Kategorie-Archiv: Wärmebehandlung

Glühverfahren

Die Grundlage für alle Glühverfahren des Stahls bildet das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. Die Erwärmung und Abkühlung laufen dabei gleichgewichtsnah ab. Je nach gewählten Glühverfahren findet dabei die Wärmebehandlung in einem bestimmten Temperaturfenster statt.

Glühverfahren, Bild: © Patrick Schilg

Diffusionsglühen

Das Diffusionsglühen findet bei Temperaturen von 1050 – 1300°C und langen Haltezeiten bis 50h statt. Die Abkühlung erfolgt langsam.

Es sollen Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden und versprödend wirkende Phasen aufgelöst werden. Dabei ist jedaoch darauf zu achten, dass kein Kornwachstum stattfindet und die Verzunderung/Entkohlung in Grenzen gehalten wird.

Spannungsarmglühen

Das Spannungsarmglühen findet bei Temperaturen unterhalb von Ac1 statt, genauer bei 450 – 650°C und langen Haltezeiten von 1 bis 2h. Die Erwärmung und Abkühlung erfolgt sehr langsam.

Es sollen innere Spannungen (Eigenspannungen) abgebaut werden. Dabei steht gleichzeitig die Forderung nach keiner Gefügeveränderung und keine Beeinflussung der übrigen Werkstoffeigenschaften. Dies ist aber nur möglich wenn eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Werkstück vorherrscht. Ebenfalls ist ein vollständiger Spannungsabbau nie möglich, es bleiben immer Restspannungen vorhanden.

Rekristallisationsglühen

Das Rekristallisationsglühen findet bei Temperaturen unterhalb von Ac1 und oberhalb der Rekristallisationstemperatur eines Werkstoffes statt, genauer bei 400 – 700°C. Die Haltezeit ist abhängig von der gewählten Temperatur, sie kann wenige Minuten bis mehrere Stunden betragen. Die Abkühlung erfolgt langsam. Einen Abschätzung der Rekristallistationstemperatur kann mit trek getroffen werden.

Das Hauptziel ist die Beseitigung von Verfestigungen durch Kaltumformungen. Die plastische Verformbarkeit eines Werkstoffes kann dadurch wieder hergestellt werden –> Duktilität nimmt zu! Ebenfalls ist es möglich die Korngröße über den Umformgrad vor der Rekristallisation einzustellen.

Schritte der Rekristallisation:

  1. Ausgangszustand ist ein kaltverformter Zustand mit erhöhter Versetzungsdichte
  2. Kristallerholung
  3. Keimbildung
  4. Keimwachstum
  5. vollständige Rekristallisation
  6. Kornwachstum
  7. Sekundärrekristallisation (unerwünscht da ungleichmäßige Zunahme der Kirstallitgröße)

Grobkornglühen

Das Grobkornglühen findet bei Temperaturen von mindestens 150 K oberhalb von Ac3 statt. Die Haltezeit ist abhängig von der Glühtemperatur, sie beträgt in der Regel aber mehrere Stunden. Die Abkühlung erfolgt langsam bei Kohlenstoffreichen Stählen. Je langsamer das abkühlen stattfindet, desto gröber wird das Ferritkorn –> Ofenabkühlung ist optimal für hohe Korngrößen.

Das Hauptziel ist wie der Name des Verfahrens schon sagt eine Vergröberung des Gefüges. Es wird durchgeführt  um günstige Zerspanungseigenschaften für untereutektoide Stähle einzustellen. Ebenfalls wird die Oberflächengüte und Maßgenauigkeit verbessert beim Spanen.

Stähle die Ausscheidungen besitzen sind bedingt für das Grobkornglühen geeignet, da Ausscheidungen das Kornwachstum behindern!

