Archiv der Kategorie: Wärmebehandlung

Eisen-Eisenkarbid-Diagramm

Das Zustandsdiagramm Fe-Fe3C – das metastabile System

Im technisch genutzten Eisen ist immer etwas Kohlenstoff enthalten der die Eigenschaften mit bestimmt. Im metastabilen System liegt der Kohlenstoff in gebundener Form vor. Technisch interessant ist nur der Anfangsbereich dieses Diagramms und es setzt sich aus 3 Grundtypen der Zustandsdiagramme zusammen: Eutektikum, Peritektikum und einer Eutektoiden Umwandlung .

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm stabil und metastabil mit Phasenbeschriftung. Bild: Eisenbeisser aus der deutschsprachigen Wikipedia Lizenz: CreativeCommons by-sa-3.0-de (Kurzfassung).

charakteristische Punkte, Linien und Phänomene im Eisen-Eisenkarbid-Diagramm

Die Punkte sind im metastabilen System wie folgt:

A: (0 %/1536 °C) B: (0,53 %/1492 °C) C: (4,3 %/1147 °C)
D: (6,67 %/1320 °C) E: (2,06 %/1147 °C) F: (6,67 %/1147 °C)
G: (0 %/911 °C) H: (0,1 %/1493 °C) I: (0,16 %/1493 °C)
K: (6,67 %/723 °C) N: (0 %/1392 °C) P: (0,022 %/723 °C)
S: (0,8 %/723 °C) Q: (0,002 %/20 °C) M: (0 %/769 °C)
E‘: (2,03 %/1153°C) C‘: (4,25 %/1153 °C) S‘: (0,69 %/738 °C)

Die Linien werden wie folgt bezeichnet:

Liquiduslinie: A-B-C-D Soliduslinie: A-H-I-E-C-F Eutektikale: E-C-F
Eutektoide: P-S-K Peritektikale: H-I-B

und es treten folgende bestimmte Phänomene auf:

Eutektikum: 4,3 % bei 1147 °C (Punkt C) Eutektoid: 0,8 % bei 723 °C (Punkt S)
Peritektikum: 0,16 % bei 1493 °C (Punkt I)

Mit welchen Buchstaben werden die Umwandlungspunkte gekennzeichnet?
Die Umwandlungspunkte des Eisens werden in einem Abkühlungsdiagramm als Haltepunkte dargestellt und von niederen zur höheren Temperaturen ansteigend mit Ai , i<1 bezeichnet. Die Abkürzung A steht für franz. Arrêt und bedeutet Haltepunkt. Dabei ist die Unterscheidung von Abkühlung, Erwärmung und Gleichgewichtszustand des Eisens bei der Bezeichnung wichtig. So kommt bei Umwandlungspunkten bei der Abkühlung ein tiefgestelltes „r“, bei Erwärmung ein „c“ und bei Umwandlungen im Gleichgewichtsfall ein tiefgestelltes „e“ zur Bezeichnung hinzu.

Wo befindet sich der Kohlenstoff im Kristallgitter?
Die Kohlenstoffatome lagern sich im Gitter zwischen den Eisenatomen ein (Einlagerungsmischkristall). Bei der Verbindung Fe3C umgeben je vier Eisenatome ein Kohlenstoffatom in Form eines Tetraeders.

Welche maximale Löslichkeit weisen die verschiedenen Strukturen des Eisens für Kohlenstoff auf? Wie kann man das plausibel begründen?
Die maximale Löslichkeit von Ferrit beträgt 0,02%  bei einer Temperatur von 723 °C und ist im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm heraus zu lesen. Somit liegt Ferrit bei Raumtemperatur fast als reines Eisen vor, da kaum Platz für die Einlagerung eines Kohlenstoffatoms vorhanden ist.

Austenit hat eine maximale Löslichkeit von 2,06% bei einer Temperatur von 1147 °C. Mit sinkender Temperatur sinkt auch die Löslichkeit von Kohlenstoff im Austenit. Dies ist durch eine Gitterumwandlung von kubisch –flächenzentriert zu kubisch- raumzentriert begründet, da die Fähigkeit C-Atome einzulagern somit abnimmt (weniger Platz im Gitter).
Zementit besteht immer zu 6,67 % aus Kohlenstoff.

