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Beeinflussung des Gefges

durch Wrmebehandlungen

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VerzeichnisSchriftenreihe

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Beeinflussung des Gefges

durch Wrmebehandlungen

Inhaltsverzeichnis

Glhbehandlungen 5

Das Hrten 6

Das Oberflchenhrten 9(Randschichthrten)

Das Vergten 11

ZTU-Schaubilder 12

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Beeinflussung des Gefgesdurch Wrmebehandlungen (DIN 17014)

Bei keinem anderen Werkstoff kann manso vielfltige Verfahren der Wrmebe-handlung durchfhren wie beim Stahl.Das hat insbesondere seinen Grund inden Gitterumwandlungen bei erhhterTemperatur. Die Zielsetzung bei deneinzelnen Verfahren ist recht unter-schiedlich.- Erhhung der Festigkeit: Hrten,

Vergten- Verringerung der Festigkeit:

Weichglhen, Rekristallisation- Bessere Vorbereitung auf eine sptere

Weiterverarbeitung: Weichglhen,Normalisieren

- Beseitigung von Fehlern: Diffusions-glhen, Spannungsarmglhen,Normalisieren.

Alle Wrmebehandlungen bestehen ausden folgenden Schritten: Das fertigbearbeitete Werkstck oder auch dasVormaterial wird im festen Zustand aufeine bestimmte Temperatur erwrmt,die dann so lange gehalten wird, bis diegewnschten Vorgnge abgelaufensind. Danach wird mit einer bestimmtenGeschwindigkeit abgekhlt.

Die verwendeten fen sollen zur exak-ten Einstellung der Temperatur regelbarsein und zur Vermeidung von Verzunde-rung oder Aufkohlung mglichst Schutz-gas oder Vakuum enthalten. Die ver-schiedenen Bauarten unterteilt mannach kontinuierlichem Beschicken(Durchlauf-, Drehherd-, Rollenherd- undHubbalkenfen) sowie absatzweisemBeschicken (Hauben-, Herdwagen-und Topfglhfen).

Die verschiedenen Verfahren derWrmebehandlung kann man zu denfolgenden Gruppen zusammenfassen:Glhen, Hrten und Vergten.

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Glhbehandlungen

Das Diffusionsglhen soll Konzentrati-onsunterschiede der Begleitelemente,also Seigerungen, beseitigen, und zwarbesonders von Schwefel, Phosphor,Kohlenstoff und Mangan. Grundstzlichsind alle Atome bestrebt, sich in derGrundsubstanz Eisen gleichmssig zuverteilen, wenn die Temperatur und Zeitzur Diffusion ausreichen. Deshalb wer-den beide so hoch wie mglich einge-stellt: die Temperatur bis knapp unterder Soliduslinie (1100 bis 1300C, jenach dem Kohlenstoffgehalt des Stah-les) und mehrere Stunden Haltezeit(bis 40, je nach der Wandstrke desMaterials). Trotzdem gelingt es nur, dieKristallseigerung, kaum aber die Block-seigerung zu beseitigen, weil dafr dieDiffusionswege der Elemente zu langsind. Anwendung findet das Verfahrensehr vielseitig, insbesondere jedochbei Automatensthlen und Stahlguss.Wegen der sehr hohen Werte fr Tem-peratur und Zeit diffundiert auch dieSubstanz auf den Korngrenzen. Es trittalso eine Kornvergrberung ein.Deshalb muss sich im allgemeinen einNormalglhen anschliessen.

Das Spannungsarmglhen soll im Stahlenthaltene Spannungen vermindern.Diese entstehen insbesondere durchungleichmssiges Abkhlen, wie essich z.B. nach dem Schweissen in derWrmeeinflusszone, nach dem Giessen,Warmverformen oder einer Wrmebe-handlung oftmals nicht vermeiden lsst,oder auch durch ungleichmssigesBiegen und anderes Kaltverformen.Die Folge von im Stahl verbleibendenSpannungen wren Formnderungen(Verzug) oder sogar Rissbildung, dieeventuell erst stark verzgert auftretenknnen. Die Glhtemperatur liegt bei600C, so dass sich Gefgenderungennicht einstellen. Anschliessend muss imOfen so langsam abgekhlt werden,dass z.B. in Schweisskonstruktionenkeine neuen Spannungen entstehenknnen.