Weichglühen / Glühen auf kugelige Karbide

Der Temperaturbereich beim Weichglühen / Glühen auf kugelige Karbide ist in 2 Bereiche unterteilt:

  1. untereutektoide Stähle dicht unterhalb Ac1
  2. übereutektoide Stähle Pendelglühen um Ac1

Die Haltezeiten betragen bis 100 h und Abkühlung erfolgt langsam. Das Weichglühen wird durchgeführt um Karbide einzuformen und dadurch einen optimalen Ausgangszustand für eine spanlose / spannende Weiterverarbeitung zu gewährleisten. Durch die gleichmäßige Verteilung der Karbide ist dies ebenfalls ein optimaler Ausgangszustand für das Härten.

Normalglühen

Der Temperaturbereich beim Normalglühen ist ebenfalls in 2 Bereiche unterteilt:

  1. untereutektoide Stähle 30 – 50 K oberhalb Ac3 , legierte Stähle aber 50 – 100 K oberhalb Ac3
  2. übereutektoide Stähle 30 – 50 K oberhalb Ac1

Es soll ein gleichmäßiges, globulitisches und feinkörniges Gefüge eingestellt werden.  Ebenfalls werden Vorbehandlungszustände beseitigt und ein Vergleichsgefüge zur Werkstoffcharakterisierung eingestellt.

Haltezeitempfehlung:             t = [ 20 + halber Durchmesser in mm ] min

Die Abkühlung muss der Werkstoffcharakteristik angepasst werden. Unlegierte Stähle werden Luftabgekühlt und legierte Stähle Ofenabgekühlt.

Allgemeine Prozessgrundlagen der Wärmebehandlung

Erwärmen und Halten

Es gibt verschiedene Methoden um ein Material zu erwärmen. Manche sind volumenerfassend und manche nur oberflächenerfassend. Die Wahl der Erwärmung ist daher sehr wichtig, ob ein Material durchheizgt werden muss oder ob es ausreicht nur die Oberfläche zu erwärmen.

  • volumenerfassend sind Ofenerwärmung und Erwärmung mittels Stromdurchgang
  • oberflächenerfassend sind Induktionserwärmung, Laser- oder Elektronenstrahl und die Gasflamme

Bei Erwärmung erfahren die Gitterbausteine eine höhere thermische Schwingung. Dies bewirkt Materialausdehnung, Leerstellenerhöhung, Diffusion ab 0,4 der Schmelztemperatur und bei polymorphen Werkstoffen treten Gitterumwandlungen auf.

Die Wärmeleitung ist Materialabhängig und geschieht über die Mechanismen der Wärmestrahlung, Konvektion und Wärmeleitung. Je mehr Legierungselemente ein Stahl aufweist, desto länger muss erwärmt werden bis alle Legierungselemente in Lösung gegangen sind.

Haltezeitempfehlung:       20 min + ( D/2 in mm) –> XX min

Abkühlen

Alle Glühverfahren werden mit gleichgewichtsnahen Abkühlbedingungen durchgeführt. Das Härten geschieht unter gleichgewichtsfernen Abkühlbedingungen. Durch die Abkühlung verringern sich die thermischen Schwingungen der Gitterbausteine, es findet Materialkontraktion statt und die Leerstellenkonzentration wird kleiner. Je nach dem wie schnell abgekühlt wird vollzieht sich eine diffusionsgesteuerte oder diffusionslose Phasenumwandlung.

Die Abkühlbeschwindigkeit ist stark medienabhängig. Ofen- oder Luftabkühlung sind sehr langsam so dass die Bedingungen sehr gleichgewichtsnah sind. Eine Abkühlung in Öl, Wasser oder einem Salzbad erhöht die Abkühlgeschwindigkeit sehr stark, so dass gleichgewichtsferne Zustände im Material eintreten wie ein Martensitisches Gefüge.

Bei beschleunigten Abkühlen in Flüssigkeiten tritt das sogenannte Leidenfrostsche Phänomen auf. Die meist nah an 1000°C warmen Bauteile bilden beim eintauchen in die Flüssigkeit eine Dampfhautphase aus, die wärmeisolierend wirkt. Sie verringert stark die Abkühlgeschwindigkeit. Durch schwenktbewegungen und weitere Abkühlung bricht die Dampfhaut langsam ein und die Kochphase beginnt. In dieser Phase sind nur noch Dampfblasen um das Bauteil und die Abkühlgeschwindigkeit beschleunigt sich stark. Durch weitere Abkühlung bilden sich auch keine Dampfblasen mehr aus und die Konvektionsphase läuft ab.

