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7. Wärmebehandlung Was ist das? Prozeß zur positiven

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7. Wärmebehandlung
Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert
Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Schubert
Fachbereich Maschinenbau
HOCHSCHULE BREMEN
UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
Was ist das?
Prozeß zur positiven Beeinflussung der Verarbeitungsund Gebrauchseigenschaften metallischer Werkstoffe
im festen Zustand durch Veränderung ihrer Struktur.
Wie geht das?
Werkstoff wird der Wärme in Form von bestimmten
Temperatur-Zeit-Verläufen ausgesetzt. Dies kann unter
zusätzlicher bewußter chemischer Veränderung des
Werkstoffes (Randzone) oder unter mechanischer
Umformung geschehen.
121
7.1 ZTU - Diagramme (Zeit-Temperatur-Umwandlung)
 - Umwandlung abhängig von Abkühlgeschwindigkeit
bisher:
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A Austenitstufe
F Ferritstufe
ZE Zementitstufe
P Perlitstufe
ZW Zwischenstufe (Bainit)
M Martensitstufe
Abkühlung langsam
(metastabiles System
Fe-Fe3C)
bis sehr langsam
(stabiles System Fe-C)
jetzt:
A3
Abkühlgeschwindigkeit
höher (Stahlherstellung)
A1
A
Kontinuierliche
Abkühlung 1K/s
A3 :   
A1:     Fe3C
(Perlit)
122
Produkte des Austenitzerfalles
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Fe + C können
diffundieren
Perlit
vA  1-50 K/s
normaler Perlit
Sorbit vA  50-200 K/s
feinlamellarer Perlit
Troostit vA  300 K/s
feinstlamellarer Perlit
Zementit
Fe kann nicht diffundieren
C kann diffundieren
Bainit vA  450 K/s
Fe + C können nicht
diffundieren
Martensit vA  700 K/s
vA = Abkühlgeschwindigkeit [K/s]
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Gefüge des Austenitzerfalles
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Zementit
Troostit
Sorbit
Perlit
Martensit
C auf Oktaederlücken
Bainit
Zwischenstufe
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Arten von ZTU-Diagrammen
isothermische + kontinuierliche Umwandlung
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vA = f(t)
vA = 0
vA = f(t)
vA = Abkühlgeschwindigkeit [K/s]
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Isothermes ZTU-Diagramm
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Unlegierter Stahl: C44
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Kontinuierliches ZTU-Diagramm
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Unlegierter Stahl: C44
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7.2 Arten der Wärmebehandlung
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Glühen
Vergüten
Härten
- auch kombiniert mit Umformung als
TMB (thermomechanische Behandlung)
Temperatur-Zeit-Verläufe
- Durchgreifendes Härten (Durchhärten)
- Randschichthärten ohne + mit chem. Veränderung des Werkstoffes
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Glühen
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Glühverfahren
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Diffusionsglühen ( = Homogenglühen = Homogenisieren)
- Kristallseigerungen beseitigen, Einschlüsse auflösen,
- lange Haltedauer bis 50h,
- Schaffung eines homogenen Gefüges für nachfolgendes Härten
Grobkornglühen ( = Hochglühen)
- Korn vergröbern, untereutektoide Stähle besser spanbar machen,
- Haltedauer 1-2h, erst langsame Ofen- dann raschere Luftabkühlung,
- nach Bearbeitung Normalglühen oder Härten bzw. Vergüten,
Normalglühen ( = Normalisieren)
- Feinkörniges gleichmäßiges Gefüge unabhängig von der
