Werkstoffe-6-Warmebehandlung-Der-Stahle.pdf

7/25/2019 Werkstoffe-6-Warmebehandlung-Der-Stahle.pdf

1/352

WERKSTOFFE 6 Dr. Bernd Stange-Grneberg, April 2014


2/352


2

6. WRMEBEHANDLUNG DER STHLE

6.1. EINFHRUNG

6.2. THERMISCHE AKTIVIERTE VORGNGE

6.3. GLHBEHANDLUNGEN

6.4. HRTEN


3/352


3

6.5. ANLASSEN

6.6. VERGTEN

6.7. OBERFLCHENHRTEN

6.8. ANLAGEN ZUR WRMEBEHANDLUNG


4/352


4

Empfehlenswerte Zusatzliteratur:

LPPLE, VOLKER(2010): Wrmebehandlung des Stahls. 10., akt. u. erw. Aufl.Europa-Lehrmittel: Haan. ISBN 978-3-8085-1310-1, 27,30.


5/352


5

LIEDTKE, DIETER(2005): Wrmebehandlung von StahlHrten, Anlassen,Vergten, Bainitisieren. Merkblatt 450. Stahl-Informations-Zentrum: Dssel-dorf. ISSN 0175-2006.


6/352


6

LIEDTKE, DIETER(2005): Wrmebehandlung von StahlNitrieren und Nitro-carburieren. Merkblatt 447. Stahl-Informations-Zentrum: Dsseldorf. ISSN0175-2006.


7/352


7

LIEDTKE, DIETER(2009): Wrmebehandlung von StahlRandschichthrten.Merkblatt 236. Stahl-Informations-Zentrum: Dsseldorf. ISSN 0175-2006.


8/352


8

LIEDTKE, DIETER(2008): Wrmebehandlung von StahlEinsatzhrten. Merk-blatt 452. Stahl-Informations-Zentrum: Dsseldorf. ISSN 0175-2006.


9/352


9

Einfhrung


10/352


10

Begriffe &Definitionen


11/352


11

EN 10052: Begriffe der Wrmebehandlung von Eisen-Werkstoffen1

DieWrmebehandlung von Sthlen ist eine

Folge von Wrmebehandlungsschritten,

in deren Verlauf ein Werkstck ganz oder teilweise

Zeit-Temperatur-Folgen

unterworfen wird

1Darber hinaus wird in DIN 17014 die Wrmebehandlung anderer Metalle geregelt.


12/352


12

um eine

nderung seiner Eigenschaften

und/oder

seines Gefges

herbeizufhren. Gegebenenfalls kann whrend der Be-

handlung die chemische Zusammensetzung des Werk-

stoffes gendert werden.


13/352


13

Wrmebehandlung engl.: heat treatment

Wrmebehandlungsverfahren gehren nach zur Hauptgruppe 6der Fertigungsverfahren:

8580

Stoffeigen-

schaften ndern

Fertigen durch Eigenschaftsnderungen von Werk-stoffen, z.B. mittels Erzeugung und Bewegung von Ver-

setzungen im Kristallgitter, Diffusion von Atomen oderchemische Reaktionen mit Wirkmedien; neben Wr-mebehandeln zhlen u.a. Verfestigen durch Umfor-men oder thermomechanisches Behandeln dazu.


FormhrtenKaltwalzenGlhen


14/352


14

Ziele der

Wrmebehandlung

Gefge-ausbildung

ungnstigeGefgezustnde

Begleit-

elemente

Verun-reinigungen

Abkhl-

bedingungen

Warm-/Kalt-

umformung



15/352


15

Ziele der

Wrmebehandlung

Einstellung von (geforder-ten) technologischen Eigen-

schaften bei erhhterTemperatur

Wrmebehandlung

Beseitigungungnstiger

Gefgezustnde

gezielte Einstellungbesonders gnstiger

Gefgezustnde

Variation/optimaleEinstellung von Eigen-

schaftenentsprechendWeiterverarbeitung und

Anwendung



16/352


Festigkeit : verbesserte Umformung/Zerspanung

Weichglhen, Grobkornglhen

Verhinderung von Formnderungen, Ri, Bruch

Spannungsarmglhen

Verbesserung der Zhigkeit

Normalglhen, Rekristallisationsglhen

Beseitigung von KonzentrationsunterschiedenDiffusionsglhen

Ausscheidung neuer Phasen: Hrte

Aushrten

Verbesserung von Festigkeit, Zhigkeit, Hrte

Normalglhen, Hrten, Vergten, Bainitisieren

16

Ziele der

Wrmebehandlung

Ziele einerWrmebehandlung

Verbesserung derGebrauchseigenschaften

Schaffung optimalerBearbeitungsmglichkeiten

Abbau innerer Spannungen

Beseitigung vonKaltverfestigung

Beseitigung von Seigerungen

Erzeugung neuer Phasenim Gefge



17/352


17

Verfahren der

Wrmebehandlung

WRMEBEHANDLUNG

Glhen

Hrten

Vergten


Aushrten

thermochemisches

Beh

andeln


18/352


18

Grundlagen


19/352


19

Unterscheidung nach Vollstndigkeitder Wrmebehandlung:

Verfahren der

Wrmebehandlung

durchgreifendeWrmebehandlung Randschicht-behandlungen

gezielte Vernderungdes Gefges im ge-samtenQuerschnitt

eines Bauteils

Vernderung

oberflchennaherSchichten

Grundlagen


20/352


20

Verfahren der

WrmebehandlungGrundlagen


21/352


21

Verfahren der



22/352


22

Grundlagen

Ausnutzung bestimmter werkstoffphysikalischer Prinzipien:

Diffusion in Metallen

Rekristallisation (Kornneubildung)

Kornwachstum

Temperaturabhngigkeit bestimmter Werkstoffkennwerte

Lsungsverhalten fr Fremdatome

Gitterumwandlungen (unterschiedliche Lslichkeit fr Fremdatome)

Haltetemperatur < TS nur Umwandlungen im festen Zustand

Anwendung mehrererWrmebehandlungsverfahren nacheinanderblich

Prinzip der

Wrmebehandlung


23/352


23

Temperatur T

Zeit t

Haltetemperatur

Rand

Kern

Temperaturfhrung bei einer Wrmebehandlung:

Prinzip der


Anwrmen

Durchwrmen

Halten

Abkhlen


24/352


24

Prinzip der


Haltedauer und temperatur abhngig von Zie-len der Wrmebehandlung

T-Unterschied Rand/Kern bei Erwrmen/Ab-khlen Wrmeleitung ist abhngig von Tundchemischer Zusammensetzung

Wrmebergang durch Strahlung, Konvektion,Direkterzeugung

Temperatur T

Zeit t

Haltetemperatur

RandKern

Anwrmen

Durchwrmen

HaltenAufheiz-/Abkhlgeschwindigkeit abhngig vonForm, Wrmeleitfhigkeit und Sprdigkeit

Abkhlen


25/352


25

Thermisch

aktivierteVorgnge


26/352


26

Einfhrung


27/352


27

Einfhrung

thermisch aktivierte Vorgnge sind Vorgnge, bei denen Atome durch thermische

Schwingungen ihre Gitterpltze wechseln

Begriffe & Definitionen

thermisch aktivierte Vorgnge

Cave: AlleZustandsnderungen erfordern Platzwechsel der beteiligten Ato-

me (Ausnahme: martensitische Phasenumwandlung Hrten)

Platzwechsel kein kontinuierlicher Vorgang, sondern stufenweiser Proze

Bedingung: Abnahme der freien Energie des Systems

Erwrmung berschreiten einer bestimmtenAktivierungsenergiezum

Platzwechsel/Wanderung von Leerstellen


28/352


28

Aktivierungsenergie zum Platzwechsel:

Betrag von KristallgittertypundAtomgreabhngig



Metallatome(Austauschmischkristalle)

Nichtmetallatome(Einlagerungsmischkristalle)

EA

Sprung ber

Leerstellen

Sprung ber

Lcken

Einfhrung

WW von Einlagerungsatomenund Zwischengitterpltzen, Leerstellenusw. miteinander Voraussetzung fr Platzwechsel.