Leidenfrostsches Phänomen, © Patrick Schilg
Leidenfrostsches Phänomen, © Patrick Schilg

Atmosphären

Man muss sich bewusst sein dass bei erhöhten Temperaturen immer Wärme- und Stoffaustauschprozesse stattfinden. Es könnten unbeabsichtigte oder erwünscht Reaktionen ablaufen. Zu den unerwünschten Zählen oftmals Oxidation, Entkohlung und Aufkohlung. Diese werden vermieden durch Entfernung der reaktiven Substanzen mittels Vakuum oder eines reaktionsträgen Gases (Schutzgas).

  • Schutzgas –> Stoffaustausch verhindern
  • Reaktionsgas –> gezielter Stoffaustausch

Ein Qualitätsmaß für Gase ist der Taupunkt, es gilt je niedriger desto besser. Schutzgase verhindern aber nicht nur  Stoffaustausch, sie können auch eine besondere Wirkung auf das Bauteil ausüben. Reduzierende Schutzgase sind z.B. CO oder H2.

Aufgaben der Wärmebehandlung

Die Aufgaben der Wärmebehandlung sind klar und eindeutig:

  • Einstellen von Gebrauchseigenschaften
  • Einstellen von Verarbeitungseigenschaften
  • Beseitigung von Eigenspannungen
  • Beseitung einer Kaltverfestigung
  • Beseitigung von Seigerungen
  • Einstellen der vollen Wirksamkeit der Legierungselemente

Man stellt sich am besten immer die Frage „Was soll verändert werden?“. Die Festigekeit, Härte, Zähigkeit, Zerspanbarkeit oder Umformbarkeit . . . . Daraufhin wählt man das am besten passende Wärmebehandlungsverfahren aus. Diese können sein:

  • Normalglühen, Härten und Vergüten
  • Grobkornglühen
  • Weichglühen
  • Spannungsarmglühen
  • Rekristallisationsglühen
  • Diffusionsglühen
  • Lösungsglühen und Aushärten

Alle Verfahren laufen nach dem Grundprinzip erwärmen, halten und abkühlen ab (T-t-Regime). Man trifft die Wahl der Anlage, Aufheizgeschwindigkeit, Haltezeit und -temperatur, Atmosphäre, Abkühlgeschwindigkeit und -medium. Die Probengröße hat wesentlichen Einfluss auf die Haltezeit.

  • thermisch dickes Material –> große Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern
  • thermisch dünnes Material –> kaum Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern

Carbonitrieren und Borieren

Carbonitrieren
Beim Carbonitrieren wird die Oberfläche gleichzeitig mit Stickstoff und Kohlenstoff angereichert. Durch das gleichzeitige Eindiffundieren von Kohlenstoff und Stickstoff werden die Umwandlungspunkte herabgesetzt und die kritische Abkühlgeschwindigkeit verringert (Härtbarkeit wird verbessert). Bei Temperaturen zwischen 700° und 900°C wird das Carbonitrieren durchgeführt.

Gascarbonitrieren
Beim Gascarbonitrieren wird ein endothermes Trägergas mit  Kohlenwasserstoff und Ammoniak zugesetzt und bei Temperaturen von 700° bis 900°C um das Werkstück geleitet.

Badcarbonitrieren
Das Badcarbonitrieren erfolgt in einem cyanhaltigen Salzbad. Durch das Bad wird der Kohlenstoff und Stickstoff gleichzeitig aufgenommen. Wenn man in speziellen Salzbädern mit einem geringen Cyanat- und einem hohem Cyanitgehalt carbonitriert, kann die Stickstoffanreicherung bei gleichzeitiger Aufkohlung erhöht werden.
Wird das Carbonitrieren bei Temperaturen von 800° bis 900°C durchführt, bildet sich nach dem Abschrecken eine martensitische Randzone. Wenn man jedoch bei Temperaturen von 700° bis 750°C nitriert hat sich nach dem Abkühlen eine harte verschleißfeste Verbindungsschicht mit einer martensitischen Randzone gebildet.
Das Carbonitrieren wird für Werkzeuge (Dorne, Gesenke, …) und Bauteile (Laufbuchsen, Getriebeteile, …) verwendet.