Warum wird das Zustandsdiagramm Fe-Fe3C als metastabilen System bezeichnet?
Das Zustandsdiagramm Fe-Fe3C wird als metastabil bezeichnet, weil sich die Legierungen beim Glühen stets in die Richtung des thermodynamischen Gleichgewichts verändern. In diesem System kommt der Kohlenstoff in „gebundener“ Form (Fe3C) vor.

Durch welche Komponenten ist das System gekennzeichnet?
Das System ist durch die zwei Komponenten Fe (Eisen) und Fe3C gekennzeichnet. Der Kohlenstoff kann dabei entweder gelöst in Mischkristallen oder gebunden als Fe3C vorliegen.

Welche Phasen werden im Zustandsdiagramm Fe-Fe3C beobachtet?
Im Zustandsdiagramm Fe-Fe3C werden die Phasen α-Fe (Ferrit), γ-Fe (Austenit), δ-Fe und Fe3C beobachtet.

Wie werden die charakteristischen Gefüge bezeichnet und aus welchen Phasen bestehen sie?
Von den Phasen sind folgende Gefügebestandteile zu unterscheiden: Perlit, Ledeburit I und II.

Der Perlit, ein eutektoides Gemenge, besteht aus den Phasen Ferrit (88%) und Zementit (12%). Aus 52,4% Austenit und 48,6% Zementit setzt sich der Ledeburit I zusammen und Ledeburit II besteht zu ca. 51,4% aus Perlit und 48,6% aus Zementit.

Der Zementit kann in drei Formen, primär, sekundär und tertiär, vorkommen. Der Primärzementit entsteht aus der Schmelze wenn die Legierung den CD-Abschnitt der Liquiduskurve unterschreitet. Der Sekundärzementit scheidet sich unterhalb der ES-Umwandlungskurve und aus dem Primärkristall Austenit aus. Der Tertiärzementit scheidet sich unterhalb der PQ-Kurve und aus dem Sekundärzementit Ferrit aus.

Bis zu welchen Kohlenstoffkonzentrationen spricht man von untereutektoidischen, übereutektoidischen, untereutektischen und übereutektischen Legierungen?
Man spricht von untereutektoiden Legierungen bei einem C-Gehalt bis ca. 0,8%. Bei einem C-Gehalt von über 0,8% bis 2,06% spricht man von übereutektoiden Legierungen. Eine untereutektische Legierung liegt bei C-Gehalten von über 2,06% bis einschließlich 4,3% vor. Alle Eisen-Kohlenstoff-Legierungen von einem C-Gehalt über 4,3% bis 6,67% sind übereutektische Legierungen.

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

Martensitbildung

Martensit ist ein α-Eisen, welches ohne Diffusion der Atome aus dem Austenit entsteht. Bei der Umwandlung verschieben sich die Atome relativ zueinander um weniger als einen Gitterabstand. Dies bedeutet der gesamte Kohlenstoff bleibt zwangsweise in Lösung. Der Martensit ist das typische Härtungsgefüge des Stahl.

Probe C60 gehärtet 820°C/2h/Wasser: Martensit und Restaustenit, ungelöste Karbide; Bild: © Patrick Schilg

Martensit entsteht oberhalb einer kritischen Abkühlgeschwindigkeit von austenitischen Mischkristallen zu Raumtemperatur. Hierzu ist bei Kohlenstoffstählen ein Abschrecken in Wasser notwendig und bei legierten Stählen reicht meistens ein Abschrecken in Öl.

In kohlenstoffarmen Stählen besteht Martensit aus lattenförmigen Kristallen, welche in gebündelter Form vorliegen. Solcher Martensit wird als Lanzett-Martensit (speerspitzen Form) bezeichnet. Mit einem zunehmenden Kohlenstoff-gehalt ändert sich auch Struktur des Martensits, da dann Plattenmartensit (diskusförmige Platte) entsteht. Bei einem C-Gehalt von 0,45% liegen beide Martensitformen nebeneinander vor. Über diesen C-Gehalten wird vorwiegend nur noch Plattenmartensit gebildet der in Restaustenit gebettet ist.