29/352


29

praktische Bedeutungder Platzwechselvorgnge in der Werkstofftechnik:



Diffusion Ausgleich von Konzentrationsunterschieden

Erholung &Rekristallisation

Beseitigung der Folgen von Kaltverformung

Zeitfestigkeiten bei hheren TemperaturenKriechvorgnge

Einfhrung


30/352


30

Diffusion


31/352


31

Begriffe & Definitionen Diffusion

Definition

Diffusion ist ein thermisch aktivierter Platzwechsel von Atomen unter Einflu eines

Konzentrationsgradienten

Triebkraft Entropiestreben: Zustand mit geringerer Ordnung des Systems

statistischer Vorgang

mageblich fr denMassentransportin Festkrpern

Ausgleich von Konzentrationsunterschieden Grundlage fr zahlreicheVerfahren der Wrmebehandlung


32/352


32


Selbstdiffusion

Platzwechsel gitter-

eigener Atome mitLeerstellen

Diffusion

Unterscheidung

33


33/352


33


Fremddiffusion

Platzwechsel gitter-fremder Atome (Aus-gleich von Konzentra-tionsunterschieden)

Diffusion

Unterscheidung

34


34/352


34

mathematische Beschreibung der Diffusionsvorgnge:

Platzwechsel der Teilchen TeilchenstromJ

1. FICKsches Gesetz:J= -DdcA/dxbzw.

dmA= -DdcA/dxSdt

Diffusionsgeschwindigkeitist abhngig

von Dund dcA/dx(Konzentrationsgra-

dient)


35


35/352


35

Diffusionskoeffizient D:

Bercksichtigung der Widerstnde des Teilchenstroms:

Gredes wandernden Atoms Bindungen im Metallgitter (Packungsdichte)

Diffusionswege: Leerstellen, Zwischengitterpltze, Versetzungen, Korn-grenzen,

Temperaturabhngigkeitnach ARRHENIUS:

D= D0exp(-EA/RT)


36


36/352


36

Temperaturabhngigkeit der Diffusion:

Dfr T

Gase besitzen deutlich hhere

Diffusionskoeffizienten als Le-gierungselemente


37


37/352


37

Diffusionsverhaltenist abhngig vom Ort der Diffusion:

Oberflchendiffusion

Korngrenzendiffusion

Volumendiffusion


38


38/352


38

Platzwechselmechanismen

Leerstellen-mechanismus

Zwischengitter-mechanismus

Austausch-

mechanismus

bersicht

direkter Platzwechsel aus energetischenGrnden unwahrscheinlich; nicht erforder-lich wegen hoher Fehlstellendichte

Diffusion

39


39/352


39

Platzwechselmechanismen

Leerstellen-mechanismus

EA D EA D

Zwischengitter-mechanismus

Beispiel

Cr in -Fe:

EA= 247 kJ/mol

D= 1,3 10-13m2/s (bei 800 C)langsame Diffusion

Beispiel

C in -Fe:

EA= 88 kJ/mol

D= 1,6 10-5m2/s (bei 800 C)schnelle Diffusion

fr arteigene Atome nur bei hohen Temperaturen wahrscheinlich;

bedeutsam fr Einlagerungsatome, deren Durchmesser kleiner als

der der Wirtsatome ist

Diffusion

40


40/352


40

Triebkrfte fr Vorzugsrichtung der Diffusion:

Konzentrationsunterschied

Bsp.: Aufkohlung beim Einsatzhrten

Temperaturunterschied Bsp.: gerichtete Erstarrung beim Gieen

Umwandlungsbestreben instabiler Phasen

Bsp.: Phasenumwandlung /-Eisen

Verringerung der Oberflchenenergie Bsp.: Einformung von lamellarem Zementit

Platzwechselmechanismen Diffusion

41


41/352


41

zeitliche undrtliche Konzentrationsnderung: 2. FICKsches Gesetz

Beschreibung von dynamischen und nicht-stationren Vorgngen

c/t= D 2c/x2

Bestimmung der Randbedingungen

Lsung der DifferentialgleichungBedeutung:

thermochemische Behandlungen von Stahl

Eindringtiefe beim Aufkohlen:x= (D t)

Ermittlung des Schichtdickenwachstums bei chemischer Kor-rosion

Anwendungen Diffusion

42


42/352


42

KIRKENDALL-Experiment(1942):

Messingkern (CuZn70) mit Cu-

Mantel

Mo-Drhte als Markerin Grenz-schicht

Diffusionsvorgnge bei 780 C:

Zn: Kern Mantel

Cu: Mantel Kern

KIRKENDALL-Effekt (Interdiffusion) Diffusion

43


43/352


43

Mo-Drhte rcken im Laufe der Zeit nher zusam-

men

asymmetrische Diffusion: vZn> vCu

Beweis fr Leerstellendiffusion Zwischengitterdiffusion: keine Volumennde-

rung der Materialien


44


44/352


44

Folgen der Interdiffusion:

Bildung charakteristischer Lcher (KIRKENDALL-Lcher) in der

Phase, deren Volumen abnimmt

Einflu auf die Stabilitt von Metallverbindungsstellen


45


45/352


45

Exkurs:Seigerungen

46


46/352


46

Erstarrung eines Metalls besitzt keine unendlich langsame Abkhlgeschwin-

digkeit(dT/dt> 0) Konzentrationsunterschiedeinnerhalb der Kristalle

(gleichgewichtsferne/technische Erstarrung)

Ergebnis: schichtfrmig aufgebaute Krnermit einem sich vom Kern zumRand hin kontinuierlich verndernden Gehalt an der Komponente B

Kristallseigerung/Mikroseigerung Zonenmischkristall

Kristallseigerung ist umso ausgeprgter

je hher dieAbkhlgeschwindigkeit

je kleiner die Diffusionsgeschwindigkeitder beteiligten Elemente

je ausgedehnter das Erstarrungsintervallder Legierung

Exkurs: Seigerungen

Entstehung

Diffusionengl.: segregation

47


47/352


47

Vorgnge im Phasendiagramm:

Abkhlung von L: bei T1Bildung

von Kristallkeimenmit c1

weitere Abkhlung: bei T2Zu-sammensetzung c2nach Aus-

tausch von A und B bei T> T2

Konzentrationsausgleichbei

technischer Abkhlung unvoll-stndig(dT/dt> 0)

Exkurs: Seigerungen Entstehung Diffusion

48


48/352


48

Vernderung der Zusammenset-

zung entlang A-E

Abschlu Erstarrung bei T4: c1*

Zusammensetzung der Gesamt-

heit aller Mischkristalle folgt

der Linie A-F

Verschiebung der Soliduslinie,

bei T2erstarrende Kristalle ha-

ben c2(c2*)


49


49/352


49

bei sehr langsamer Abkhlung:Erstarrung bei T3(B) abgeschlos-sen

bei technischer Abkhlung: beiT3noch Restschmelze, die wie-ter abkhlen kann

Erstarrung abgeschlossen bei T4:

Linie A-F erreichtAusgangszu-

sammensetzung

ausgeschiedene Mischkristalle bei T4: c4(B-reicher als die Schmelze)


50


50/352


50

Kristallseigerungen fhren nach einer Warmumformungmeist zu einem zei-

ligen Sekundrgefgemit unerwnschten Eigenschaften, sowohl imMikro-

als auch im Makrobereich

Mikrobereich: Beeinfluung des Kornwachstums

Vernderung der Umwandlungstemperaturbei einer Wrmebehandlung

Beeinfluung desAufschmelzverhaltens

Verschlechterung des Korrosionsverhaltens

Exkurs: Seigerungen Effekte Diffusion

51


51/352


Makrobereich:

Verschlechterung des Umformverhaltens(Seigerungsrisse)

Verschlechterung der statischen Festigkeitund Schwingfestigkeit

unterschiedliche Verformbarkeitbzw. Zhigkeit des Werkstoffs in Quer- und

Lngsrichtung

Vernderung von

thermischem Ausdehnungsverhalten

Zerspanungseigenschaften

magnetischen Eigenschaften

Beseitigung der Konzentrationsunter-

schiede IsotropiegradDiffusionsglhung an X38CrMoV5-1


52


52/352


Block- oder Makroseigerungen:

Entmischungen, die sich ber ein Korn hinauserstrecken Konzentrations-

unterschiede zwischen unterschiedlichen Bereicheneines Gustckes

zu Kristallseigerungen analoge Entstehung, aber in deutlich grerem Ma-stab

Erstarrung der Schmelze am Randder Form Kristallite wachsen stengel-

frmig in das Innereund schieben eine sich mit Verunreinigungen und be-

stimmten zur Blockseigerung affinen Elementen anreichernden Restschmel-ze vor sich her

Elemente, die zu Blockseigerungen neigen: S > P > C > O > Mn


53


53/352


besonders ausgeprgt bei unberuhigtem Vergie-

endes Stahls: aufsteigende Gasblasen ziehen

dnnflssige, mit Verunreinigungen angereicher-

te Schmelze mit nach oben

unberuhigtes Vergieen nur bei unlegierten Sth-

len mit C < 0,25%

primr erstarrende Kristalle mit geringerer Dichte

als die Restschmelze Aufsteigen und Anreicherndieser Kristalle im oberen Bereichder Schmelze

(z.B. Sb-Kristalle in PbSb-Leg.): Schwerkraftseigerung

unberuhigt vergossener Block


54


54/352


Erholung & Re-kristallisation

55


55/352


Kristallerholung

56


56/352


Kristallerholung engl.: recoveryErholung & Re-kristallisation

Unter Kristallerholung versteht man die Beseitigung der Folgen einer

plastischen Verformung(z.B. Kaltverformung) ohneNeubildung des Gefges

(

Rekristallisation) oder Verschiebung der Korngrenzen.