Das Normalisieren (Normalglhen) sollein feinkrniges und gleichmssigesGefge einstellen, das die bestenFestigkeits- und Zhigkeitseigenschaf-ten in sich vereint (Normalgefge).Das ursprngliche unnormale Gefge

kann insbesondere enstanden sein beigrossen Schmiedeteilen und Schweiss-verbindungen (stark ungleichmssigesGefge), bei Stabstahl, Grob- und Mit-telblechen (die relativ langsam abkhlenund deshalb grobkrnig sind) oder beiStahlgussteilen. Untereutektoide Sthlebis zu 0,8% C werden auf eine Tempera-tur knapp oberhalb der Linie G-O-S(=A3) im Eisen-Kohlenstoff-Diagrammerwrmt, also auf 750 bis 950C je nachC-Gehalt, nicht lnger als ntig gehaltenund danach an der Luft abgekhlt. Umdie Bildung von Grobkorn zu vermeiden,darf man den Stahl weder berhitzennoch berzeiten. Das Ergebnis deszweimaligen berschreitens der Um-wandlungslinien ist ein feinkrnigesFerrit-Perlit-Gefge. bereutektoideSthle mit mehr als 0,8% C werden nichtetwa auch im Austenitgebiet geglht,sondern tiefer: knapp oberhalb der LinieS-K (= A1), also bei ca. 750C. Dadurchformt sich auch der grobe Zementitauf den Korngrenzen um. ModerneWalzenstrassen bieten in zunehmendemMasse die Mglichkeit, die Walzend-temperaturen und die Abkhlung genaueinzustellen, so dass das Normalglhendurch dieses Walzen mit geregelterTemperaturfhrung ersetzt werdenkann.

Das Weichglhen soll den Stahl optimalauf eine nachfolgende zerspanendeBearbeitung vorbereiten. Dazu mussdie Hrte verringert werden. Man er-reicht das durch Umformen des streifi-gen in krnigen Zementit. Die Glhtem-peratur liegt knapp unter der Linie P-S-K(= 721C = A1), oder sie pendelt umdiesen Wert. Bei bereutektoidenSthlen kann sie ihn auch etwas ber-schreiten, um auch den groben Korn-grenzenzementit einzuformen. DieHaltezeit muss mehrere Stunden be-tragen und die Abkhlung langsamerfolgen. Eine Anwendung diesesGlhens auf Sthle unter 0,4% C wrenicht sinnvoll. Sie wrden dadurch zuweich, so dass sie bei der zerspanen-den Bearbeitung zum Schmierenneigen wrden. Bei diesen Sthlenzieht man das Grobkornglhen vor.

Das Grobkorn- oder Hochglhen er-leichtert die spanende Bearbeitung vonweichen Sthlen. Durch Einstellen vonhohen Glhtemperaturen weit ber A3

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(950 bis 1150C) und langsame Ab-khlung erzielt man eine starke Korn-vergrberung. Damit unterbleibt dasSchmieren beim Zerspanen. DieOberflche bleibt glatt, und der Spanreisst krzer ab.

Ziel des Rekristallisationsglhen ist es,die Auswirkungen einer vorausgegan-genen Kaltverformung, also die Verfes-tigung und Kornstreckung, wieder zubeseitigen. Die Glhtemperatur hngtwesentlich vom Verformungsgrad ab,sie liegt im allgemeinen zwischen 500und 700C und damit unterhalb der un-teren Umwandlung. Bei Beachtung derZusammenhnge zwischen Temperatur,Verformungsgrad und Glhdauer lsstsich ein sehr gleichmssiges feinesKorn einstellen. Insbesondere ist dasRekristallisieren bei den hochlegiertenaustenitischen und ferritischen Sthlen,die keine Umwandlung zeigen, die ein-zige Mglichkeit, die Korngrsse zuverringern.