Die Härtetemperatur liegt 30 bis 50K über der Ac1,3-Linie. Wird die Abschrecktemperatur wesentlich erhöht, findet eine Vergrößerung des Austenitkorns statt.

Martensitkristalle entstehen durch Abkühlen des Stahles vom Austenit bei der Ms-Temperatur (beginn der Martensitumwandlung) bis zur Mf-Temperatur (ende der Martensitumwandlung). Erst bei der Mf-Temperatur besteht der Stahl vollständig aus Martensit. Die Ms- und Mf-Temperatur hängt stark vom Kohlenstoff- und Legierungsgehalt ab, weniger aber von der Abkühlgeschwindigkeit.

Bild: © Patrick Schilg

Bei geringen Kohlenstoffgehalten ist der Martensit weich und zäh. Martensit kann in Abhängigkeit vom Kohlenstoffgehalt eine Härte von über 900HV erreichen. Als vergleich hat Zementit eine Härte von ca. 800HV. Mit weiter zunehmendem Kohlenstoffgehalt nimmt bei der Bildung von Martensit auch der Restaustenit zu. Dies bedeutet, dass die Härte insgesamt geringer wird (gestrichelte Linie).

Bild: © Patrick Schilg

Durch eine weitere Unterkühlung kann der Restaustenit noch in Martensit umgewandelt werden.
Des Weiteren besitzen Martensitkristalle Kristallbaufehler in Form von Versetzungen oder sie sind innerlich verzwillingt. Dies geschieht weil sich der Martensitkristall den zu Verfügung stehenden Raum im Austenit anpassen muss. Bei der Bildung eines Martensitkristalls entstehen gerichtete Eigenspannungen, die zu elastischen oder plastischen  lokalen Deformationen oder sogar zum Bruch führen können. Die Eigenspannungen versuchen stets die Martensitbildung rückgängig zu machen.
Legierungs- und Begleitelemente können sich auch negativ auf die Wärmebehandlung auswirken. Einen großen Einfluss haben Karbide (V, Ti, Cr, …) auf die Wärmebehandlung.

Durch stabile Karbide, wie Vanadium und Wolfram, ist eine höhere Austenitisierungstemperatur für das Härten notwendig. Da die Karbide die Diffusionsvorgänge behindern, weisen Stähle welche mit Karbidbildnern  legiert sind, eine Verzögerung der Anlassvorgänge auf. Dadurch wird die Anlassbeständigkeit verbessert und die Warmhärte und Warmfestigkeit erhöht. Beim Anlassen können die Karbidausscheidungen zu einer Härtesteigerung führen.

Legierte Stähle können bereits bei einer Abschreckung in Öl (Ölhärter) und einige höher legierte Stähle bei normaler Luftabkühlung (Lufthärter) gehärtet werden.
Um schädliche innere Spannungen zu vermeiden, sollte so mild wie möglich abgeschreckt werden. Somit erlaubt das zulegieren mit bestimmten Element eine Abschreckung mit Öl oder Luft. Legierungselemente wie z.B. Chrom oder Molybdän setzen die Martensitstarttemperatur herab, was ein milderes Abschrecken mit Öl oder Luft begünstig –> die wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit wird herabgesetzt. Andere Elemente wie zum Beispiel Bor begünstigen die Durchhärtbarkeit.
Unlegierte Stähle sind meist Wasserhärter, da sie eine sehr schroffe Abschreckung benötigen die nur durch Wasser erreicht werden kann –> sie benötigen also sehr hohe Abkühlgeschwindigkeiten.

Durch niedrige Abkühlgeschwindigkeiten kann aber die Bildung von Restaustenit verringert werden.

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Das Zustandsdiagramm Fe-C – das stabile System

Der Begriff „stabil“ deutet darauf hin, dass unter bestimmten Bedingungen die thermodynamisch stabile Phase Graphit (ungebundener Kohlenstoff) gebildet wird. Während eine schnelle Abkühlung, ein niedriger C-Gehalt, vorhandene Karbidbildner und das Element Mangan das metastabile System fördern, wird durch eine langsame Abkühlung, hohem Kohlenstoffgehalt und durch vorhandene karbidzerlegende Elemente die Ausbildung des Stabilen Systems Fe-C begünstigt.

