Merkblatt 450 Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Stahl-Informations-Zentrum
Merkblatt 450 Stahl-Informations-Zentrum Das Stahl-Informations-Zentrum ist eine Gemeinschaftsorganisation Stahl erzeugender und verarbeitender Unternehmen. Markt- und anwendungsorientiert werden firmenneutrale Informationen über Verarbeitung und Einsatz des Werkstoffs Stahl bereitgestellt. Verschiedene Schriftenreihen bieten ein breites Spektrum praxisnaher Hinweise für Konstrukteure, Entwickler, Planer und Verarbeiter von Stahl. Sie finden auch Anwendung in Ausbildung und Lehre.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Inhalt 1 1.1 1.2 1.3 2 2.1 2.2 2.3 2.4 Seite Härten, Anlassen, Vergüten und Bainitisieren zum Verbessern der Gebrauchseigenschaften von Bauteilen und Werkzeugen aus Stahl ..... 4 Zweck des Wärmebehandelns .......... 4 Ziel des Härtens, Anlassens, Vergütens, Bainitisierens ................... 4 Ablauf des Wärmebehandelns .......... 5 Einfluss einer ZeitTemperatur-Folge auf den Gefügezustand der Stähle ........................
Merkblatt 450 1 Härten, Anlassen, Vergüten und Bainitisieren zum Verbessern der Gebrauchseigenschaften von Bauteilen und Werkzeugen aus Stahl 1.1 Zweck des Wärmebehandelns Der Werkstoffzustand, in dem Bauteile und Werkzeuge aus Stahl hergestellt und bearbeitet werden, erfüllt nur selten gleichzeitig auch die Anforderungen, die sich aus dem Verwendungszweck ergeben. Es ist daher notwendig, den Werkstoffzustand durch Wärmebehandeln so zu verändern, dass z. B.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Erwärmung Behandlung messtechnischem Aufwand vorgenommen werden, so dass statt dessen meist die Ofenverweildauer als Kontrollgröße herangezogen werden muss. Bei der Verwendung von Salzschmelzen für die Wärmeübertragung ist in diesem Zusammenhang der Begriff Tauchdauer üblich, womit die Zeitspanne vom Einbringen eines Werkstücks in die Salzschmelze bis zu seiner Entnahme gemeint ist.
Merkblatt 450 1600 Erstarrungspunkt 1536º Temperatur [ºC] 1400 Schmelzpunkt 1536º δ-Eisen (krz) Ar4 1392º Ac4 1392º 1200 γ-Eisen (kfz) 1000 Ac3 911º Ar3 911º 800 600 Ar2 769º α-Eisen (krz) Ac2 769º 400 Zeit 0,1 mm Bild 4: Abkühlkurve (links) und Erwärmkurve (rechts) von reinem Eisen Das kubisch raumzentrierte Gittersystem enthält zwei Eisenatome je Elementarzelle. Der Abstand der Eckatome voneinander beträgt 0,286 nm.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Der Ablauf des Austenitisierens ist hier entlang der eingezeichneten Erwärmungskurven abzulesen. Es ist zu erkennen, dass die Umwandlung zwar früher einsetzt, aber höhere Temperaturen erfordert, wenn das Erwärmen rascher vorgenommen wird. Der Darstellung ist auch zu entnehmen, dass bei einem stetigen Erwärmen schon etwas Austenit entsteht, bevor die Endtemperatur erreicht wird.
Merkblatt 450 Erwärmgeschwindigkeit [ºC/s] 2400 1000 300 100 30 10 3 1 it“ ten us rA ne ge mo ho „in 1300 Acc 1200 0,22 0,05 „homogener Austenit“ A Temperatur [ºC] 1100 Austenit + Carbide 1000 Ac1e Ac1b 900 Ferrit + Austenit + Carbide 800 Ferrit + Carbide (Weichglühgefüge) Ac2 700 0,1 1 10 102 Zeit [s] 103 104 105 Bild 8: ZTA-Schaubild für kontinuierliches Erwärmen des Stahls X37CrMoV5-1 Es ist zu beachten, dass jedes ZTA-Schaubild nur für eine ganz bestimmte Stahlzusammensetzung und e
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Lagenbereich für die Fe-Atome Wahrscheinliche Lage der C-Atome 10 µm Bild 9: Martensitgitter pisch deutlich von dem von Ferrit, Perlit oder Bainit und wird als Martensit bezeichnet, siehe Bild 10.