Verformung erfolgt bei relativ niedrigen Temperaturen verformter Zustandbleibt erhalten (stabile Struktur): mechanisches Krftegleichgewicht, aberthermodynamische Instabilitt

Cave: Bei Kristallerholung findet keine Gefgeneubildungstatt!!!

57


57/352


Kristallerholung engl.: recoveryErholung & Re-kristallisation

hinreichende Aktivierung (unter-halb Rekristallisationstemperatur)

Annihilation von Stufenversetzungen(Ausheilen) Kaltverfestigung

Polygonisation & Subkornbildung(thermodynamische Stabilitt )

58


58/352


Kristallerholung

Rckbildung von Eigenschaften

auf Werte vor der Verformung

(unter Erhalt der Verfestigung)


59


59/352


Rekristallisation

60


60/352


RekristallisationErholung & Re-kristallisation

Recrystallization is the formation of a new grain structure in a deformed

material by the formation and migration of high angle boundaries driven by

the stored energy of deformation. (DOHERTYet al. 1997)

Voraussetzung fr Rekristallisation: berschreiten einer bestimmten Mindest-temperatur(RekristallisationstemperaturTRekrist.)

TRekrist.ist diejenige Temperatur, die bei einem

kaltverformten Gefge mit vorgegebenem Um-formgrad in einem begrenzten Zeitraum (1 h)

zu einer vollstndigen Rekristallisation fhrt.

Abhngigkeiten

Hhe der vorangegangenen

Kaltverformung

Schmelztemperatur des Werkstoffes

61


61/352


mit steigendem Umformgrad sinkt TRekrist.

Zahl der Kristallfehler

Gitterverspannungen

Verformungsenergie (im Gitter gespei-

chert) uere Aktivierung (erhhte Tem-

peratur) zur Rekristallisation notwendig

Cave: Zur Einleitung der Rekristallisation ist

einMindestumformgradkrit.erforderlich!

Rekristallisation

Verformungsgrad


62


62/352


TRekrist.nimmt mit steigender Schmelztem-

peratur des Metalls zu

TS: Zusammenhalt zwischen Atomen

Rekristallisation (Platzwechsel der Me-

tallatome!) ist erschwert

empirischer Zusammenhang(TRekrist./TSin

C):

TRekrist. 0,4 TS164 C

Rekristallisation

Schmelztemperatur


63


63/352


Rekristallisation

berblick


64


64/352


Rekristallisation Kornwachstum

grobes Korn fhrt zu deutlicher Verminderung von Festigkeit und Zhigkeit

Korngrenach der Rekristallisation ist abhngig von

Rekristallisations- oder Glhtemperatur

Umformgradder Kaltverformung

Dauerder Wrmebehandlung

Darstellung im Rekristallisationsdiagramm

Rekristallisation

Kornwachstum


65


65/352


Rekristallisation

Kornwachstum


Rekristallisationsdiagramm

66


66/352


bei gegebener Temperatur kann erst nach

berschreiten eines Mindestumformungs-

gradesR1eine Rekristallisation des Gef-

ges erwartet werden

T: Rekristallisation beginnt bei einem

geringeren Umformungsgrad

knappe berschreitungdes Mindestum-

formgrades relativ grobes Korn

Rekristallisation

Korngre &Umformgrad

t= const


67


67/352


Umformgrade, die deutlich ber dem

Schwellenwertliegen, fhren zu einem re-

lativ feinen Korn (stark verformte Berei-

che als Kristallisationskeime)

Rekristallisation

Korngre &Umformgrad


t= const

68


68/352


Rekristallisation

Korngre &Umformgrad

Grobkorn/Feinkorn inAbhngigkeit vom Umformgrad


69


69/352


Rekristallisation

Korngre &Umformgrad

Grobkorn/Feinkorn inAbhngigkeit vom Umformgrad


70


70/352


gegebener Umformgrad: berschreiten einer be-

stimmten Temperatur R1 Rekristallisation

: Rekristallisation beginnt bei niedrigeren

Temperaturen

Korngredes rekristallisierten Gefges steigt mit

zunehmender berschreitungder Mindestrekristal-lisationstemperatur R

Rekristallisation

Korngre &Temperatur

t= const


71


71/352


Rekristallisation erst nach Erreichen eines

ausreichend hohen Umformgrades

Rekristallisationstemperatur fr diesen

Umformgrad darf nicht unterschritten

werden

Wrmebehandlung mglichst kurz (Korn-vergrerung/sekundre Rekristallisation)

Glhtemperatur = konstant

Rekristallisation

Zusammenfassung


72


72/352


Rekristallisation

sekundreRekristallisation


Unter sekundrer Rekristallisation versteht manAnwachsen einiger Krner

auf ein Vielfaches. In der Folge bildet sich ein unregelmiges Gefgemit

einigen sehr groen Krnern.

Ursachen sind sehr hohe Glhtemperaturenund/oder sehr lange Haltezeiten.

T> TRekrist. (primre) Rekristallisation

Kornvergrerung(einzelne Krner wer-

den von Nachbarkrnern aufgezehrt)

grobkrniges, aber regelmiges Gefge

73


73/352


Hrtemessungenals Indikator des ber-

gangs von Kristallerholung zur Rekristal-

lisation Bereiche I bis IV:

Bereich I: mit steigender Temperatur n-

dert sich die Hrte nur wenig

Bereich II: oberhalb einer bestimmten

Temperatur E: Verminderung der Hrte

Rekristallisation

Erholung vs.Rekristallisation


74


74/352


Bereich III: deutlicher Hrteabfallinner-

halb eines schmalen Temperaturinter-

valls

Bereich IV: oberhalb von Rnur nochge-

ringfgige Hrteabnahme

Rekristallisation

Erholung vs.Rekristallisation


75


75/352


Rekristallisation

Kalt- undWarmverformung

Verformung(z.B. Schmieden, Walzen) unterhalbTRekrist.

begrenzte Verformbarkeit: Zhigkeit und Plastizitt fr (Kaltverfesti-

gung Ri-/Bruchgefahrohne Zwischenglhen)

VerformungoberhalbTRekrist.

Rekristallisation bereits whrendbzw. unmittelbar

nach der Verformung


76


76/352


beliebig starke Verformung mglich(ohne Ri oder Bruch)

verformungssimultane Rekristallisa-

tionbei ausreichend hoher Umform-

temperatur

Rekristallisation

Kalt- undWarmverformung


77


77/352


Glh-

behandlungen

78


78/352


Wrmebehandlung, bestehend aus

langsamem Erwrmen,

Halten auf Glhtemperatur und

nachfolgendem langsamem Abkhlen

nderung der Werkstoffeigenschaftenabhngig von

Glhtemperatur,

Glhdauer und

Abkhlungsartweitere Unterteilung der Phasen bei qualitativ sehr hochwertigen Werkstof-

fen mglich

Glhen engl.: annealing

79


79/352


Thermodynamics of annealing a closer look

Annealing occurs by diffusion of atoms in solid materials

material progresses towards its equilibrium state.

Heat is needed to increase rate of diffusion by providing the energy

needed to break bonds.

Movement of atoms has the effect of redistributing and destroying the

dislocations alteration in dislocations allows metals to deform more

easily, so increases their ductility.

Glhen

80


80/352


The relief of internal stresses is a thermodynamically spontaneous

process, but very slow at room temperature high temperatures

accelerate this process.

The return of the cold-worked metal to its stress-free state has many

reaction pathways, mostly involving elimination of lattice vacancy

gradients within crystal.

