Wärmebehandlung von Stahl - Stirnabschreckversuch nach DIN EN

Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Wärmebehandlung von Stahl - Stirnabschreckversuch
nach DIN EN ISO 642
1.
Versuchsziel und Aufgabenstellung
In diesem Praktikum geht es darum, das Thema Wärmebehandlung von Stahl zu erarbeiten.
Zu diesem Zweck wird der Stirnabschreckversuch nach Jominy für verschiedene Stahlsorten
durchgeführt. Weiterhin werden Proben auf ihre Kerbschlagzähigkeit untersucht. Aus der
Analyse dieser Versuche soll das Verhalten des jeweiligen Stahls beim Härten nachvollzogen
und diskutiert werden.
2.
Grundlagen
In der DIN EN 10020 werden Stähle nach ihrer chemischen Zusammensetzung und nach
Hauptgüteklassen unterteilt. Nach ihrer chemischen Zusammensetzung werden zwei große
Gruppen von Stählen unterschieden: unlegierte (Kohlenstoffstähle) und legierte Stähle.
Unlegierte Stähle, die für keine besondere Wärmebehandlung vorgesehen sind, werden mit
dem
Kurzkennzeichen
S
zusammen
mit
dem
Zahlenwert
der
gewährleisteten
Mindeststreckgrenze bezeichnet, z.B. S235 (früher Mindestzugfestigkeit, z.B. St37).
Unlegierte Stähle, die für eine besondere Wärmebehandlung vorgesehen sind, werden mit
dem Buchstaben C und dem Zahlenwert für das Hundertfache des Gehaltes an Kohlenstoff
gekennzeichnet, z.B. C45.
Legierte Stähle können unterteilt werden in
• niedriglegierte Stähle mit einem Gehalt an Legierungselementen unter 5%
• hochlegierte Stähle mit einem Gehalt an Legierungselementen von 5%.
Sowohl unlegierte und als auch legierte Stähle können zum einen nach Hauptgüteklassen und
zum anderen nach ihren Einsatzgebieten weiter unterteilt werden. Beispiele für die Einteilung
nach Einsatzgebiet sind z.B. Baustähle, nichtrostende Stähle, Vergütungsstähle usw.
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Nach Hauptgüteklassen werden Stähle in drei Gruppen unterteilt:
• Grundstähle, deren Eigenschaften nicht das Ergebnis einer Wärmebehandlung sind.
• Qualitätsstähle, an die besondere Anforderungen gestellt werden können.
• Edelstähle,
deren
besondere
Eigenschaften
durch
eine
Wärmebehandlung
sichergestellt werden können.
Die im Praktikum verwendeten Stähle lassen sich wie folgt charakterisieren:
Der Stahl C45 ist ein unlegierter Qualitätsstahl und gehört zu den Vergütungsstählen;
X100CrMoV5-1 ist ein hochlegierter Kaltarbeitsstahl. Darüber hinaus wird jedem Stahl neben
der Bezeichnung (z.B. 42CrMo4) noch eine Werkstoffnummer verliehen. Eine Übersicht über
diese Materialien gibt Tabelle 1.
Tabelle 1: Einteilung der im Rahmen des Praktikumsversuchs verwendeten Stähle
Bezeichnung
Werkstoffnummer
Gruppe
Einsatzgebiet
C45
1.1730
unlegierter
Qualitätsstahl
Vergütungsstahl
X5CrNi 18-10
1.4301
hochlegierter Stahl
nichtrostender Stahl
X100CrMoV5-1
1.2363
hochlegierter Stahl
Kaltarbeitsstahl
Das Härten von Stahl im klassischen Sinne ist eine Wärmebehandlung. Es basiert auf einer
Änderung der Phasenzusammensetzung des Gefüges. Dies lässt sich anhand des
Gleichgewichtsdiagramms für das binäre System Fe-C (siehe Abbildung 1) nachvollziehen:
Ein umwandlungsfähiger Stahl wird zunächst durch Erhitzen auf Temperaturen oberhalb von
G-S-E austenitisiert. Nach einer gewissen Glühdauer im einphasigen γ-Gebiet wird der Stahl
abgeschreckt. Meist kommen Wasser, Öl oder Luft dabei zum Einsatz. Durch die erhöhte
Abkühlgeschwindigkeit ergeben sich deutliche Abweichungen vom Gleichgewichtszustand,
je schneller abgeschreckt wird, desto größer die Abweichung.