Borieren
Beim Borieren wird an der Oberfläche des Stahles eine Boridschicht (FeB, Fe2B) gebildet.
Das Borieren erfolgt in einer gasförmigen oder festen Atmosphäre oder in einem Salzbad bei Temperaturen von ca. 900° bis 1100°C. Dabei werden Schichtdicken von bis zu 200µm. Es sollte immer härtbarer Stahl verwendet werden, da dieser eine genügend große Stützwirkung für die Boridschicht aufweist. Nach dem Borieren kann man auch noch andere Wärmebehandlungen durchführen, da die Boridschicht sich nicht zersetzt. Der Verschleißwiderstand wird durch die hohe Härte (1700 bis 1900HV) erheblich erhöht.

Einsatzhärten

Das Einsatzhärten setzt sich zusammen aus Aufkohlen und Härten von Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 bis 0,25%. Das Aufkohlen geschieht in verschiedenen Medien bei Temperaturen zwischen 850°C und 950°C. Die einzelnen Verfahren werden im Folgenden Text beschreiben.

Pulveraufkohlung
Bei der Pulveraufkohlung werden anorganische (Koks) und organische Stoffe (Holz, Knochen,…) unter einem Zusatz von Aktivatoren verwendet. Die Anreicherung des Kohlensstoffs erfolgt durch eine chem. Reaktion von Kohlenstoff und Sauerstoff. Die Aktivatoren begünstigen diese Reaktion.

Gasaufkohlung
Wie das Gasaufkohlen schon sagt, werden speziell aufbereitete Gase (Erdgas, Ferngas,…) oder inertes Gas (Stickstoff) verwendet. Diesem Gas werden geringe Mengen von Alkane, meist Propan, hinzugefügt.
Eine ähnliche Methode wird mehr und mehr in Härterein eingeführt. Bei dieser werden Gemische aus höheren org. Verbindungen (Terpentin, Ethylalkohol, …) in heiße Retortenofen eingeführt und durch Ni-Katalysatoren zerlegt.

Salzbadaufkohlung
Beim Salzbadaufkohlen unterscheidet man in 2 Methoden: Aufkohlen in Cyanidbädern und Aufkohlen in cyanidfreien Bädern.
Da in dem Salzbad auch Stickstoff enthalten ist, kann eine Stickstoffaufnahme stattfinden. Diese kann sich ungünstig auf die weitere Spannende Verarbeitung des Werkstückes auswirken.
Des Weiteren sind Cyanidbäder gefährlich für die Umwelt und den Menschen. Man sollte die vorgeschriebenen Maßnahmen einhalten. Aus diesem sollte man cyanidfreie Salzbäder verwenden. Dieses Verfahren wird heute kaum noch verwendet da es eine hohe Belastung für die Umwelt darstellt.

Vor- und Nachteile der Verfahren
Die Pulveraufkohlung ist besonders für große Aufkohlungstiefen und Einzel-anfertigungen geeignet. Nachteilig ist aber der große manuelle Aufwand und das man die Aufkohlungsbedingungen schlecht beeinflussen kann.
Wenn man Serien- oder Massenfertigung betreibt, sollte man die Gasaufkohlung verwenden, weil sich die Aufkohlungsbedingungen gut variieren lassen. Nachteilig ist nur der hohe Anschaffungspreis zu sehen.
Die Salzbadaufkohlung verwendet man für kleine Aufkohlungstiefen, da schon bei einer geringen Tauchdauer eine ausreichend große Aufkohlung erfolgt. Würde man zu lange im Salzbad Aufkohlen, dann wird das Werkstück angegriffen

Die Stähle haben jetzt einen unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt. Wenn man aber den Stahl Härten möchte, geht man nach dem Kohlenstoffgehalt. Man muss sich entscheiden zwischen Randhärtetemperatur (C-Gehalt Rand) und der Kernhärtetemperatur (C-Gehalt Stahl). Wegen dieser Problematik wurden verschiedene Härteverfahren entwickelt.