Vorbehandlung (Gießen, Schmieden, Schweißen, Härten),
- kurze Haltedauer bis zum Durchwärmen, Luftabkühlung rasch unter
A1 dann Ofenabkühlung,
- schnelles zweimaliges Durchlaufen der  -  -Umwandlung,
- häufig angewandtes Verfahren
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Glühverfahren
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Weichglühen
- der lamellare Fe3C im Perlit wird globular eingeformt, Zähigkeit ,
- Haltedauer 2-4h, übereutektoide Stähle pendelnd um A1, untereutektoide Stähle unter A1, es entsteht körniger Perlit,
- beste Verarbeitbarkeit beim Spanen und Umformen,
Spannungsarmglühen
- Eigenspannungen (  Verzug, Rißbildung) abbauen, die durch
Bearbeiten, Kaltverformen oder ungleichmäßiges Abkühlen nach
Gießen, Schweißen oder Warmumformung entstanden sind,
- Haltedauer 2-4h deutlich unter A1, somit keine Gefügeänderungen,
- Abbau der Spannungen durch plastische Verformung nur möglich bis
zur Fließgrenze, diese sinkt mit steigendem T,
Rekristallisationsglühen
- Abbau der Verfestigung durch Kaltumformen (TUmform < TRekr)
- Anwendung zwischen Kaltumformstufen (z.B Walzen, Ziehen, Pressen),
- Haltedauer bis 1h, vollständige Gefügeneubildung (siehe Kap. 5.2), 131
Härteverfahren
D
Durchgreifendes Härten (Durchhärten)
R ohne Randschichthärten ohne chem. Veränderung des Werkstoffes
R mit Randschichthärten mit chem. Veränderung des Werkstoffes
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Warum? Verschleißwiderstand , Streckgrenze , Schwingfestigkeit ,
Wie? Bildung von Martensit aus Austenit (kfz  trz)
Zuerst Glühen oberhalb A3/A1 für untereutektoide/übereutektoide Stähle,
dann Abkühlen mit mind. der kritischen Abkühlgeschwindigkeit vA krit ,
Abschreckhärten (D)
- (kontinuierlich)
Warmbadhärten (D)
- Abschrecken auf ca. 400°C in H2O, dann
Halten in Salzschmelze (isotherm) bis
Temp.-Ausgleich zwischen Kern und
Mantel, dann abkühlen in Luft oder Öl,
Gebrochenes Härten (D)
- Abschrecken auf ca. 300-400°C in H2O, dann Abkühlen in Öl,
Anschließend erfolgt jeweils ein entspannendes Anlassen bei 200-300°C,132
Härteverfahren
D
Durchgreifendes Härten (Durchhärten)
R ohne Randschichthärten ohne chem. Veränderung des Werkstoffes
R mit Randschichthärten mit chem. Veränderung des Werkstoffes
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Härtung der Randschicht und Kern bleibt zäh, rasche Erwärmung einer
Randschicht bestimmter Dicke ins Austenitgebiet und sofort Abkühlung,
Vergütungsstähle 0,3-0,6%C (z.B. C45, 41Cr4, 50CrV4)
Flammhärten ( = Brennhärten) (R ohne)
- Flamme erzeugt Wärme, Abschreckbrausen,
Induktionshärten (R ohne)
- Spule erzeugt Wärme (Skin-Effekt), Spulenfrequenz  Eindringtiefe,
- Abschreckbrausen, Abschreckbad, z.B. Zahnräder, Nockenwellen,
Laserstrahl- ,Elektronenstrahlhärten (R ohne)
- Elektronenstrahl erzeugt Wärme (Vakuum), dann Selbstabschreckung,
133
- Laserstrahl erzeugt Wärme, dann Selbstabschreckung,
Wichtige Begriffe
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Härtbarkeit steigt technisch interessant bei Stahl von 0,2-0,8%C an.
Aufhärte ist die an der Werkstoffoberfläche gemessene Höchsthärte.
Einhärtetiefe ( = Einhärte) ist der Randabstand, bis zu dem nur noch
50% des Gefüges aus Martensit bestehen.
Untere/obere kritische
Abkühlgeschwindigkeit
Die untere kritische Abkühlgeschwindigkeit
ist erreicht, wenn im Gefüge gerade der
erste Martensit vorliegt.
Die obere kritische Abkühlgeschwindigkeit
ist erreicht, wenn das Gefüge gerade
vollkommen aus Martensit besteht.