Um das Umwandlungsverhalten der Stähle im Ungleichgewichtsfall -dem Abschrecken- zu
beschreiben, ist das Gleichgewichtsdiagramm Fe-C allerdings nicht geeignet. Hierzu werden
ZTA- und ZTU- Diagramme verwendet.
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Abbildung 1: Gleichgewichtsdiagramm für das binäre System Fe-C
ZTA-Diagramm
ZTA-Diagramm ist die Abkürzung von Zeit-Temperatur-Austenitisierungs-Diagramm
(Abbildung 2). Dieses Diagramm beschreibt den Austenitisierungsvorgang eines Stahls beim
Erwärmen im Ungleichgewichtszustand. Dabei ist zwischen dem isothermen und dem
kontinuierlichen ZTA-Diagramm zu unterscheiden.
Durch die Ac1- und Ac3- Temperaturen werden in den ZTA-Diagrammen die Anfangs- und
Endpunkte der austenitischen Umwandlung von untereutektoiden Stählen festgelegt. Das
isotherme ZTA-Diagramm zeigt den Anfangs- und Endzeitpunkt der austenitischen
Umwandlung bei konstanter Temperatur. Das kontinuierliche ZTA-Diagramm hingegen
beschreibt die Anfangs- und Endtemperatur der austenitischen Umwandlung bei
unterschiedlichen Erwärmungsgeschwindigkeiten.
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a) isothermes ZTA-Diagramm
b) kontinuierliches ZTA-Diagramm
Abbildung 2: Isothermes und kontinuierliches ZTA-Diagramm
ZTU-Diagramm
ZTU ist die Abkürzung für Zeit-Temperatur-Umwandlung. Auch hier ist zwischen dem
isothermen und dem kontinuierlichen ZTU-Diagramm zu unterscheiden (Abbildung 3). Das
isotherme ZTU-Diagramm stellt den Ablauf bzw. die Anfangs- und Endpunkte der
Umwandlungen verschiedener Gefüge bei konstanter Temperatur dar. Das kontinuierliche
ZTU-Diagramm hingegen zeigt den Ablauf der Umwandlungen bei unterschiedlichen
Abkühlgeschwindigkeiten.
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
a) isothermes ZTU-Diagramm
b) kontinuierliches ZTU-Diagramm
Abbildung 3: Isothermes und kontinuierliches ZTU-Diagramm
Das ZTU-Diagramm zeigt, dass der Austenit sich je nach Geschwindigkeit und Art und Weise
der Abkühlung in verschiedene Phasen umwandeln kann. Die wichtigen Phasen sind Ferrit,
Karbid, Bainit und Martensit (Im Diagramm durch die jeweiligen Anfangsbuchstaben
gekennzeichnet). Aus solchen Phasengemischen entstehen unterschiedliche Gefüge mit ganz
bestimmten Eigenschaften:
• Ferritisch-perlitisches Gefüge, das aus dem Gemisch von primärem Ferrit und Perlit
besteht
• Perlitisches Gefüge, das nur aus dem Perlit besteht
• Bainitisches Gefüge oder perlitisch-bainitisches Gefüge
• Martensitisches Gefüge oder martensitisch-bainitisches Gefüge.
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Beim Härten von Stahl unterscheidet man die Begriffe Einhärtung und Aufhärtung. Wenn bei
einem Stahl eine kritische Abschreckgeschwindigkeit überschritten wird, kommt es zur
Martensitbildung. Dieser Vorgang wird als Aufhärten bezeichnet. Das Ausmaß der
Martensitbildung –und damit die Aufhärtung- sind wesentlich vom Kohlenstoffgehalt des
Stahls
abhängig.
