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Bainitisieren: Kontinuierliches oder isothermisches Umwandeln in

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Bainitisieren:
Kontinuierliches oder
isothermisches Umwandeln
in der Bainitstufe
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
1
Inhalt:
 Der atomare Aufbau des Eisens
 Gefügezustände nach langsamer Abkühlung
 Gefügezustände nach rascher Abkühlung
 Martensit und Bainit
 Aufbau des Bainits
 Eigenschaften des Bainits
 Herstellung bainitischer Gefüge
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
2
Der atomare Aufbau des Eisens
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
3
Die Umwandlungspunkte des Eisengitters
(δ - Ferrit )
(Austenit )
(Ferrit )
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
4
Abkühlung einer untereutektoiden Fe-C-Legierung
( Austenit )
(Austenit + Ferrit )
(Ferrit )
(Ferrit + Zementit)
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
5
Gefüge Austenit im LIM
21.10.2014
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6
Ferrit-Perlit-Gefüge im Lichtmikroskop
10 µm
21.10.2014
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7
Stahl 20 MnCr 5 mit unterschiedlicher Zeiligkeit
21.10.2014
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8
Abkühlung einer eutektoiden Fe-C-Legierung
(Austenit)
(Ferrit + Zementit)
21.10.2014
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9
Gefüge Perlit Lichtmikroskop
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
10
Abkühlung einer übereutektoiden Fe-C-Legierung
(Austenit )
(Zementit )
(Carbide + Ferrit + Zementit)
21.10.2014
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11
Gefüge Perlit und Zementit im Lichtmikroskop
10 µm
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
12
Gefüge Perlit und Zementit im Lichtmikroskop
21.10.2014
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Perlit-Ferrit-Gefüge bei unterschiedlichen C-Gehalten
0,03 %C
0,15 %C
0,45 %C
0,60 %C
0,80 %C
1,0 %C
21.10.2014
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14
Grauguß mit lamellaren und kugeligen Graphitausscheidungen
21.10.2014
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15
Das Eisen-Kohlenstoff-Zustands-Schaubild
21.10.2014
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16
Zeit-Temperatur-Umwandlungs-(ZTU-)Schaubild für kont. Abkühlen: Stahl C45
21.10.2014
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Das tetragonal verzerrte raumzentrierte Martensitgitter
Eisenatom
Kohlenstoffatom
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Begriffsbestimmungen nach DIN EN 10052
Bainitisieren
Kontinuierlich:
Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem Abkühlen mit einer solchen Geschwindigkeit, daß der
Austenit sich mehr oder weniger vollständig in Bainit umwandelt.
Isothermisch:
Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem gestuften Abkühlen auf eine Temperatur oberhalb Ms mit
solcher Geschwindigkeit, daß jegliche Bildung von Ferrit oder Perlit
vermieden wird und Halten auf dieser Temperatur, um den Austenit
teilweise oder vollständig in Bainit umzuwandeln.
Das darauf folgende Abkühlen auf Raumtemperatur unterliegt keinen
besonderen Vorschriften.
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Dr.-Ing. Dieter
Liedtke
Begriffsbestimmung Bainit (DIN EN 10052)
Metastabiler Gefügebestandteil, der bei der Umwandlung
des Austenits in einem Temperaturintervall gebildet wird, das
zwischen den Temperaturbereichen der Perlit- und Martensitbildung liegt.
Er besteht aus (mit) Kohlenstoff übersättigtem Ferrit, wobei
der Kohlenstoff zum Teil in Form feiner Carbide ausgeschieden ist.
Man unterscheidet:
- Oberer Bainit, der sich im oberen Bereich des oben
angegebenen Temperaturbereichs bildet.
- Unterer Bainit, der sich im unteren Bereich des
oben angegebenen Temperaturbereichs bildet.