Dargestellt ist es durch die gestrichelten Linien im doppelten Eisen-Kohlenstoff-Diagramm:

Eisen-Kohlenstoff-Diagramm stabil und metastabil mit Phasenbeschriftung. Bild: Eisenbeisser aus der deutschsprachigen Wikipedia Lizenz: CreativeCommons by-sa-3.0-de (Kurzfassung).

Ein Gefüge, das aus einer Eisenmatrix besteht, in die Graphit eingelagert ist, entsteht unter folgenden Bedingungen:

–   Erstarrung der Schmelze nach dem stabilen System des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms
–   Einen Kohlenstoffgehalt von mehr als 2,06%
–   Sehr langesame Abkühlgeschwindigkeiten

Für welche technischen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen ist das stabile System zutreffend?
Das stabile Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ist für die Gusseisen-Werkstoffe, d.h. es sind Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem C-Gehalt von über 2,06%, zutreffend. Damit eine Eisen-Kohlenstoffverbindung nach dem stabilen System erstarrt, muss sehr langsam abgekühlt werden oder ein höherer Si- Gehalt in der Schmelze vorliegen.

Welches Legierungselement begünstigt die Graphitausscheidung und ist wesentlicher Legierungsbestandteil verschiedener Gusseisenarten?
Als weiteres wichtiges Legierungselement enthält Gusseisen noch Silizium, und zwar bis zu ungefähr 7%. Silizium verschiebt die eutektische Konzentration zu geringeren Kohlenstoffgehalten hin. Ein Zusatz von Si verringert auch die Löslichkeit der γ-MK für Kohlenstoff und begünstigt die Graphitausscheidung in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Der Grund dafür besteht darin, dass auf Grund höherer Si-Gehalte das Eisenkarbid leicht in seine Bestandteile (Eisen und Kohlenstoff) zerfällt.

Welche Ausbildungsformen des Graphits werden beobachtet?
In Gusseisen ohne besondere Wärmebehandlungen oder Zugabe von Legierungselementen erstarrt der Graphit meist hexagonal in lamellarer Form. Dabei ordnet sich der Graphit in einer flächigen, blattartigen Form an. Graphit kann aber auch als Temperkohle, Korngrenzengraphit, Rosetten- bzw. Nestergraphit, Unterkühlungsgraphit oder Kugelgraphit vorkommen.

Was bewirken zusätzliche Legierungselemente wie Phosphor und Magnesium?
Die Legierungselemente Phosphor und Magnesium beeinflussen die Anordnung bzw. die Ausscheidung des Graphits. In Gusseisen mit einem höherem P-Gehalt (etwa 1,5%) tritt der Graphit häufig zu Nestern zusammen. Diese sind wahrscheinlich auf Phosphorseigerungen zurückzuführen.

Durch die Zugabe von Magnesium oder Zer kann der Graphit in eine sphärolithische Form  übergeführt werden (Kugelgraphit).

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.

Zustandsdiagramme / Binäre Systeme

Zweistofflegierungen bzw. Binäre Systeme bestehen aus 2 Legierungselementen und sie werden im zweidimensionalen Zustandsdiagramm in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung dargestellt. Dabei gibt es verschiedene Typen:

  • Vollständige Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand
  • Vollständige Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand
  • System mit Peritektikum und Mischungslücke im festen Zustand
  • Eutektisches System mit vollständiger Unlöslichkeit im festen Zustand
  • Eutektisches System mit Mischungslücke im festen Zustand

Die mögliche Anzahl der gleichzeitig stabilen Phasen wird durch die Gibb’sche Phasenregel ausgedrückt. Betrachtet man den Druck als konstant gegeben, ergibt sie
sich zu                          F = K − P +1

F: Freiheitsgrade des Systems
K: Anzahl der Komponenten im Gleichgewicht
P: Anzahl der Phasen im Gleichgewicht

Daher können in einem Zweistoffsystem maximal 3 Phasen nebeneinander vorliegen, wie es im Eutektium der Fall ist. Ist F=0 ist dies ein Haltepunkt und F=1 ist es ein Knickpunkt.