Merkblatt 450 Austenitisiertemperatur: 850 ºC 900 800 700 Temperatur [ºC] Austenit 10 600 500 0,008 0,015 Ms 30 40 Ferrit 60 Perlit 70 0,6 2,2 80 85 45 55 85 3 1 35 10 400 20 15 0,025 0,04 0,1 0,25 20 ºC/min 1,25 ºC/min Bainit 2 15 Anteil Bainit in % 20 3 300 Martensit 200 100 722 682 654 570 430 318 278 244 228 213 174 0 0,1 1 102 10 103 104 105 Sekunden = Härtewerte in HV 1 – 85 = Gefügeanteil in % 0,008 – 2,2 = Abkühlparameter λ (λ · 102 = Abkühldauer 800/500 ºC in
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Austenitisiertemperatur: 850 ºC 900 800 700 Ferrit Temperatur [ºC] Austenit 0,012 0,02 0,03 0,06 500 Perlit 5 600 0,10 0,20 0,25 0,40 1,0 35 35 3565 40 60 62 65 25 30 15 40 20 ºC/min 5 ºC/min 10 ºC/min 2,5 ºC/min 1,25 ºC/min 1,5 2,5 6,5 Bainit 400 Ms 5 300 15 45 60 80 90 92 90 57 28 2 Martensit 200 2 0 3 5 10 7 7 Anteil Bainit in % 2 Restaustenitgehalt in % 5 100 680 660 650 640 625 600 525 470 380 310 300
Merkblatt 450 Mn Ni Temperatur Si 3 Härten durch Gefügeumwandlung im Martensitbereich Geringe Keimzahl (Erschmelzung), grobes Austenitkorn, langes Halten, hohe Härtetemperatur, C bis 0,9 Masse-% Mn, Ni, Mo, Cr, V PerlitBereich Cr Mo V Hohe Keimzahl (Erschmelzung), feines Austenitkorn, niedrige Härtetemperatur, C über 0,9 Masse-% Mn Ni Hohe Härtetemperatur, Ferrrit-Vorausscheidung C, Cr, Mn, Ni, V BainitBereich 3.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Erreichbare Höchsthärte = 35 + 50 · C-Gehalt in Masse-% ± 2 [HRC] Der Zusammenhang gilt für legierte Stähle ebenso wie für unlegierte. Enthält das Gefüge nach dem Härten außer Martensit auch andere Gefügebestandteile, kann die oben angegebene Beziehung ebenfalls zur Abschätzung der erreichbaren Härte benützt werden, wenn der Wert 35 durch einen niedrigeren Wert ersetzt wird.
Merkblatt 450 60 55 50 Härte [HRC] Stirnfläche der Probe gerichtet ist, abgeschreckt. Dadurch wird der Probe die Wärme hauptsächlich so entzogen, dass sich in Längsrichtung, mit zunehmendem Abstand von der abgeschreckten Stirnfläche, abnehmende Abkühlgeschwindigkeiten ergeben. Dementsprechend unterschiedlich verläuft die Umwandlung über die Probenlänge.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren 3.1.4 Anwendung des Stirnabschreckversuchs für die Stahlauswahl Die von der Härte abhängenden Bauteileigenschaften lassen sich nur dann mit hoher Sicherheit erreichen, wenn die Härtbarkeit des verwendeten Stahls auf die in der Fertigung vorliegenden Bedingungen beim Härten sorgfältig abgestimmt ist.
3.1.5 Beurteilung der Härtbarkeit mit Hilfe des ZTU-Schaubildes Eine grobe Abschätzung der nach einem Härten zu erwartenden Härte kann auch mit Hilfe des ZTU-Schaubildes des betreffenden Stahles vorgenommen werden. Dies setzt jedoch voraus, dass der Abkühlverlauf bzw. die Abkühlgeschwindigkeit an den maßgeblichen Stellen des Querschnitts eines Bauteils bekannt ist. Häufig kann der Abkühlverlauf unter Betriebsbedingungen nicht gemessen werden, so dass man auf eine Abschätzung angewiesen ist.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Abkühlparameter λ (Abkühldauer von 800 º – 500 ºC in s · 10-2) 400 ø = 800 mm ø = 700 mm 200 1 ºC/min 1,25 ºC/min 100 80 ø = 600 mm 2,5 ºC/min ø = 500 mm 60 ø = 400 mm 40 5 ºC/min 20 10 ºC/min ø = 300 mm ø = 200 mm Abkühlkurve für den Kern von Rundkörpern 10 8 20 ºC/min ø = 100 mm 6 4 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 Abstand vom Rand [mm] Bild 24: Abkühlparameter für das Abkühlen von Rundstäben an Luft werden,
Merkblatt 450 3.3 Abkühlen bzw. Abschrecken 3.3.1 Stetiger Abkühlverlauf Umwandlungstemperatur [ºC] Um die Härtung herbeizuführen, muss nach dem Austenitisieren so abgekühlt werden, dass die Umwandlung möglichst ausschließlich im Bereich der Martensitstufe erfolgt. Die hierfür erforderliche Abkühlgeschwindigkeit wird als kritische Abkühlgeschwindigkeit für die Martensitstufe bezeichnet.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren 3.3.