Glhen

The amount of process-initiating GIBBSfree energy G in a deformed

metal is also reduced by the annealing process stress relief).

81


81/352


Mechanical properties (eg. hardness and ductility) change as disloca-

tions are eliminated and the metal's crystal lattice is altered.

Heating and cooling brings the atoms at the right lattice site

new grain growth can improve the mechanical properties.

Glhen

82


82/352


Erreichen einesgleichgewichtsnahen

Zustands

Erreichen einesgleichgewichtsfernen

Zustands

THERMODYNAMIK

Glhen

83


83/352


GLHVERFAHREN

Grobk

ornglhen

(Hochglhen)

Spannungsarm-

g

lhen

Diffus

ionsglhen

Rekristallisations-

g

lhen

Norm

alglhen

Weichglhen(Glhen

aufkugeligeCarbide)

Glhen

Glhen 1. Artwerkstoffunabhngig

Glhen 2. Artwerkstoffabhngig

84


84/352


Grobkorn-glhen

85


85/352


Grobkorn-glhen

Grobkornglhen

engl.: coarse-grain annealing

Zerspanungweicher, zher Metalle Probleme:

Bildung langer Fliespne(Gefhrdung/Behinde-

rung bei Maschinenbedienung, Probleme bei Spanent-sorgung; mgliche Beschdigung von Werkzeug und

Werkstck)

Ziel

Das Grobkornglhen ist ein Glhverfahren, das vorzugsweise der Einstellungeinerzerspanungstechnisch gnstigenGefgestrukturdient.

Fliespne

Sinn & Zweck

86


86/352


Zusetzen der Spanrume/Bildung von Aufbauschneiden (Verminderung

der Schnittleistung/Verschlechterung der Oberflchengte)

grobkrnige Metalle besitzen geringe Festigkeit & Zhigkeit einfachere

und wirtschaftlichere Zerspanung

Reispan beschdigt Werkzeug und Werkstck in geringerem Umfang

vereinfachte Spanentsorgung & Vermeidung des Schmierens weicher Metalle

Ziel

Grobkorn-glhen

Sinn & Zweck

87


87/352


bei un- und niedriglegierten Sthlenmit C < 0,5% (Bau-/Einsatzsthle)

prinzipiell aber auf alle Metalle und Legierungen anwendbar

Einsatz von grobkorngeglhten Sthlen nicht nur fr Zerspanung, sondern

auch als weichmagnetische Werkstoffe (z.B. Dynamoblech) in der E-Technik

Ziel

Grobkorn-glhen

Anwendung

88


88/352


Verfahren &innere Vorgnge

Glhtemperaturen: 950 1150 C (ca. 150 C berAc3)

Haltedauer: 1 4 h

Grobkorn-glhen

Verfahren

vollstndige Austenitisierung

89


89/352



langsame Ofenabkhlung

Ausbildunggrober Zementitlamellenim Perlit (Methode fr Sthle mit hhe-

rem Perlitanteil)

Dauer begnstigt zeilige Gefgeausbildung(Oberflchengte wegen stark

unterschiedlicher Festigkeit der Ferrit-Perlit-Zeilen)

schnelle Abkhlung auf 620 670 Cmit isothermem Haltenin Perlitstufe

Vermeidung der Bildung von voreutektoidem Ferritauf den Korngrenzen

(Methode fr C-rmere/perlitrmere Stahlsorten - Zerspanung fhrt zu kurz-

brchigem Reispan; Schmierneigung )

Grobkorn-glhen

Abkhlung

90


90/352



Korngre fr Glhtemperatur , Glhdauer & Abkhlgeschwindigkeit

Grobkorn-glhen

innere Vorgnge

91


91/352



C15normalkrnig grobkrnig (1200 C, 2h)

Grobkorn-glhen

Effekt

92


92/352



grobkrniges Gefge ist energiermerals feinkrniges Gefge (Schaffung

von Oberflchen erfordert Energie)

treibende Kraft fr Kornwachstum: Abnahme der Oberflchenenergie

thermisch aktivierter Vorgang: Erwrmung auf ausreichend hohe Tempera-

tur notwendig, da Kornwachstum an Platzwechselvorgnge der Metallatome

gebunden ist

Kornwachstum ist bei vielen anderen Wrmebehandlungen unerwnscht!

Grobkorn-glhen

Grobkorn

93


93/352



Vermeidung von Grobkorn:

Wachstumshemmungdurch thermisch bestndige Phasenim Austenit (Carbi-

de/Nitride), da diese Phasen Hindernisse fr die Bewegung der Korngrenzen

darstellen

mikrolegierte Sthle (Al, Ti, V, Nb) mit feinkrnigem Gefge: Legierungsele-

mente bildenfeinverteilte Carbide/Nitrideim Gefge Hemmung des Au-

stenitkornwachstums (WS 7 - Einflu der Legierungselemente)

Grobkorn-glhen

Grobkorn

94


94/352


kostenintensivaufgrund der hohen Glhtemperatur

relativ seltene Anwendung wegen geringerer Festigkeit/Zhigkeit &

schlechterer Hrtbarkeit

bei hheren Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Zhigkeit: Normalgl-

hen nach spanender Bearbeitung(nur bei un-/niedriglegierten Sthlen mg-

lich)

Grobkorn-glhen

Nachteile Sonstiges

95


95/352


Spannungs-armglhen

96


96/352


Spannungs-armglhen

Spannungsarmglhen

engl.: stress relief annealing

Abbau/Milderung von Eigenspannungen

Vorteile:

Erhhung der Beanspruchbarkeit

Reduzierung der Herstellungskosten(keine Nacharbeit verformter WS)

Ziel

Das Spannungsarmglhen ist ein Glhen bei einer Temperatur unterhalbAc1 mit anschlieender langsamer Abkhlung zum Abbau innerer Span-

nungen (Eigenspannungen), wobei die brigen Werkstoffeigenschaftenmglichst unverndert bleiben sollen.

Sinn & Zweck

97


97/352


bei allen metallischen Werkstoffen, insbesondere Schmiede- und Guteile

voreiner spanenden Weiterverarbeitung

keine unerwnschteVerformung der WerkstckeEntspannung der Schweinahtzonen von Schweikonstruktionen(z.B. Druck-

behlter)

Schweieigenspannungen begnstigen die Sprdbruchneigung bei hherer

Beanspruchung und tiefen Betriebstemperaturen

Ziel

Spannungs-armglhen

Anwendung

98


98/352


typisches Merkmal: stets im Gleichgewicht Zug- und Druckeigenspannun-

gen treten deshalb immer gemeinsamaufUnterteilung:

Exkurs: Eigenspannungen

Eigenspannungen sind Spannungen, die ohne das Vorhandensein von u-eren Krftenim Inneren eines Werkstcks auftreten.

Eigenspannungen 1. Art Eigenspannungen 2. Art Eigenspannungen 3. Art

Makroeigenspannungenerstrek-

ken sich ber groe Werkstoff-bereiche und befinden sich im

inneren Gleichgewicht; Eingriffe

in dieses Gleichgewicht fhren

zu Ma- und Formnderungen.

Ausdehnung ber kleine Werk-

stoffbereiche (wenige Krner);Eingriffe in das innere Gleichge-

wicht knnenMa- und Formn-

derungen hervorrufen.

Ausdehnung ber kleinste Werk-

stoffbereiche(einige Atomab-stnde); Eingriffe in das innere

Gleichgewicht rufen keineMa-

und Formnderungen hervor.