Vollständige Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand

Vollständige Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand, Bild: © Patrick Schilg
Vollständige Unlöslichkeit im festen und flüssigen Zustand, Bild: © Patrick Schilg

In diesem System sind die Komponenten z.B. durch einen unterschiedlichen Gittertyp vollständig unlöslich. Oberhalb der Liquiduslinie liegen zwei getrennte flüssige Phasen vor. Nach überschreiten der Liquiduslinie bei Abkühlung erstarrt zuerst A und B liegt immer noch flüssig vor. Bei weiteren Abkühlen und überschreiten der Soliduslinie erstarrt B und es liegen 2 getrennte feste Phasen vor, wobei die schwerere Phase sich unten befindet (Schwerkraftseigerung).  Beispiel ist Fe-Pb.

Vollständige Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand

Vollständige Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand, Bild: © Patrick Schilg
Vollständige Löslichkeit im festen und flüssigen Zustand, Bild: © Patrick Schilg

Hier liegen im flüssigen und festen Zustand nur eine Phase vor. Wird eine solche Legierung abgekühlt scheiden sich bei überschreiten der Liquiduslinie Mischkristalle aus. Die Zusammensetzung dieser ist jedoch nicht gleich und lässt sich mittels des Hebelgesetzes bestimmen. Ebenfalls zeigt ein solches Zustandsdiagramm, dass Legierungen keinen festen Schmelzpunkt haben sondern ein Intervall zwischen Solidus- und Liquiduslinie. Nur die reinen Elemente A und B besitzen einen festen Schmelzpunkt. Beispiele sind Ag-Au, Au-Pt, Cu-Ni, Co-Ni und Cu-Pt.

Vollständige Löslichkeit im flüssigen und Nichtlöslichkeit im festen Zustand = System mit eutektischer Entmischung

Vollständige Löslichkeit im flüssigen und Nichtlöslichkeit im festen Zustand = System mit eutektischer Entmischung, Bild: © Patrick Schilg
Vollständige Löslichkeit im flüssigen und Nichtlöslichkeit im festen Zustand = System mit eutektischer Entmischung, Bild: © Patrick Schilg

Das System zeigt einen besonders niedrig Schmelzenden Punkt unterhalb der Schmelztemperaturen der Komponenten A und B –> Eutektischer Punkt. Dieses Phänomen nutzt man z.B. bei Lötzinn aus, da Lötzinn ja niedrigschemlzend sein soll.

Die Eutektische Reaktion Schmelze → A + B sagt aus, dass bei einer bestimmten Konzentration aus der Schmelze bei überschreiten der Eutektikale A- und B-Kristalle zu einem feinkristallinen  Kristallgemisch  erstarre welches man Eutektikum nennt. Beispiele sind Bi-Cd und Pb-Sb.

Vollständige Löslichkeit im flüssigen und beschränkte Löslichkeit im festen Zustand

Vollständige Löslichkeit im flüssigen und beschränkte Löslichkeit im festen Zustand, Bild: © Patrick Schilg
Vollständige Löslichkeit im flüssigen und beschränkte Löslichkeit im festen Zustand, Bild: © Patrick Schilg

Das System bildet Mischkristalle, jedoch nicht in jeder Zusammensetzung. Innerhalb der Mischungslücke liegt dann ein Kristallgemisch aus Mischkristallen vor. Die Eutektische Reaktion ist hier Sm → α + β.

Die Linien, die die Einphasengebiete α und β von dem Gebiet der Kristallgemische aus Mischkristallen abgrenzen, heißen Löslichkeits- bzw. Sättigungslinien. Beispiele sind Ag-Cu, Pb-Sn, Al-Cu, Al-Si und Cd-Sn.