Merkblatt 450 3.4.1 Festigkeit und Härte Das durch Härten angestrebte Ziel ist eine möglichst vollständige Umwandlung in der Martensitstufe. Die dadurch erreichbare Härte ergibt sich aus der Martensitmenge und dem Kohlenstoffgehalt, der im Austenit gelöst war, und kann nach dem in 3.1.1 dargestellten Zusammenhang ermittelt werden. Dabei ist zu beachten, dass die erreichbare Härte bei Stählen höchstens 65 HRC betragen kann.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren 3.4.2 Formänderungsvermögen Das Formänderungsvermögen nimmt im Allgemeinen mit steigender Festigkeit ab, wie am Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Bruchdehnung A5 und der Brucheinschnürung Z mit der Festigkeit in Bild 30 zu sehen ist. Das bedeutet, dass mit steigender Härte die plastische Verformbarkeit abnimmt, was besonders bei stark gekerbten Bauteilen und beim Richten verzogener Teile durch Biegen zum Bruch führen kann.
Merkblatt 450 stückrand Spannungen hervorrufen, die zu plastischen Verformungen des langsamer abkühlenden, noch voll austenitischen – und „weicheren“ – Werkstückinneren führen. Dazu kommt die Überlagerung mit den Volumenkontraktionen infolge der Temperaturabnahme beim Abkühlen, die ihrerseits ebenfalls Spannungen erzeugen können. Entsprechend diesen Wechselbeziehungen sind die auftretenden Maß- und Formänderungen ganz unterschiedlich.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren 10 µm Bild 33: Lichtmikroskopische Aufnahme von Bainit beim Stahl 100Cr6 erwärmt und gehalten werden, um den austenitischen Zustand herbeizuführen und eine ausreichende Menge Kohlenstoff im Austenit in Lösung zu bringen. Als Austenitisiertemperatur wird meist die untere Grenze des für das Härten zweckmäßigen Temperaturbereichs gewählt.
Merkblatt 450 70 60 50 Auswirkung von Carbidausscheidungen 0,5–0,7 %C 0,4–0,5 %C 40 Härte Härte [HRC] Auswirkung der Austenitumwandlung 0,7–1,1 %C 0,3–0,4 %C 30 0,2–0,3 %C Beobachtete Anlasskurve von Schnellarbeitsstahl 0,1–0,2 %C 20 Auswirkung des Martensitzerfalls 10 Angaben in Massenanteilen 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Anlasstemperatur [ºC] Bild 34: Anlasskurven unlegierter Stähle ratur und Ac1 und Halten auf dieser Temperatur mit nachfolgendem zweckentsprechendem Abkühlen zu vers
Legierungselement Vanadium Molybdän Chrom Silizium Mangan Nickel Temperaturerhöhung in °C 23 20 9 7 5 1 700 Dauer: 600 500 55 55 50 50 45 45 40 35 30 Dauer: 200 h 40 h 2h 25 Härte [HRC] Härte [HRC] zunehmendem Gehalt an Legierungselementen. Insbesondere sind Stähle mit Vanadium, Chrom, Molybdän oder Kobalt anlassbeständiger. In Bild 35 ist das typische Anlassverhalten unterschiedlicher Stähle gegenübergestellt.
Merkblatt 450 Im Allgemeinen nehmen durch das Anlassen Härte und Festigkeit ab, und das Formänderungsvermögen nimmt zu, auch die Eigenspannungen können sich verringern. Das spezifische Volumen nimmt bei restaustenitfreien Gefügen ab, vgl. Bild 31. Bei restaustenithaltigen Gefügen finden bei einer Umwandlung von Restaustenit zu Martensit jedoch eine Härtesteigerung und eine Volumenzunahme statt.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Temperatur – im „vorvergüteten“ Zustand – weiter zu bearbeiten. Erst im Anschluss hieran erfolgt das eigentliche Härten und Anlassen auf die erforderlichen Gebrauchseigenschaften. Diese Methode hat sich bewährt, wenn besonders hohe Ansprüche an das Maß- und Formänderungsverhalten gestellt werden.