99


99/352


ungleichmiges Abkhlenin Verbindung mit gehinderter Schrumpfung nach

Schweien, durch Lten oder Abkhlen von Gustcken (feste Schwindung)

Erwrmung Ausdehnung, Abkhlung Schrumpfung: Behinderung dieses

Bestrebens kann zu erheblichen Spannungen im Werkstck fhren

Kaltverformung: Biegen, Hmmern,

spanende Behandlung: Frsen, Hobeln, Drehen,

Gefgeumwandlungenin Teilen eines Werkstcks, z.B. Oberflchenhrten

Eigenspannungen 3. Art: Gitterinhomogenittenals Ursache

Exkurs: Eigenspannungen Eigenspannungen 1. & 2. Art

Entstehung

100


100/352


Eigenspannungen 1. und 2. Art sind in der Regel unerwnscht, da sie nega-

tive Folgen haben:

Erreichen von Hhe der Streck- bzw. Dehngrenzeerreichen berlagerung

der Betriebskrfte, so da bei verhltnismig niedrigen zustzlichen ue-

ren Belastungen Risse oder Brcheauftreten knnen

Verminderung der plastischen Verformungsreserveneines Werkstcks

unerwnschten Ma- und Formnderungenbei der spanenden Bearbeitung

fhren


Auswirkungen

101


101/352


selten: gezielte Einbringung von Eigenspannungenz.B. in Druckbehltern

( Druckprobe)


Auswirkungen

102


102/352


Wirkung von Eigenspannungen 1. Artan einem

Rundstab aus unlegiertem Stahl

Erwrmung auf 700 C, anschlieend zgige Ab-

khlung

ungengender Temperaturausgleichzwischen Oberflche und Kern: Oberflche erkal-

tet schneller als Kern

schnelle Schrumpfung kann im heien, weichen Kern noch keine nennens-

werten Spannungen erzeugen

Abkhlung des KernsSchrumpfung feste Oberflchenbereiche knnen

aber nicht mehr folgen Behinderung der Kernschrumpfung


103


103/352


im Inneren entstehen erhebliche Zug-, an der Oberflche Druckeigenspan-nungen, aber: inneres Gleichgewicht

Einbringung einer Nutauf einer Seite des Rundstabs Strung des inneren

Gleichgewichtsder Eigenspannungen

Einstellung eines neuenGleichgewichtszustands Verformung des Werk-

stcks


104


104/352



Glhtemperaturen: 450 650 C

Haltedauer: 1 2 h

wichtig: niedrige Wrm- und Ab-

khlgeschwindigkeiten(1-5 K/min

bzw. um 1 K/min), um die Entste-

hung neuer Eigenspannungen zu

vermeiden

Spannungs-armglhen

Verfahren

105


105/352



beim Spannungsarmglhen finden keineGefgenderungenund damit auch

keine wesentlichen nderungen von Werkstoffeigenschaftenstatt

Glhbehandlung erhht lediglich die Beweglichkeit der Atome

hohe Spannungen im Werkstckinneren werden mit Erreichen der Glhtem-

peratur durchplastische Verformungenabgebaut Entspannung des Werk-

stcks, aber:

Eine vllige Beseitigung der Eigenspannungen ist nicht mglich;

die Bezeichnung Spannungsfreiglhen ist daher nicht korrekt!

Spannungs-armglhen

innere Vorgnge

106


106/352


Sonstiges

Eigenspannungen 1. Art knnen maximalbis zur

Hhe der Streck- bzw. Dehngrenzebei der jeweili-

gen Glhtemperatur abgebaut werden

Bsp.: zwei Stahlplatten, die mittels Schweinaht

miteinander verbunden sind:

Schrumpfung der heien Schweinahtzone wird

durch die khlen seitlichen Bereiche behindert

Nahtzone mit Zugeigenspannungen, seitliche Bereiche mit Druckeigenspan-nungen

Spannungs-armglhen

Auswirkungen

107


107/352


Sonstiges

Glhen bei 600 C senkt die Warmdehngrenze; es bleiben Spannungen

bestehen

Spannungs-armglhen

Auswirkungen

108


108/352


Diffusions-glhen

109


109/352


Diffusions-glhen

Diffusionsglhen

engl.: homogenizing (anneal)

Beseitigung von lslichen Phasenan den Korngrenzen ( Versprdung des

Werkstoffs) optimierte Voraussetzungen fr weitere WB

Ziel

Das Diffusionsglhen ist ein Glhen beisehr hohen Temperaturenmit ausrei-chend langem Halten, um rtliche Unterschiede der chemischen Zusam-

mensetzung auszugleichen, lsliche, versprdend wirkende Phasen von derKorngrenze in das Korninnere zu transportieren und unlsliche Verbindun-gen in eine weniger schdliche, globulare Form zu berfhren.

Sinn & Zweck

110


110/352


Vernderung der Geometrie unlslicher Gefgebestandteile(Carbide,

Nitride usw.), die die WS-Eigenschaften negativ beeinfluen

Ausgleich rtlicher Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung

(Kristallseigerungen Exkurs Seigerungen)

Ziel

Diffusions-glhen

Sinn & Zweck

111


111/352


abgegossene/warmgeformte Stahlblcke, keine fertigen Bauteile

Beseitigung der negativen Begleiterscheinungendes Diffusionsglhens (Ver-

zunderung, Entkohlung, Grobkornbildung) durch nachfolgende Bearbeitungs-schritte mglich

Knetwerkstoffe: Glhbehandlung am warmgeformten Material, da beim gro-

ben Primrkorn des Gublockes die Diffusionswege zu lang sein knnen

nach Umformung: Gefge mit gewisser Streckung krzere Diffusionswege

krzere Glhdauer (bei konstanter Glhtemperatur)

Ziel

Diffusions-glhen

Anwendung

112


112/352


keine Beseitigung von Blockseigerungen oder Schwerkraftseigerungen(zu

groe Diffusionswege)

Anwendung nur bei hochwertigen Bauteilen/Werkstoffen(hohe Kosten)

Bsp.: hochbeanspruchte legierte Stahlguteile zur Verbesserung der Zhig-

keit oder schwer zu homogenisierende, hochlegierte Werkzeugsthle)

Ziel

Diffusions-glhen

Anwendung

113


113/352


Glhtemperaturen: 1050 - 1300 C

Haltedauer: bis zu 50 h (!)

langsame Abkhlung


Diffusions-glhen

Verfahren


114


114/352


Glhdauer: Abhngigkeit von

Seigerungsgrad

tolerierbarer Restseigerungsgrad nach dem Glhen

Diffusionsgeschwindigkeit der beteiligten Elemente (diffusionstrge Elemen-

te, z.B. Phosphor)

Diffusionsweg (Verformungsgrad des Gefges)


Diffusions-glhen

115


115/352



vollstndige Austenitisierung: Austenit (kfz-Gitter) kann Fremdatome besser

aufnehmen & Diffusion ist erleichtert Konzentrationsausgleich

unlsliche Gefgebestandteile

werden in globulare Form

berfhrt (Koagulation)

Diffusions-glhen

innere Vorgnge

116


116/352


Sonstiges

sehr kostenintensiv(Glhtemperatur & -dauer!)

Schutzgasatmosphrenotwendig, sonst Verzunderung und Entkohlungder

Werkstckoberflche

nach dem Glhen: grobkrniges Gefgemit nachteiligen mechanischen Ei-

genschaften (verminderte Zhigkeit) mehrfaches Normalglhen(Rckfh-

rung in ein feinkrniges Gefge) bei umwandlungsfhigen Werkstoffen (un-

/niedriglegierte Sthle) anschlieen

Diffusions-glhen

Nachteile

117


117/352


Rekristallisa-tionsglhen

118


118/352



Rekristallisationsglhen

engl.: recrystallization anneal

Kaltverformungeines metallischen Werkstoffes fhrt in der Regel zu Kalt-

verfestigungdurch Erhhung von Kristallfehlern(Versetzungen, Leerstellen

usw.) und in der Vernderung der Kristallform

Ziel

Das Rekristallisationsglhen ist ein Glhen bei Temperaturen oberhalb derRekristallisationstemperatur des betreffenden Werkstoffes, um die mit einer

Kaltverformung einhergehende Kaltverfestigung zu beseitigen und damitdieplastische Verformbarkeit wieder herzustellen.

Sinn & Zweck

119


119/352


Kaltverformung:

Festigkeit & Hrte

Zhigkeit & Verformbar-keit

Glhbehandlung: Beseitigung

der Vernderungen durch Bil-

dung eines vllig neuen Gef-gesmit vergleichbaren Eigen-

schaften

Ziel


Sinn & Zweck

120


120/352


nicht nur auf Sthle begrenzt, sondern auf eine Vielzahl von Metallen und

Legierungen anwendbar

Rekristallisationsglhen besonders in folgenden Fllen:

Halbzeuge mit kleinen Querschnitten und engen Toleranzen, z.B. Feinblech,

Draht usw., die durch Kaltverformung hergestellt werden, um Risse/Brche

bei starker Umformung zu vermeiden (Verformung Glhen Verformung)

Fertigteile, die durch Tiefziehen oder Massivumformung hergestellt werden

(Wiedergewinnung der plastischen Verformbarkeit)

Ziel


Anwendung

121


121/352



Erwrmung auf Mindestrekristallisationstemperatur TRekrist.