Peritektisches System

Peritektisches System, Bild: © Patrick Schilg
Peritektisches System, Bild: © Patrick Schilg

Anders wie in den bisher behandelten Zweistoffsystemen, ist die Mischkristallbildung im  peritektischen System nicht mit der Bildung eines Eutektikums verbunden. Das System weist zwar eine waagrechte Linie ( = Peritektikale) auf, aber kein Minimum in der Liquiduslinie.

Die Umsetzung von Sm + α →  β wird als peritektische Umwandlung bezeichnet. Die Umwandlung erfolgt direkt an den Grenzflächen zwischen Schmelze und Primärkristallen. Beispiel ist z.B. die Umwandlung δ-Fe im Fe-Fe3C-Diagramm.

Des Weiteren gibt es auch noch Intermetallische Verbindungen. Intermetallische Verbindungen sind im Allgemeinen hart, spröde und chemisch leicht angreifbar. Derartige Legierungen werden daher normalerweise vermieden aber manche haben auch positive Auswirkungen, wie z.B. Aluminium-Legierungen.

Legierungssysteme mit intermetallischen Verbindungen lassen sich zum Teil auf zusammengesetzte binäre Systeme zurückführen. Sie können ein Schmelztemperatur-Maximum oder ein verdecktes Maximum enthalten. Ein einfaches System ist z.B. eines aus zwei nebeneinander zusammengestzten eutektischen Zustandsdiagrammen.

Einfluss der Legierungselemente auf das Zustandsschaubild Fe-Fe3C im Hinblick auf das Gamma-Gebiet

Wie ändern die Legierungselemente Ni, Co, Mn, Cr, Al, Ti, Si, Mo, V und W das Zustandsschaubild Fe-Fe3C im Hinblick auf das γ-Gebiet und welche technologischen Eigenschaftsänderungen der Stähle sind zu erwarten?