Direkthärten
Gilt als wirtschaftlichste Form und wird immer mehr verwendet. Beim Direkthärten wird sofort nach der Aufkohlung von der Aufkohlungstemperatur abgeschreckt. Dabei kann es jedoch passieren, dass durch die höhere Aufkohlungstemperatur ein grobes Korn entsteht. Ein überhitzt gehärteter Rand würde entstehen. Man sollte dass Direkthärten nur mit Feinkorneinsatzstählen durchführen.

Einfachhärten nach isothermischer Umwandlung
Bei diesem Verfahren wird das Werkstück nach dem Aufkohlen in einem Metall- oder Salzbad auf eine Temperatur der unteren Perlitstufe abgekühlt, gehalten, auf Härtetemperatur des Randes erwärmt und danach abgeschreckt. Durch die dabei durchlaufene isothermische Rückumwandlung entsteht im Kern ein feines Ferrit-Perlit-Gefüge und am Rand eine richtig gehärtete Oberflächenschicht.

Kernhärten
Beim Kernhärten wird das Werkstück nach dem Aufkohlen auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend wieder auf die Härtetemperatur erwärmt und abgeschreckt. Das Gefüge des Werkstück wird dadurch im Kern sehr fein und der Rand ist überhitzt gehärtet.

Randhärten
Hierbei wird das Werkstück ebenfalls nach dem Aufkohlen abgekühlt und anschließend auf eine Temperatur dicht oberhalb 723°C erwärmt und abgeschreckt.

Nitrieren

Das Nitrieren ist eine Wärmebehandlung in einem stickstoffabgebenden Medium. Hierbei diffundiert atomarer oder ionisierter Stickstoff bei Temperaturen von 500° bis 600°C in die Werkstückoberfläche ein. Die Nitriertiefe ist von der Temperatur, der Haltedauer, dem Nitriermittel und der chem. Zusammensetzung des Stahles abhängig. Sie ist aber in der Regel unter einem 1mm tief und hat nicht mehr als 0,4% Stickstoff gelöst. Man unterscheidet beim Nitrieren zwischen Gas- und Badnitrieren.
Für die Nitridbildung sind im Wesentlichen die Legierungsbestandteile Aluminium, Chrom, Molybdän, Vanadin und Titan von Bedeutung. Der Wirksamste von diesen Nitridbildnern ist Aluminium.

Gasnitrieren
Beim Gasnitrieren wird Ammoniak verwendet. Das Ammoniak [NH3] dissoziiert thermisch zu Stickstoff und Wasserstoff. Beim Gasnitrieren begrenzt man denn Temperaturbereich von 500° bis 520°C, da sonst bei höheren Temperaturen die Härte der Nitrierschicht wieder abnimmt.
Das Nitrieren verwendet man z.B. für Zahnräder, Kolbenbolzen, Kurbelwellen usw. Es können Oberflächenhärten bis zu 1100HV erreicht werden.

Abhängigkeit der Nitriertiefe von der Nitrierdauer, Bild: © Patrick Schilg

Badnitrieren
Beim Badnitrieren werden cyanhaltige Salzbäder als Nitriermittel verwendet. Anders wie als beim Gasnitrieren können auch unlegierte und legierte Baustähle, Werkzeugstähle und Gusseisen nitriert werden. Das Badnitrieren hat zur Folge, dass eine Erhöhung des Verschleißwiderstandes stattfindet. Bei Temperaturen von 550° bis 570°C läuft dieser Vorgang ab, wobei aber keine großen Nitriertiefen angestrebt werden. Die Verbindungsschicht  (Nitridschicht) beträgt 10 bis 15µm und hat einen nichtmetallischen Charakter. Badnitrieren verwendet man für Werkzeuge, Bauteile aus Guss, Zahnräder usw.