134
Wichtige Zusammenhänge
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Härte   Martensitanteil im gehärteten Gefüge 
Martensitanteil   Abkühlgeschwindigkeit  (vA krit unten , vA krit oben)
 %C  (bis 0,9%C)
Abkühlgeschwindigkeit   Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes 
 Wärmetransportfähigkeit Kühlmedium 
 Relativbewegung Werkstück/Kühlmedium 
 Querschnitt des Werkstückes 
Härteverlauf über
den Querschnitt
eines Ölhärters
Wasser-, Öl-, Lufthärter
Einflüsse auf ZTU-Diagramm
135
Härteverfahren
D
Durchgreifendes Härten (Durchhärten)
R ohne Randschichthärten ohne chem. Veränderung des Werkstoffes
R mit Randschichthärten mit chem. Veränderung des Werkstoffes
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Einsatzhärten (R mit)
- Einsatzstähle bis 0,2%C, Aufkohlung der Randschicht (bis 0,9%C) durch
Einsetzen in festen (z.B. Holzkohle), flüssigen (z.B. Cyansalzschmelzen
z.B. NaCN) oder gasförmigen (z.B. CH4) Mitteln oberhalb A3,
- Aufkohlungstiefe At ist der Randabstand bei dem
die C-Konzentration 0,35% beträgt, At beträgt beim
Einsetzen bei 900°C nach 3h (40h) ca. 1mm (3mm),
a)
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a) Härten aus dem Einsatz
b/c) Doppelhärtung ohne/mit
Zwischenglühung
- TemperaturZeitVerläufe:
b)
c)
- Einsatzhärtungstiefe Eht ist der Randabstand bei dem noch eine Härte
von 550 HV vorliegt ( = 100% Martensitgefüge mit 0,35%C)
136
- maximale Härte ca. 900 HV ( = 100% Martensitgefüge mit 0,9%C)
Härteverfahren
D
Durchgreifendes Härten (Durchhärten)
R ohne Randschichthärten ohne chem. Veränderung des Werkstoffes
R mit Randschichthärten mit chem. Veränderung des Werkstoffes
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Nitrierhärten ( = Nitrieren) (R mit)
- Aufgestickt wird unterhalb der Perlitlinie A1 (585°C) bei 500-550°C,
- Gasnitrieren von Nitrierstählen (z.B. 30CrMo12) im NH3-Strom,
Badnitrieren von z.B. Einsatz-, Nitrierstählen in Cyansalzschmelzen,
- Härte durch Eisennitride und Sondernitride durch Cr, Mo, Al, Ti, V,
- Nitriertiefe bei 550°C nach 40h ca. 0,5mm, Ferrit löst maximal 0,1%N,
- maximale Härte ca. 1400 HV, kein Verzug des Werkstückes,
- höhere Härten und damit stärkere Effekte als beim Einsatzhärten, aber
längere Glühzeiten (Kosten  ),
Aufbau der Nitrierschicht
- Verschleißwiderstand  , Schwingfestigkeit  ,
Korrosionsbeständigkeit  , Reibkoeffizient ,
Warmfestigkeit  (bis 500°C),
Weitere Verfahren
Carbonitrieren (Martensit-Randschicht)
Nitrocarburieren (Nitrid-Randschicht)
Borieren (sehr harte, dünne Borid-Randschicht)
1 Verbindungsschicht
2 Diffusionszone
3 Grundwerkstoff
137
Verfahren zum Vergüten
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Warum? Erreichen eines festen/schwingfesten Gefüges
mit ausreichender Zähigkeit (  Streckgrenze, Bruchdehnung),
Vergütungsstähle 0,3-0,6%C (unterhalb unzureichende Härtbarkeit,
oberhalb keine ausreichende Zähigkeit zu erhalten,
Härten und Anlassen
- zuerst martensitisches Gefüge durch Härten, danach
Karbidausscheidung beim Anlassen (500-700°C, 1-2h),
- es entsteht ein Vergütungsgefüge aus duktiler, ferritischer Matrix und
harten, feindispers verteilten Karbidausscheidungen,
Bainitisieren
( = Zwischenstufenvergüten)
- Bainitgefüge sehr ähnlich
dem Vergütungsgefüge,
Thermomechanische
Behandlung (TMB)
- Wärmebehandlung und
138
Umformung kombiniert,
Kontrolliertes Walzen - Austenitformhärten
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