(abhngig vom Verformungs-

grad) bei Sthlen 550 700C

Haltezeit: abhngig von der Glh-

temperatur; wenige Minuten bis

einige Stunden


Verfahren

122


122/352



bei hinreichend starker Kaltverformung findet mit Erreichen der Glhtem-

peratur eine vllige Gefgeneubildung, eineprimre Rekristallisation, statt

Keimbildung:

Kristallisationskeime: am strksten verformten Bereiche des Kristallgitters

treibende Kraft fr Kornneubildung: die in den stark verformten Gitterbe-

reichen gespeicherte potentielle Energie


innere Vorgnge

123


123/352



Kornwachstum: alte, verformte Krner werden nach und nach aufgezehrt,

bis schlielich ein vollkommen neues, ungestrtes Kristallgitterentstanden

ist Werkstoff erhlt seine ursprngliche Zhigkeit und Verformbarkeitzurck

beim Rekristallisationsglhen findet keine Gefgeumwandlungstatt


innere Vorgnge

124


124/352



Zusammenfassung der Vorgnge:


innere Vorgnge

125


125/352


Sonstiges

statt Rekristallisationsglhen auch Normalglhen mglich

Vorteile:

geringere Gefahr des Verzundernsder Oberflche (niedrige Temperaturen!)

geringere Gefahr des Verzugs

Gefgeneubildung kann auch bei umwandlungsfreien Sthlen(z.B. hochle-

gierte austenitische oder ferritische Sthle)

Nachteil:

grberes Korn(verglichen mit dem Ausgangsgefge)


Vor-/Nachteile

126


126/352


Normal-glhen

127


127/352


Normal-glhen

Normalglhen

engl.: normalizing

Sthle mit Ferrit-Austenit-Umwandlung

Ziel

Das Normalglhen hat die Bildung eines von der Vorbehandlung unabhn-gigen, gleichmigen und mglichst feinkrnigen Gefgesmit globularem

Korn zum Ziel. Dieses Gefge hat zumindest bei unlegierten Sthlendiebeste Kombination von Festigkeits- und Zhigkeitseigenschaften. DieserNormalzustand lt sich durch das Normalglhen immer wiederherstellen.

Anwendung

128


128/352


typischeAnwendungsbereichefr das Normalglhen:

Beseitigung eines kaltverformten Gefgesmit richtungsabhngigen mecha-

nischen Eigenschaften (Walzstrukturmit deutlich schlechterer Zhigkeit undplastischer Verformbarkeit)

Beseitigung von grobkrnigem Gefgedurch vorausgegangene Wrmeein-

flsse (z.B. Schweien, Grobkornglhen) oder Kornwachstum eines kaltver-

formten Gefges nach Rekristallisationsglhen

Ziel

Normal-glhen

Anwendung

129


129/352


Beseitigung von WIDMANNSTTTENschem Gefge(mit schlechter Zhigkeit; im

Stahlgu mit 0,15-0,35% C und hohen Abkhlgeschwindigkeiten nach dem

Gieen)

Verbesserung von Festigkeit und Zhigkeit bei Bausthlen

Ziel

Normal-glhen

Anwendung

130


130/352


Ziel

Normal-glhen

Anwendung

131


131/352



unlegierte Sthle: Glhtemperatur 30 50 C oberhalbAc3(Linie G-S)


legierte Sthle: Glhtemperatur 50 100 C oberhalbAc3 mit ErreichenvonAc1Umwandlung Perlit Austenit

Abkhlung mit Hilfe von Druckluft, an ruhender Luft oder im Ofen

Normal-glhen

Verfahren untereutektoide Sthle (C < 0,8%)

132


132/352



Korngrenzen zwischen einzelnen Kristallplatten

des Perlits als Kristallisationskeime

Umwandlung an vielen Stellen gleichzeitig fein-krniger Austenit

Glhtemperatur(>Ac3): Ferrit feinkrniger Au-

stenit

Normal-glhen

innere Vorgnge untereutektoide Sthle (C < 0,8%)

133


133/352



langsame Abkhlung: nach Unterschreiten vonAr3

Bildung einesfeinmaschigen Ferritnetzesauf den

KorngrenzenTemperatur


134/352



keine vollstndige Austenitisierung(Grobkorn-

wachstum!), nur bis 30 60 C berAc1(Linie

S-K)

Glhtemperatur(>Ac1): Perlit feinkrniger Auste-

nit; Zementitausscheidungen bleiben erhalten

langsame Abkhlung: feinkrniges perlitisches Ge-

fge mit eingeformten Zementiteinschlssen

Normal-glhen

bereutektoide Sthle (C > 0,8%)innere Vorgnge

135


135/352



Normal-glhen

bersicht

136


136/352


Weich-glhen

137

i h


137/352


Weich-glhen

Weichglhen

engl.: soft annealing

Formnderungdes plattenfrmig in den Perlitkrnern vorliegenden Zemen-titbzw. der Carbide

Ziel

Durch das Weichglhen soll der Stahl eine mglichst geringe Festigkeitundeine geringe Hrtebei gleichzeitig hoher Verformbarkeiterhalten. Weich-geglhte Sthle lassen sich einfacher und wirtschaftlicher zerspanen undumformen. Darber hinaus lt sich eine bessere Oberflchenqualitt beider Zerspanung erreichen.

Sinn & Zweck

138

W i h


138/352


bei allen Sthlen in folgenden Fllen:

Herstellung einesgnstigen Ausgangszustands fr eine spanlose Weiterver-

arbeitung(Umformung) geringere Festigkeit und Hrte & erhhte Verformbarkeit

Herstellung eines optimalen Gefgezustands fr nachfolgendes Hrten(bei

Werkzeugsthlen)

feine Verteilung des Zementits/der Carbide, die sich bei Erreichen derHrtetemperatur aufgrund der groen Oberflchen schneller auflsen

Ziel

Weich-glhen

Anwendung

139

W i h


139/352


spanende Weiterverarbeitung: Weichglhen nur fr C > 0,5% (sonst zu weich

nach dem Glhen Schmieren bei Zerspanung)

Ziel

Weich-glhen

Anwendung

140

Weich


140/352



untereutektoide Sthle: Erwr-

mung auf Temperaturen dicht un-

terhalb vonAc1(Linie P-S)bereutektoide Sthle: Erwr-

mung auf Temperaturen knapp

oberhalb vonAc1(Linie S-K) oder

pendelnd umAc1

Haltezeit: etwa 100 Stunden (!)

Weich-glhen

Verfahren

141

Weich


141/352



keine signifikanteGefgevernderung

Effekt des Weichglhens: im Perlit enthaltene Zementit- bzw. Carbidplatten

bzw. bei bereutektoiden Sthlen zustzlich die Ausscheidungen zeigen Nei-gung zeigen, sich an den Korngrenzen in kugelige Form umzuwandeln (ener-

getisch gnstiger!)

Weich-glhen

innere Vorgnge

142

Weich


142/352



Weich-glhen

innere Vorgnge

143

Weich-


143/352



Einformung der Zementitkristalle/Carbide:

Teile der Platten im Ferritkristallgehen in Lsung

(Vorstufe der Zementit- bzw. Carbidauflsung beiAc1)

Folge: Zerteilung grerer, zusammenhngender

Platten in kleinere Abschnitte, die sich unter dem

Einflu der Oberflchenspannung kugelig umwan-

deln

Weich-glhen

innere Vorgnge

144

Weich-


144/352



zunehmende Einformung Festigkeit/Hrte,plastische Verformbarkeit

Weich-glhen

innere Vorgnge

145

Weich-


145/352



Pendeln um Ac1:

bereutektoide Sthle: schnelle Einformung

Glhdauer , da nicht vollstndig aufge-lste Zementit-/Carbidreste als Keime einer

direkten Bildung von krnigem Zementit/kr-

nigen Carbiden bei Abkhlung unterAr1wirken

Weichglhen

innere Vorgnge

146

Weich-


146/352



untereutektoideSthle: Verzicht auf Pendeln und Glhen dicht unterhalb

vonAc1

Vermeidung der Anlagerung von Zementit/Carbiden an Ferritkorngrenzen(Zhigkeit )

Weichglhen

innere Vorgnge

147

Glhtemperaturen


147/352


Glhtemperaturen

148


148/352


Hrten

149


149/352


Einfhrung

150

Einfhrung


150/352


Einfhrung

Erhhung der Hrte und Verschleibestndigkeit(Hrten in Verbindung mit

nachfolgendem Wiedererwrmen, dem sogenanntenAnlassen)

Erhhung der Zhigkeit bei vorgegebener Festigkeitbzw. der Einstellung

eines vorgegebenen Verhltnisses von Zhigkeit und Festigkeit (Hrten plus

Anlassen auf hhere Temperaturen, das sogenannte Vergten)

Unter Hrten versteht man nach EN 10052 das Erwrmen auf Hrte-temperatur (auch als Austenitisierenbezeichnet) und nachfolgendem Ab-khlen mit solcher Geschwindigkeit, da oberflchlich oder durchgrei-fend eine erhebliche Hrtesteigerung durch Martensitbildungeintritt.