Plasmanitrieren
Von den verschiedenen Nitrierverfahren stellt das Plasmanitrieren das modernste dar. Hierbei wird das Prozessgas, Stickstoff und Wasserstoff, durch das Anlegen einer Gleichspannung ionisiert. Die Bauteile dienen dabei als Kathode (neg. geschalten) und die Behälterwand als Anode (pos. geschalten).
Der dadurch sehr stark reaktionsfreudige atomare Stickstoff reagiert mit der Werkstückoberfläche und diffundiert anschließend in das Material hinein. Ein überhitzen der Bauteile ist bei diesem Verfahren somit ausgeschlossen.

Die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber anderen Nitrierverfahren:

  • Partielles Nitrieren mit geringen Aufwand
  • Nitrieren von Sintermetallen, Titan und Molybdän ist möglich
  • Geringere Prozesstemperaturen, dadurch geringere Verzugsprobleme
  • Rost-, säurebeständige und sonstige X-Stähle sind Nitrierbar

Weitere Nitrierverfahren

  • Nitrieren mit Glimmentladung
  • Gasnitrieren mit Ultraschall
  • Pastennitrieren

Typische Nitrierstähle
Bei Nitrierstählen kommt es besonders auf die hohe Verschleißfestigkeit an. Nitrierstähle- und Nitrierschichten können bis 500°C verwendet werden und sie weisen eine gewisse Korrosionsbeständigkeit auf.
Beim Nitrieren legiert man den Nitrierstählen starke Nitridbildner, weil sie eine hohe Oberflächenhärte erzeugen.

  • 35CrAl6
  • 32CrAlMo4
  • 30CrMoV9

Anlassen von Stählen (Vergüten)

Beim Vergüten wird der Stahl auf Temperaturen unterhalb des Ac1-Punktes erwärmt, gehalten und anschließend langsam an der Luft oder langsam in Öl abgekühlt. Der Zweck ist den Stahl bei hohen Festigkeitswerten auch eine hohe Zähigkeit zu verleihen. Es werden im allgemeinen Baustähle mit 0,2 bis 0,6%C vergütet.

Beim Vergüten wird ein Stahl erst gehärtet und danach angelassen. Zwischen 100 und 250°C ist die 1. Anlassstufe. Es findet eine Verringerung der Übersättigung  an Kohlenstoff im Abschreckmartensit statt (Ausscheidung feinster ε-Karbide Fe2C). Dadurch wird ebenfalls die tetragonale Verzerrung des Martensits verringert. Es entsteht kubischer Martensit. Metallographisch gesehen äußert sich dieser Vorgang durch eine höhere Ätzbarkeit der Martensitnadeln.

Probe C60 vergütet 820°/2h/Wasser/1h 200°C: Kubischer Martensit und Restaustenit, ε-Karbid; Bild: © Patrick Schilg

In der 2. Anlassstufe zwischen 230 und 280°C beginnt bei Stählen die Restaustenit enthalten der Zerfall von diesem. Dies geschieht weil, der Kohlenstoff aus dem Restaustenit herausdiffundiert und somit das Gefüge noch in Martensit umklappen kann (siehe Dia. 6.1.1).  Das ε-Karbid Fe2C kann schon in Fe3C übergehen. Beim Ätzen wird das Gefüge noch dunkler als wie in der 1. Anlassstufe.

In der 3. Anlassstufe (260 bis 360°C) wandelt sich das ε-Karbid vollständig in körnigen Zementit um. Des Weiteren geht das kubische Martensitgitter durch weitere Karbidausscheidungen langsam in das kubische Gitter des Ferrits über.

Probe C60 vergütet 820°/2h/Wasser/1h 350°C: Kubischer Martensit, Ferrit und körniger Zementit, ε-Karbid; Bild: © Patrick Schilg

In der 4. Anlassstufe (>400°C) findet nur noch eine weitere Koagulierung des Zementits statt. Der Stahl besteht nur noch aus Ferrit mit eingelagertem Zementit. Die Nadelstruktur des Martensit jedoch bleibt bis zum Ac1-Punkt erhalten.