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ZTU-Schaubild für kontinuierliches Abkühlen des Stahls 100Cr6
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Einfluß der Legierungselemente auf die Bainit-Starttemperatur
bei kontinuierlichem Abkühlen
800
Abschreckgeschwindigkeit: 5,1 °C/s
Bainit-Starttemperatur in °C
700
Kohlenstoff
(11 °C/s)
600
500
Silicium
400
Molybdän
Mangan
300
Chrom
200
100
Wang/ Van der Wolk/ Van der Zwaag
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Massenanteile in %
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Bainit bei kontinuierlichem Abkühlen im LIM (M. Wildau)
oberer Bainit
Martensit
unterer Bainit
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Temperatur-Zeit-Folge beim Isothermischen Bainitisieren
Austenitisieren
Temperatur
Austenit
Erwärmen
Abschrecken
Bainit
Umwandeln
Perlit und
Carbide
Zeit
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Entstehung des Bainits (Warlimont)
Bainit ist ein stab- oder plattenförmiges Umwandlungsprodukt, oft in
Bündeln oder verzweigten Gruppen und besteht aus den zwei
Phasen Ferrit und Carbid.
Temperaturbereich ≈ 570 bis ≈ 350 °C: („oberer“ Bainit)
Ausgehend von Austenitkorngrenzen entstehen abgeflachte FerritNadeln, Ferritstäbe oder -platten, bei untereutektoidischen Stählen
mit Fe3C-Ausscheidungen im Austenit, bei übereutektoidischen
Stählen mit Carbidausscheidungen im Ferrit.
Temperaturbereich unterhalb ≈ 350 °C: („unterer“ Bainit)
Es entstehen Ferritplatten mit Carbidteilchen im Inneren, die während des Wachstums der Platten als ε-Carbid oder Fe3C ausgeschieden werden, wodurch der Ferrit weiterwächst.
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Aussehen des Bainits (schematisch)
Bainit aus dem unteren
Temperaturbereich
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Bainit aus dem oberen
Temperaturbereich
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Ablauf beim Entstehen von „unterem“ Bainit (schematisch)
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ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln (Stahl 100Cr6)
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Ablauf der Austenitumwandlung beim isothermischen Bainitisieren
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Umgewandelte Menge in Abhängigkeit von der Zeit
Stahl mit 0,8 Masse-% C
und 0,8 Masse-% Mn
Eckstein, Bild4.105
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Bainitisieren: Gefüge Bainit (Stahl 100Cr6)
21.10.2014
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Gefüge „oberer“ Bainit (FME-Aufnahme)
Eckstein, Bild 4.9.5
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Bainit aus dem oberen Temperaturbereich im REM (M. Wildau)
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Einfluß der Umwandlungstemperatur auf die Umwandlungsdauer
Bund/ Ölund/ Rösch (Ovako Steel)
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Einfluß der Umwandlungstemperatur auf die Härte des Bainits
Bund/ Ölund/ Rösch (Ovako Steel)
21.10.2014
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35
ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 100CrMn6
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ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 100CrMo73
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37
ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 16MnCr5
°C
21.10.2014
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Bainit beim Stahl 16 MnCr 5 (LIM)
5 µm
21.10.2014
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Martensit und Bainit beim Stahl 16MnCr5 (LIM)
21.10.2014
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Umwandlungsende in min
Dauer der isothermischen Umwandlung dicht oberhalb Ms
1.800
1666,67
1.600
1.400
1.200
1000
1.000
800
600
333,33 333,33
400
200
0
166,67
3,33
10
20
Stahlsorte
21.10.2014
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Temperatur für höchste Härte in °C
Einfluß des Kohlenstoffgehaltes auf die
Umwandlungstemperatur zum Erreichen der Maximalhärte
450
31CrMoV9
400
42CrMo4
350
50CrV4
300
Wälzlagerstähle
250
200
150
100
50
0
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Massenanteile Kohlenstoff in %
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Umwandlungstemperatur für
Maximalhärte in °C
Einfluß der Stahlzusammensetzung auf die
Umwandlungstemperatur für maximale Härte
450
400
350
300
250
390
350
300
230
200