Sinn & Zweck

151

Einfhrung


151/352


verfahrenstechnische Schritte:

Einfhrung

Erwrmen kurzes Halten Abschrecken

Prinzip

Erwrmen

Anwrmen: Zeitspanne bis zum Erreichen der Hrte-

temperatur an der Werkstoffoberflche

Durchwrmen: Zeitspanne vom Erreichen der Hrte-

temperatur an der Oberflche bis zum Erreichen der

Hrtetemperatur im Kern des Werkstcks

152

Einfhrung


152/352


Dauer: wenige Minuten bis etwa eine Stunde; Abschtzung der Haltedauer

mit Hilfe von ZTA-Diagrammen

Ziel: homogene C-Verteilung im Austenit

Einfhrung

kurzes Halten

Abschrecken: Abkhlvorgang mit hherer Abkhlge-

schwindigkeit als an ruhender LuftAbschrecken kann kontinuierlichoder (zur Verminde-

rung innerer Spannungen) stufenweiseerfolgen

Abschrecken

Prinzip

153

Einfhrung


153/352


Hrtetemperatur hngt von der chemischen Zusammensetzungdes Stahls

ab:

C-Gehalt & Art/Menge eventuell vorhandender Legierungselemente

unlegierte, untereutektoide Sthle(C < 0,8%): Erwrmen auf Temperaturen

30 60 C oberhalbAc3(Linie GS) mit vollstndiger Austenitisierung

Hrtetemperaturen entsprechen etwa den Glhtemperaturen beim Nor-

malglhen

unlegierte, bereutektoide Sthle (C > 0,8%): Erwrmen auf 780 820 C

legierte Sthle: Erwrmung auf deutlich hhere Temperaturen (abhngig

von Art & Menge der LE), um vollstndige Carbidauflsung sicherzustellen

EinfhrungHrtetemperatur


154/352

155


155/352


Gefge-

ausbildung

156

Gefge-Abkhlgeschwindigkeit &


156/352


ausbildung

Hrten & Vergten: Umwandlung kfz krz bedeutend

(unlegierte) Sthle: homogenes austenitisches Gefge oberhalb GSE

T: gesamter Kohlenstoff ist auf Zwischengitterpltzenin das kfz-Gitter

desEisens eingelagert

T (unterhalb PSK): krz-Gitter des Ferrits mit sehr geringer C-Lslichkeit

nahezu gesamter Kohlenstoff liegt als Zementitim Gefge vor

Abkhlungeines (unlegierten) Stahls aus dem Austenitgebiet Gitterum-

wandlung kfz krz Mglichkeit der Umwandlung(d.h. Diffusion der Fe- und C-Atome) hngt

sehr stark von derAbkhlgeschwindigkeitab

g gGefgeausbildung

157

Gefge-bild

Abkhlgeschwindigkeit &


157/352


ausbildung

zunehmende Abkhlgeschwindigkeit:

Diffusionszeit zunehmende Unterkhlung des Austenitkristalls

Umwandlung findet bei tieferen Temperaturen unter zunehmend erschwer-

ten Diffusionsbedingungenstatt (Temperaturabhngigkeit der Diffusionsge-schwindigkeit!)

Umwandlungsmechanismus& entstehende Gefgeformenndern sich

Gefgeausbildung

158

Gefge-bild

Abkhlgeschwindigkeit &


158/352


ausbildung

Unterscheidung nach Art der Unterkhlung (Unterkhlungsstufen):

Umwandlungen in der

PerlitstufeC-Diffusion mglichFe-Diffusion mglich

langsame Abkhlung

Umwandlungen in der

BainitstufeC-Diffusion erschwert

Fe-Diffusion unmglich

mittlere Abkhlung

Umwandlungen in derMartensitstufe

C-Diffusion un mg li chFe-Diffusion unmglich

schnelle Abkhlung

Gefgeausbildung

159

Gefge-bild


159/352


ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe

160

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

P li f


160/352


ausbildung

langsame Abkhlung(< 1 K/s): Bildung von Gefgeformen nach dem EKD

Diffusion von Fe- und C-Atomen ausreichend hoch

sehr langsame (unendliche langsame) Abkh-

lung: Bildung von Perlit Toberhalb GS: austenitisches Gefge, d.h.

der gesamte Kohlenstoff ist im Kristall gelst

Phasengrenze GS: Diffusion von C-Atomen an

den Austenitkorngrenzen in benachbarte Git-

terbereiche

Perlitstufe

C50

161

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

P lit t f


161/352


ausbildung

C-arme Zonen: Austenit voreutektoider

Ferrit, mit weiterer Anreicherung von C im

Austenit (bis 0,8% bei 723 C)

T unterhalb PS: eutektoider Zerfalldes Au-stenits in Ferrit und Zementit

Perlitstufe

C50

162

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

P lit t f


162/352


ausbildung

Perlitbildung durch Austenitzerfall:

Beginn an der Korngrenzenoder an Versetzungen(mit

hheren C-Konzentrationen aus energetischen

Grnden)

Bildung von Zementitkeimen, die derUmgebung C entziehen, d.h.Austenitbereiche

verarmen an C

Perlitstufe

163

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitst fe


163/352


ausbildung

Keimbildungfr Ferrit gnstigerals Wachstumsbedin-

gungen fr Zementit Wachstum des Ferritkeims fhrt

(wegen geringer C-Lslichkeit) zu einem Zurckdrngen

des Kohlenstoffsin das benachbarte Austenitgitter

Perlitstufe

164

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


164/352


Anreicherung des Kohlenstoffsim Austenitgitter bis

zum Grenzwert erneute Bildung und Wachstum von

Zementit

im Verlauf des Austenitzerfalls schieben sich abwech-

selnd Zementit- und Ferritplattenin den Austenit vor

Bereich gleicher Lamellenausrichtung im Perlit: Kolonie

ausbildungPerlitstufe

165

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


165/352


Perlitbildung durch eutektoide Umwandlung des Auste-

nits endet, sobald Austenit aufgebraucht ist

Abstand der Zementitlamellen: ca. 1 m

Perlitbildung ist an die Notwendigkeit der C-Diffusion

und aufgrund der Zementitbildung an die Fe-Diffusion

gebunden


166

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


166/352


beschleunigte Abkhlung in der Perlitstufe:

erhhte Abkhlgeschwindigkeit (zunehmende Entfernung vom Gleichge-

wicht) Verschiebung der Umwandlungen zu tieferen Temperaturen

Zeit reicht nicht mehr zum Ablauf aller notwendigen Diffusionsvorgnge

aus

Folge: betrchtlichenderungen im Ablauf der Umwandlungensowie in der

Art, Menge und Verteilung der sich bildenden Gefgebestandteilebzw.

GefgeartenEKD verliert zunehmend seine Aussagekraft


167

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


167/352



Verschiebung der Umwandlungstemperaturenmit beschleunigter Abkhlung:

168

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


168/352


nderungen bei beschleunigter Abkhlung:

Ar3-Temperatur(Linie GS) bei der sich erstmals voreutektoider Ferrit an den

Austenitkorngrenzen ausscheidet (und in untergeordnetem Mae auchAr1,

Linie PS, der Perlitbildung) sinkt mit zunehmender Abkhlgeschwindigkeit

zunehmende Unterkhlung des Austenits Ar3sinkt strker ab alsAr1Aufspaltung des eutektoiden Punktes

fr Sthle mit C < 0,2%: keine voreutektoide Ferritausscheidungmehr

Perlitanteil : diffusionsgesteuertes Ferritwachstum im Temperaturbe-

reich zwischenAr3undAr1(zunehmend weniger Zeit) Keimbildungsgeschwindigkeit Anzahl der Kristallisationskeime der

Perlitbildung


169

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


169/352


Lamellenbreite des Perlits : Diffusionsgeschwindigkeit/Diffusionsweg

fr steigende Abkhlgeschwindigkeit, aber Keimbildungsgeschwindigkeit/An-

zahl der Kristallisationskeim der Perlitbildung

(veraltete) Bezeichnungen fr unterschiedliche Perlit-ausbildungen:

Sorbitfeinlamellares perlitisches Gefge

Troostitfeinstlamellares, meist rosettenfrmiges

Gefge

Sorbit & Troostit stellen keine eigenen Gefgebe-standteile dar, sondern sind besondere Perlitformen

gPerlitstufe

170

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Perlitstufe


170/352


g

Zusammenfassung

Die Perlitstufeliegt im oberen Temperaturbereich der Umwandlung des Au-

stenits (450 720 C) und ist aufgrund der hinreichend hohen Temperatur

durch die Mglichkeit der Diffusion von C- und Fe-Atomen sowie gegebe-

nenfalls von Legierungselementen gekennzeichnet. Zu den Umwandlun-

gen in der Perlitstufe zhlt man nicht nur die Perlitbildung einschlielich

Sorbit und Troostit, sondern auch alle gleichgewichtsnahen Umwandlun-

genentsprechend dem EKD ( Werkstoffe 5).