Merkblatt 450 28 Austenitisieren Härtetemperatur Vorwärmen Abschrecken in Öl Temperatur ≈ 650 ºC Abschrecken in Salzwasser Vorwärmen 300 – 450 ºC Abfangen Anlassen Ausgleichen Anlasstemperatur 100 – 150 ºC 80 – 100 ºC Abkühlen an Luft RT Zeit Bild 40: Zeit-Temperatur-Folge beim Härten von Werkzeugen aus unlegierten Werkzeugstählen (schematisch) Austenitisieren Härtetemperatur Vorwärmen ≈ 850 ºC Härtetemperatur > 900 ºC Abkühlen an Luft Abschrecken im Warmbad Abschrecken in Öl Vorwärmen ≈ 65
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren verzichtet werden. Bei unverpackten Werkzeugen ist es zweckmäßig, diese im Kammerofen bei ca. 500 °C bis zum Temperaturausgleich zu halten. Die erforderliche Verweildauer im Kammerofen bis zur ausreichenden Austenitisierung hängt von den Werkzeugabmessungen und der Ofengröße sowie dessen Heizleistung ab. Gegebenenfalls muss der Erwärmungsverlauf am Werkzeug gemessen werden.
Merkblatt 450 160 Abkühldauer [min] 140 120 Abkühlen von 1250 ºC bzw. 550 ºC auf 100 ºC an ruhender Luft 100 80 60 Abkühlen von 1250 ºC auf 550 ºC in Salzschmelze 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Durchmesser bzw. Dicke von quadratischen oder rechteckigen Querschnitten [mm] Bild 43: Abkühldauer im Kern von Werkzeugen mit kreisrundem Querschnitt an unbewegter Luft bzw.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren austenit durch das Anlassen bei den üblichen Temperaturen oberhalb von 550 °C nahezu vollständig umgewandelt wird. 6.4 Bainitisieren Das Bainitisieren wird vorzugsweise bei Bauteilen angewendet. Für die erforderliche Zeit-Temperatur-Folge gelten die in 4.2 beschriebenen Zusammenhänge. Die Vorgehensweise für den ersten Schritt des Bainitisierens, das Austenitisieren, entspricht der beim Härten, siehe 6.2.
Merkblatt 450 68 Bild 45: Einfluss unterschiedlicher Härtetemperaturen auf den Verlauf der Anlasskurve von Schnellarbeitsstahl (schematisch) Härte [HRC] 66 64 62 60 sehr stark unterhärtet untere Härtetemperatur mittlere Härtetemperatur hohe Härtetemperatur 58 56 0 100 zum Schutz gegen Oxidation in Anlass-Kammeröfen angelassen. Salzbadgehärtete Werkzeuge werden meist auch in Salzbadtiegelöfen angelassen.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren 6.6.2 Mittel zum Abkühlen bzw. Abschrecken Das Abkühlen bzw. Abschrecken erfolgt in gasförmigen oder flüssigen Mitteln. Für die Auswahl sind hauptsächlich Form und Abmessungen der Werkstücke, die Härtbarkeit der Werkstoffe, die Härtetemperatur, die erforderliche Abkühlwirkung sowie der zur Wärmebehandlung verwendete Ofen maßgebend. 6.6.2.
Merkblatt 450 „Dengeln“ (Erzeugen von Druckstellen) mit einem Richthammer oder Verformen (Biegen des abgeschreckten bzw. gerade abkühlenden Werkstücks) unter einer Richtpresse, in einer Richtmaschine, auf einer Richtbank, durch örtlich begrenztes Erwärmen oder Abkühlen von Härtetemperatur in Vorrichtungen („Quetten“), die Maßund/oder Formänderungen verhindern, vorgenommen werden.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren sind hauptsächlich folgende Grundregeln zu beachten: • Günstige Massenverteilung, z. B. durch Zusatzbohrungen oder Aussparungen, anstreben, siehe z. B. Bild 48. • Zu schroffe Querschnittsübergänge durch ausreichendes Abrunden oder Abschrägen vermeiden. Dadurch kann die Spannungsspitzen hervorrufende Kerbwirkung vermindert werden, siehe Bild 49. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, die endgültige Form erst nach dem Härten herzustellen.
Merkblatt 450 Zu großer Verzug entsteht durch zu große und meist ungleichmäßig verteilte Wärme- und/oder Umwandlungsspannungen infolge eines zu raschen oder ungleichmäßigen Erwärmens, ungleichmäßigen Austenitisierens, eines örtlichen Auf- oder Entkohlens oder eines zu raschen bzw. ungleichmäßigen Abkühlens. Diese Ursachen, in Verbindung mit einem unzureichenden oder nicht rechtzeitigen Anlassen, können in ungünstigen Fällen auch zu Rissen führen.
Wärmebehandlung von Stahl – Härten, Anlassen, Vergüten, Bainitisieren Thelning, K.-E.: „Steel and its Heat Treatment“, Bofors Handbook, Butterworths, London and Boston, 1975 VDEh, verschiedene Autoren: „Werkstoffkunde Stahl – Band 1: Grundlagen“, Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 1984 Wegst, C. W.: „Stahlschlüssel“, Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH, Marbach, 2004, 20.
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