  • Nickel bewirkt (z.B. in korrosions- und zunderbeständigen Chrom-Nickel-Stählen) eine Erweiterung bzw. „Öffnung“ des γ-Gebietes, sodass bei höheren Temperaturen zwischen Eisen und Nickel vollständige Mischbarkeit im festen Zustand besteht. Mit der Zugabe von Nickel wird die Streckgrenze und Kerbzähigkeit erhöht z.B. in Baustählen. Bei Einsatz- und Vergütungsstählen führt es zur Erhöhung der Zähigkeit. Hohe Nickelgehalte führen zu Stählen mit kleiner Temperatur-Ausdehnung (Invar).
  • Kobalt bildet keine Karbide und begünstigt die Graphitbildung und Ausbildung von Schwarzbruch. Bei höheren Temperaturen hemmt es das Kornwachstum und verbessert stark die Anlassspödigkeit und die Warmfestigkeit. Aus diesem Grund wird es oft in Schnellarbeitsstählen, Warmarbeitsstählen, warmfesten und hochwarmfesten Werkstoffen verwendet. Zusätzlich erhöht es in die Remanenz (bleibender Magnetismus bzw. bleibendes Magnetfeld) und Warmleitfähigkeit und ist deshalb Legierungsbasis für hochwertige Dauermagnetstähle und –legierungen.
  •  Mangan öffnet wie Nickel das γ-Gebiet, dabei wird der A3-Punkt mit steigendem Mn-Gehalt zu tieferen Temperaturen hin verschoben (Ausweitung des γ-Bereichs). Mangan bindet den Schwefel (als Mangan-Sulfide) und verringert dadurch den ungünstigen Einfluss des Eisen-Sulfides. Durch das Zugeben von Mn wird die Rotbruchgefahr reduziert. Es setzt die kritische Abkühlgeschwindigkeit sehr stark herab und erhöht damit die Härtbarkeit. Auch die Streckgrenze und Festigkeit werden erhöht, auch die Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit werden verbessert. Mangan vergrößert stark die Einhärttiefe. Es erhöht sich ebenfalls der Wärmeausdehnungskoeffizient, während die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit sinken.
  • Beim zugeben von Chrom verkleinert sich der γ-Bereich und dadurch wird das Ferritgebiet erweitert. Der Austenit wird in austenitischen Chrom-Mangan- bzw. Chrom-Nickel-Stählen stabilisiert. Stahl wird durch das zu legieren von Chrom zu einem Öl- bzw. Lufthärter. Durch das Herabsetzen der kritischen Abkühlgeschwindigkeit bei der Martensitbildung kann es die Härtbarkeit und Vergütbarkeit verbessern. Dabei wird allerdings die Kerbschlagzähigkeit verringert. Mit steigendem Chromgehalt bei reinen Eisen-Chrom-Stählen nimmt die Schweißbarkeit ab und die Zugfestigkeit nimmt zu. Chrom bildet Karbide, welche die Schnitthaltigkeit und Verschleißfestigkeit steigern. Für die Korrosionsbeständigkeit bei Stählen ist ein Chromgehalt von mind. 13% notwendig, der in der Grundmasse gelöst sein muss. Die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit werden verringert.
  • Aluminium engt den γ-Bereich sehr stark ein. Es wirkt stark begünstigend auf die Alterungsunempfindlichkeit ein. In kleinen Mengen unterstützt Aluminium die Feinkornausbildung im Stahl. Zusammen mit Stickstoff bildet Al Nitride, die sehr hohe Härten haben. Aus diesem Grund wird es häufig als Legierungselement in Nitrierstählen eingesetzt. Es erhöht die Zunderbeständigkeit. Bei unlegierten Kohlenstoffstählen kann man durch „Alitieren“(Einbringen von Al in die Oberfläche) die Zunderbeständigkeit fördern.
  • Titan ist ein starker Karbidbildner. Aus diesem Grund wird Titan oft als Stabilisator in korrosionsbeständigen Stählen verwendet. Titan zählt zu den Stabilisatoren, weil es auf Grund seine hohen Affinität zu Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel und Kohlenstoff desoxidierend, stark denitrierend, schwefelbindend und stark karbidbildend wirkt. Außerdem wirkt es kornverfeinernd, erhöht die Zeitstandfestigkeit. Titan führt zu einer starken Einengung des γ-Bereichs und neigt zur Bildung von Seigerungen und zur Zeilenbildung.
  • Durch Silizium wird der Schmelzpunkt des Eisens stark erniedrigt und gehört zu den Elementen, die das γ-Gebiet des Eisens abschnüren. Wegen der Abschnürung des Gammafelds verlagern sich die Umwandlungspunkte zu höheren Temperaturen hin, und zwar bewirkt 1% Si eine Erhöhung um 50 K. Dadurch wird die Bildung eines groben Korns beim Glühen, Rekristallisieren und Härten begünstigt. Silizium erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit. Die Elastizitätsgrenze wird ebenfalls stark erhöht. Bei hohen Si-Gehalten (z.B. in Federstählen) erhöht sich die Zunder- und Säurebeständigkeit, jedoch wird die elektrische Leitfähigkeit erniedrigt.
  • Molybdän bildet Karbide und bewirkt eine sehr starke Einengung des γ-Bereichs. Es verbessert durch Herabsetzen der kritischen Abkühlgeschwindigkeit die Härbarkeit und es verringert weitgehend die Anlasssprödigkeit, fördert die Feinkornbildung und wirkt sich begünstigend auf die Schweißbarkeit aus. Durch zu legieren von Mo wird die Streckgrenze und Festigkeit erhöht. Bei höheren Mo-Gehalten wird die Schneidbarkeit erschwert. Mo bewirkt eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und bei hohen Molybdängehalten wird die Lochfraßanfälligkeit gesenkt. Es erhöht die Warmfestigkeit und verringert die Zunderbeständigkeit.
  • Vanadium ist ebenfalls ein starker Karbidbildner.  Es bindet Stickstoff und ergibt eine feinkörnige Gussstruktur. Bei zu legieren mit V wird durch die Bildung harter Karbide der Verschleißwiderstand, sowie die Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit erhöht. Es erhöht auch die Elastizitätsgrenze bei Federstählen.
  • Die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit wird durch die Zugabe von Wolfram erhöht. Es bildet wie Vanadium harte Karbide. Wolfram erhöht die Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit. Es wird aus diesem Grund bei Schnellarbeitsstählen und Warmarbeitsstählen hinzulegiert.

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.