden.<br />

Versuch: Bindedraht biegen: Nix passiert; Draht erhitzen, abschrecken, biegen: Draht bricht.<br />

Zum <strong>Abschreckhärten</strong> benötigt man zwei Elemente: genügend C und Abschreckgeschwindigkeit.<br />

Abschrecken / Martensitbildung<br />

Austenit abschrecken → es entsteht<br />

Martensit statt Ferrit / Perlit<br />

Eigenschaft: sehr hart und spröde.<br />

Ein abgeschreckter Handmeißel ist fest, glashart und<br />

dementsprechend spröde, Zähigkeit fehlt, sodass das –<br />

Werkstück angelassen werden muss.<br />

Beim schnellen Abkühlen sinkt die<br />

Temperatur, bei der Austenit zu Perlit wird,<br />

weil der C nicht schnell genug diffundieren<br />

kann. Das Perlit wird feinstreifiger. Bei<br />

Unterschreiten der kritischen<br />

Abkühlungsgeschwindigkeit bildet sich gar<br />

kein Perlit mehr, sondern bei 400..100°C<br />

(bei unlegierten Stählen) das durch C-<br />

Atome verzerrte krz-Gitter Martensit<br />

(glashart und spröde).<br />

Überperlitische Stähle behalten<br />

Restaustenit, der die Härte senkt. Er kann<br />

durch Tieftemperaturbehandlung noch in<br />

Martensit umgewandelt werden bzw. durch<br />

Anlassen in Perlit oder Zwischenstufengefüge<br />

umgewandelt werden.<br />

FO Dilatometerkurve beim Erwärmen und<br />

Abschrecken Domke S121<br />

zeigt starke Verlagerung des<br />

Umwandlungspunktes in tiefe Temperaturen<br />

beim Abschrecken (Hysterese).<br />

Legierungselemente Cr, W, Mn, V fördern<br />

den Vorgang.<br />

Anlassen bei 100 .. 300°C<br />

Wandelt etwas Martensit in<br />

Zementit<br />

Zweck: Senkt die Sprödigkeit und<br />

mindert die Gefahr der Härterisse.<br />

Zur Minderung der Härterisse soll gehärteter <strong>Stahl</strong> 45’ auf<br />

100..150°C angelassen werden (Domke7 S.126).<br />

Anlassfarben s. EuroTabM bunte Seiten.<br />

Anlassfarben entstehen durch dünne Oxidschichten.<br />

Anlassen soll unmittelbar nach dem Abschrecken erfolgen,<br />

da Härterisse noch Stunden später erfolgen können<br />

Je nach Abschreckmittel und Dicke sind die Vorgänge am Rand und im Innern stark<br />

unterschiedlich.<br />

Durchhärten bei größeren Querschnitten (Martensitbildung) ist nur bei legierten Stählen zu<br />

erreichen. Ferritbildung ist zu vermeiden (weich, kleines Re).<br />

Die Diagramme geben an, welche Phasen aus dem Austenit entstehen, wenn eine<br />

bestimmte Abkühlung über der Zeit erreicht wird. Verläuft die Kurve erst über Ferrit und<br />

Perlit, so bildet sich erst Ferrit aus dem Austenit, dann Perlit aus dem Restaustenit. Bainit<br />

oder Zwischenstufe ist ein Gemenge <strong>von</strong> übersättigtem Ferrit mit eingelagerten Karbiden.<br />

Im unteren Bereich der Zwischenstufe werden sie sehr fein und ergeben gute Zähigkeit bei<br />

hoher Streckgrenze. Bei legierten Stählen ist die Bainitstufe besonders ausgeprägt.<br />

ZTU-Schaubilder für isotherme Abkühlung gelten für dünne Werkstück, die schroff auf eine<br />

bestimmte Temperatur abgekühlt und dann dort gehalten werden.<br />

Ültg: Warum nicht einfach immer mit Wasser abschrecken ?<br />

AM gerissene Härteteile<br />

Abschrecken führt zu Vibrationen (Böge7 S.134) ?<br />

Vermindern z.B. durch gebrochenes Härten: Abschrecken in Wasser, bis 200 .. 300°C<br />

(Perlitbildung wird schnell durchlaufen) und weiteres Abschrecken in Öl (Zwischenstufe wird<br />

langsam durchlaufen).<br />

FO Abkühlungsgeschwindigkeit Böge S.133<br />

Die Lage des Abschreckmaximums hängt mit der Verdampfungstemperatur zusammen.<br />

Abschreckmittel werden nach gewünschter Abschreckgeschwindigkeit gewählt.<br />

Legierungselemente behindern die Umwandlung Austenit zu Perlit und fördern dadurch die<br />

Martensitbildung. Hochlegierte Stähle werden an Luft abgeschreckt und härten dennoch<br />

vollständig durch. Man unterscheidet Wasser-, Öl- und Lufthärter. Beim Eintauchen ins<br />

Kühlmedium müssen bestimmte Regeln beachtet werden.<br />

Moderne Härteöfen fahren die Abkühlungskurven NC-gesteuert (z.B. bei ABB bis 300°C/s ?<br />

).<br />

EuroTabM39 S.158 „Vergütungsstähle -<strong>Wärmebehandlung</strong><br />

Innere Vorgänge beim Anlassen hochlegierter Stähle: Ab ca. 400°C entkommen einige C-<br />

Atome, aus Martensit-Nadeln bilden sich Ferrit- und Zementit-Nadeln. Das Ferrit bringt<br />

Zähigkeit, ist aber sehr feinkörnig, sodass die Festigkeit höher als bei normalgeglühtem<br />

<strong>Stahl</strong> ist. Ab ca. 550°C zerfällt der Martensit voll ständig. Ab ca. 700°C ballen sich Zementit-<br />

Nadeln zu Zementitkörnern, dies erhöht die Zähigkeit durch feineres und gleichmäßigeres<br />

Gefüge, Härte und Festigkeit nehmen ab. Vergütete Stähle haben bei gleicher Zugfestigkeit<br />

eine höhere Zähigkeit als normalgeglühte Stähle.<br />

FO Vergütungsschaubild C45 Böge7 S.135<br />

FO Vergütungsschaubilder verschiedener Stähle EuroM50 S215"<br />

Als Ausgangsgefüge sind u.U. auch Perlitvarianten (Troostit, Sorbit) oder<br />

Zwischenstufengefüge geeignet, d.h. das Abschrecken muss nicht so scharf erfolgen.<br />

Vergütungsstähle EuroTabM39 S.158 „Vergütungsstähle“

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Oberflächenhärten<br />

für verschleißfeste Oberfläche<br />

und zähen Kern.<br />

<strong>Abschreckhärten</strong><br />

C-Gehalt und Abschreckgeschwindigkeit sind nur an<br />

der Oberfläche groß genug ¡¢¡£¤¥¦¦§¨©���������������§¨©���<br />

Ein<br />

AM Nockenwelle, Zahnrad o.ä.<br />

AM Kurvenscheibe (nur mit FO)<br />

z.B. für Zahnräder, Nocken und Lagerflächen <strong>von</strong> Nockenwellen, Kurvenscheiben<br />

Nitrierhärten<br />

Bildung sehr harter Nitride<br />

in der Randschicht<br />

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Verfahren Einsatzhärten Randschichthärten<br />

Werkstoffe / Vorgang<br />

Randschicht wird ....<br />

St mit C