210
190
180
160
150
100
50
0
Stahl
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Bainit nach isothermischem Umwandeln beim Stahl 34Cr4 (Wildau)
375 °C 500 s
490 °C 150 min
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ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 31CrMoV9
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45
ZTU-Schaubild für isothermisches Umwandeln des Stahls 50CrV4
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Bainit beim Kugelgraphitguß (LIM)
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Möglichkeit zum Verkürzen der Prozeßdauer beim Bainitisieren
100 Cr 6
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Möglichkeit zum Verkürzen der Prozeßdauer beim Bainitisieren
100Cr6
21.10.2014
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49
Reduzierung der Umwandlungsdauer durch 2 Temperaturstufen
Stahlsorte
100 Cr 6
100 Cr 6
100 CrMo 7 3
100 CrMo 7 3
21.10.2014
Temperatur
in °C
225
210
250
210
210
250
Dauer
in h
7,5
2
1
33
9
1
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
Härte in
HRC
60,1
60,0
60,1
59,9
50
Eigenschaften bainitischer Gefüge
 Mechanisches Verhalten entspricht mindestens dem Eigenschaftsprofil martensitisch gehärteter und angelassener Gefüge
 Je nach Umwandlungsprozeß: geringerer Restaustenitgehalt als
Martensit, damit größere Maßstabilität ohne Tiefkühlen
 Größere Zähigkeit als Martensit, sowohl bei hoher Formänderungsgeschwindigkeit (Kerbschlagbiegeversuch) als auch niedriger
(statische Biegung)
 Bainitische Ringe aus 100Cr6 sind im Überrollversuch maßbeständiger als martensitische (Kugelfischer)
 Maß- und Formänderungen sind auf Grund geringerer Ferrit-Verzerrung kleiner als bei Martensit
Anlassen und Tiefkühlen entfällt
21.10.2014
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Nachteile gegenüber martensitischem Härten
 Längere Prozeßdauer infolge der notwendigen isothermischen
Umwandlung
 Größerer Aufwand für die Anlagentechnik
 Bauteile sind länger außerhalb der Bearbeitung als beim Härten
und Anlassen
 Für das Bainitisieren sind Salzschmelzen, zum Abschrecken um
die erforderliche Abschreckgeschwindigkeit und die erforderliche
Haltetemperatur mit geringster Streubreite zu erreichen unerläßlich
 Waschanlage zum Reinigen der bainitisierten Teile erforderlich
 Nachträgliches Reduzieren der Härte nur durch Anlassen oberhalb
der Umwandlungstemperatur möglich
21.10.2014
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Vergleichskriterien für Bauteileigenschaften:
martensitisch gehärtet - bainitisiert
FeW/MSD31-Englert
• Höhere Innen-Druckschwellbeanspruchbarkeit (Pumpenkörper)
• Höhere Zähigkeit bei geometrisch komplizierter Form
• Keine Anlaßversprödung
• Höhere Verschleiß- und Schwingfestigkeit
• Restaustenitgehalte <1% ohne Härteverlust erreichbar
• Geringe Maß- und Formänderungen
• Geringe Streuung der Formänderungen innerhalb einer Charge
• Reduzierung der Verfahrensschritte - höhere Prozeßsicherheit
21.10.2014
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Eigenspannungen Bainit - Martensit (SKF/Material Technology, Volkmuth)
21.10.2014
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54
Maßstabilität Bainit - Martensit (SKF/Material Technology, Volkmuth)
21.10.2014
Dr.-Ing. Dieter Liedtke
55
Statische Belastbarkeit Bainit - Martensit (SKF/Material Technology, Volkmuth)
Ausfallwahrscheinlichkeit in %
100
100Cr6
martensitisch
90
80
70
60
50
100Cr6
bainitisch
17MnCr5
einsatzgehärtet
40
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Belastung in kN
21.10.2014
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Kriterien für Wälzlageranwendung (SKF/Material Technology, Volkmuth)
10
9
Martensit SN
Martensit S0
Bainit
Relative Bedeutung
8
Verschleißwiderstand
7
6
Maßstabilität
5
4
3
2
1
0
Wälzfestigkeit
21.10.2014
Stat. Tragfähigkeit
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Gestaltfestigkeit
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Durchstoß-Kammerofen (Ipsen)
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Kammerofen mit Salzwarmbad zum Bainitisieren
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Anlage zum Bainitisieren mit Salzwarmbad und Luftumwälzofen(Ipsen)
Erwärmen
und Austenitisieren im
Prozeßgaskammerofen
AbschreckenBainitisieren im
Salzbad
Bainitisieren bzw. Restumwandlung
im Luftumwälzdurchlaufofen
Ipsen
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