Perlitstufe

171

Gefge-ausbildung


171/352


g

Umwandlungen in der

Bainitstufe

172

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


172/352


Abkhlgeschwindigkeit : Umwandlungstemperatur C-Diffusion

Diffusion der greren Fe-Atomepraktisch nicht mehr mglich

eingeschrnkte Diffusionsmglichkeiten Verlust der platten- bzw. lamel-

laren Anordnungder Ferrit- bzw. Zementitkristalle

Umwandlungsmechanismusdes Austenits ber Keimbildung & Wachstum ist

nicht mehr mglich(der Perlitbildung vergleichbar)

Umwandlungdes deutlich unterkhlten Austenits in Bainit

(sogenanntes Zwischenstufengefge)

Bainitstufe

Bainit in 100Cr6

173

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


173/352


Zwischenstufengefge: Bainitbildung weist entsprechend ihrer Stellung

Merkmale der Perlitbildung (beschrnkte Diffusion von C-Atomen)

Merkmale der Martensitbildung (Umklappen des Austenitgitters)

auf

Unterscheidung nach Bildungsmechanismus:

Bainitstufe

obererBainit

untererBainit

174

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


174/352


Bildungimoberen Teil der Bainitstufe(350 570 C)

Gefge: hnlichkeiten in der Erscheinung mit Perlit, je-

dochweniger regelmige Anordnung bndelweise nebeneinander angeordnete, lngliche

Platten aus bainitischem Ferrit

krz-Gittermit wenigen C-Atomen auf Zwischengitterpltzen und hherer

Versetzungsdichteals untereutektoider Ferrit

Bainitstufe

obererBainit

175

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


175/352


Charakteristikum: ausgeschiedene stbchenfrmige Zementitkristallezwi-

schen Ferritplatten

bei der Bildung von oberem Bainit wachsen lanzett- oder plattenfrmigeBereicheaus Ferritkristallen nach und nach in den Austenitkristall hinein

Bildung der krz-Ferritplatten aus kfz-Austenit: diffusionslose, gekoppelte,

koordinierte Bewegung ganzer Gruppen von Fe-Atomen im Austenitgitter

(Umklappen Martensitstufe)

obererBainit

176

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


176/352


Bildung der Ferritplatten geht C-Diffusion im Austenitvoraus: Entstehung

C-armer Bereiche, bis die zum Umklappen notwendige Konzentration unter-

schritten wird Diffusionsbedingungen:

noch verhltnismig gut(zumindest fr C) paralleles Wachstummehrerer Ferritplatten

C-Diffusionvon der Phasengrenze Ferrit-Austenit in die Ferritbereiche

Anreicherung bis zur bersttigung Ausscheidung von Zementitkristallenzwischen den Ferritplatten

Produkt: quasi perlitnahes Gefge

obererBainit

177

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


177/352


Bildungim unteren Teil der Bainitstufe (zwischen der

Martensit-StarttemperaturMSund etwa 350 C)

Gefge: groehnlichkeit mit Martensit Ferritplatten, die berwiegend in Form verzweigter

Gruppen unter bestimmten Winkeln angeordnet sind

Charakteristikum: stbchenfrmige Zementitkristalle,

Ausscheidung innerhalb der Ferritplatten unter einem Winkel 50-60

zur

Hauptachse der Ferritnadeln

Bildung von unterem Bainit geht Umklappen desAustenitgittersvoran

untererBainit

178

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


178/352


Diffusionsbedingungen:

schlecht fr C-Atome: kein rechtzeitiges Verlassen aus den sich umwan-delnden Bereiche Zwangslsungin den Ferritkristallen

Ferritgitter bietet bessere Diffusionsmglichkeiten fr C-Atome

Erleichterung der C-Diffusionin den Ferritplatten nach dem Umklappendes Austenitgitters

C-Atome entkommen aus ihrer Zwangslsung im Kristallgitter der

Ferritplatten Ausscheidung in feinverteilter Form innerhalb der Ferritmatrix Bil-

dung der stbchenfrmigen Zementitkristalle

untererBainit

179

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


179/352


Produkt: quasi martensitnahes Gefge

untererBainit

180

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Bainitstufe


180/352


Eigenschaften:

hohe Festigkeit bei gleichzeitig ausgezeichneter Zhigkeit

berlegenheitin mechanischen EigenschaftengegenberVergtungsgefgen gezielte Erzeugung bainitischer Gefge: Bainitisieren

sehr hufig als Gefgebestandteil im Kernbereich von gehrteten Werkstk-

kenmit grerem Durchmesser

kritische Abkhlgeschwindigkeitzur vollstndigen Martensitbildungnotwendig wird nicht mehr berschritten

untererBainit

181

Gefge-ausbildung


181/352


Umwandlungen in der

Martensitstufe

182

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Martensitstufe


182/352


Bildungim untersten Bereich der Austenitumwandlung

weder C- noch Fe-Diffusion mglich

verbliebener & stark unterkhlter Austenit(nicht in Perlit/Bainit umgewan-

delt): Umwandlung inMartensitunterhalb der Martensit-Starttemperatur MS

Eigenschaften:

sehr hohe Hrteund Festigkeit

sehrgeringe Zhigkeitundplastische Verformbarkeit

martensitische Gefge: gezielte Erzeugung beim Hr-tengeeigneter Sthle

Martensit in C35

183

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Martensitstufe


183/352


Entstehung:

Umwandlung des kfz-Austenitgittersdurch diffusionslose, gekoppelte, koor-

dinierte Bewegung ganzer Atomgruppenin eine raumzentrierte Struktur

Unterschied zur Bainitbildung: C-Atome knnen Kristallgitter nicht mehr

rechtzeitig verlassen (Zwangslsung) starke bersttigungdes raum-

zentrierten Kristallgitters

zwangsgelste C-Atome verursachengroe tetragonale Verzerrungdes ur-

sprnglich kubischen Kristallgitters stark eingeschrnkte Mglichkeit von Versetzungsbewegungenhohe

Hrte/Festigkeit & Sprdigkeit

184

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Martensitstufe


184/352


Unterscheidung nach C-Gehalt des Stahls:

Massivmartensit (Lanzett- oder Lattenmartensit)

Plattenmartensit

185

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Martensitstufe


185/352


untere kritische Abkhlgeschwindigkeit vuk: diejenigeAbkhlgeschwindig-

keit, bei der zum ersten Mal der fr die Hrtesteigerung verantwortliche

Martensit auftritt

abhngig von der Zusammensetzungdes Stahls &Abkhlgeschwindigkeit

tritt neben Martensit & Bainit mitunter auch Perlit und ggf. Ferrit imGefge auf

sehr hohe Abkhlgeschwindigkeiten(Abschrecken mit Eiswasser/flssigerLuft): rein martensitisches Gefge Umwandlung des Austenits findetausschlielich in der Martensitstufe statt

186

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

Martensitstufe


186/352


obere kritische Abkhlgeschwindigkeit vok: diejenigeAbkhlgeschwindig-

keit, bei der das Gefge ausschlielichaus dem uerst harten aber spr-

den Martensitbesteht

187

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

PerlitstufeUmwandlungen in der

BainitstufeUmwandlungen in der

Martensitstufe


187/352


Zusammenfassung

188

Gefge-ausbildung

Umwandlungen in der

PerlitstufeUmwandlungen in der

BainitstufeUmwandlungen in der

Martensitstufe


188/352

WERKSTOFFE 6 Dr. Bernd Stange-Grne

Documents

Werkstoffe-6-Warmebehandlung-Der-Stahle.pdf