Das Hrten

Genau genommen handelt es sich beidiesem Verfahren der Wrmebehand-lung um die Umwandlungshrtung,denn es gibt daneben eine Vielzahl vonweiteren Mglichkeiten, die Festigkeitvon Stahl zu steigern:- Kaltverfestigung durch Verformen- Mischkristallhrtung durch Zusatz-

elemente, besonders Kohlenstoff,Mangan und Chrom

- Korngrenzenhrtung, alsoFeinkrnigkeit

- Ausscheidungs- oder Teilchenhrtung.

Die atomare Erklrung der hherenHrte ist im Grunde in allen Fllen diegleiche: Es werden Versetzungenblockiert und damit am Wandern behin-dert. Praktisch am wichtigsten ist dieUmwandlungshrtung. Wie der Namesagt, kann man sie nur bei umwand-lungsfhigen Sthlen durchfhren; dassind die meisten, jedoch nicht die hoch-legierten ferritischen und austenitischen.

Das Verfahren besteht bei untereutektoi-den Sthlen bis 0,8% C darin, das Stahl-teil bis ins Austenitgebiet zu erwrmen,also oberhalb der Linie G-O-S = A3 imEisen-Kohlenstoff-Diagramm (750 bis900C je nach C-Gehalt) und dann miterhhter Geschwindigkeit abzukhlen(abzuschrecken).

Wie ist die Steigerung der Hrtewhrend dieses Vorganges zu erklren?In dem kubisch flchenzentriertenGamma-Eisen sind alle C-Atome gleich-mssig gelst. Beim langsamen Ab-khlen finden zwei Vorgng statt: DasGitter klappt in den kubisch raumzen-trierten Ferrit um, und die C-Atomehaben Zeit genug, aus diesen Berei-chen zu diffundieren und Perlit-Lamellenzu bilden. Beim schnellen Abkhlendagegen werden die Diffusionswegedes Kohlenstoffs immer krzer, weil diedazu notwendige Energie in Form vonWrme entzogen wird, whrend dieGitterumwandlung auf jeden Fall abluft.Demnach unterscheidet man mitsteigender Abkhlungsgeschwindigkeitaus dem Austenitgebiet die folgendendrei Umwandlungsstufen:

1) Perlitstufe: Die Bildung der Ferrit-krner unterbleibt schon bei etwas

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erhhter Geschwindigkeit. Es ent-steht ausschliesslich Perlit, der nochdazu immer feinstreifiger wird. Frherbezeichnete man dieses Gefge alsSorbit (fein) und Toostit (noch fein-streifiger), da man sie mit den lterenMikroskopen noch nicht als Perliterkennen konnte.

2) Zwischenstufe: Sie tritt fast nur beilegierten Sthlen auf, insbesonderedann, wenn man das Abschrecken ineinem Warmbad abfngt und hier beikonstanter Temperatur (= isotherm)auslaufen lsst. Zuerst klappt dabeidas Gitter um, danach diffundiertKohlenstoff noch geringfgig, bildetjedoch keine Zementitlamellen son-dern extrem kleine Krnchen. DiesesZwischenstufengefge wird auchBainit genannt.

3) Martensitstufe: Von einer kritischenAbkhlgeschwindigkeit ab unterbleibtdie Kohlenstoffdiffusion vollstndig.In dem kubisch raumzentriertenGitter haben die C-Atome eigentlichgar keinen Platz; sie bleiben jedochauf Zwischengitterpltzen sitzen,verspannen das Gitter und verur-sachen dadurch die hohe Hrte.Das Hrtegefge Martensit bestehtim Schliffbild aus feinen Nadeln.

Angestrebt wird im allgemeinen dieseletzte Stufe. Da fr die Gitterverspan-nung Kohlenstoff erforderlich ist, lassensich nur Sthle mit mindestens 0,2% Chrten. Die anzuwendende kritischeAbkhlgeschwindigkeit liegt um sohher, je niedriger der C-Gehalt ist(s. Bild 1). Danach mssen C-armeSthle in Wasser abgesc