Die
Einhärtung
hingegen
definiert
den
Härteverlauf
über
die
Werkstücklänge, d.h. den Härtewert in Abhängigkeit vom Abstand zum Ort der größten
Abschreckung. Der Gehalt an Legierungselementen hat wesentlichen Einfluss auf die
erforderliche kritische Abkühlgeschwindigkeit und somit auf die Einhärtung eines einseitig
abgeschreckten
Werkstückes.
Das
führt
dazu,
dass
zwei
Stähle
mit
gleichem
Kohlenstoffgehalt und unterschiedlichem Anteil an Legierungselementen zwar eine
vergleichbare Aufhärtung, jedoch völlig unterschiedliche Einhärtung besitzen können.
Metallphysikalisch kann man die Mechanismen der Aufhärtung und der Einhärtung wie folgt
verstehen: mit der Umwandlung des γ-Mischkristalls in den α-Mischkristall sinkt die
interstitielle Kohlenstofflöslichkeit stark ab. Dies liegt in der unterschiedlichen Gitterstruktur
von γ- bzw. α-Mischkristall begründet. Verläuft die Abkühlung im Gleichgewicht, das heißt
unendlich langsam, so wird mit der abnehmenden Löslichkeit der Kohlenstoff als Grafit
ausgeschieden. Bei rascher Abkühlung jedoch verbleiben die Kohlenstoffatome in den
Zwischenräumen des α-Mischkristallgitters. Das entstehende Gitter, der Martensit, ist daher
gegenüber dem Gleichgewichts-α-Mischkristall (krz) tetragonal verspannt, was in einer
Härtesteigerung resultiert.
Eine Härteänderung ist also vom Vermögen der Kohlenstoffatome abhängig, entsprechend
den Gleichgewichtsbedingungen zu diffundieren. Dies kann einerseits durch eine
entsprechend schnelle Abkühlung, andererseits aber auch durch Zulegieren von Elementen,
die das Diffusionsvermögen des Kohlenstoffes beeinträchtigen, erreicht werden. Die
Zulegierung von Elementen spielt dann für die Einhärtung eine wichtige Rolle, wenn die
Geometrie des stählernen Werkstückes keine gleichmäßig hohen Abkühlgeschwindigkeiten
über den Werkstückquerschnitt erlauben. Die wichtigsten Legierungselemente zur Erhöhung
der Durchhärtbarkeit von Stählen sind Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel.
Die Einhärtbarkeit von Stählen lässt sich auch anderweitig beurteilen. So bezeichnet man bei
gegebener Stahlzusammensetzung den Durchmesser eines Zylinderstabes, der bei rascher
Abkühlung auf Raumtemperatur noch 50 Vol.% Martensit enthält, als ideal kritischen
Durchmesser Φ. Bei unlegierten Stählen gilt in guter Näherung:
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Φ = α (d A ) ⋅ [ C ]
(1)
Dabei ist α(dA) ein von der mittleren Austenitkorngröße dA abhängiger Vorfaktor, der mit
dA anwächst. [C] ist der Kohlenstoffgehalt des Stahls in Masseprozent. Zur Erklärung: die
Korngrenzen wirken beim Abschrecken aus dem Austenitgebiet als Keime für die
Perlitbildung. Größere und nahezu globulare Austenitkörner zeigen eine geringere
Korngrenzfläche als kleine Körner, d.h. die Perlitbildung wird unwahrscheinlicher und die
martensitische Umwandlung begünstigt. Der Kohlenstoffgehalt schließlich hat unmittelbaren
Einfluss auf die Zahl der zwangsgelösten Kohlenstoffatome und somit auf den Volumenanteil
an Martensit.
Alle Legierungselemente außer S, P und Co vergrößern bei legierten Stählen die ideal
kritischen Durchmesser, weil sie die Kohlenstoffdiffusion behindern und somit die kritische
Abkühlgeschwindigkeit absenken. Es gilt:
Φ i = Φ (1 + ai ⋅ [ X i ])
(2)
Hierbei ist [Xi] der Masseanteil des Legierungselementes i und ai sein Wirkungsfaktor
hinsichtlich der Einhärtung. Für Mn, Mo, Cr und Ni beispielsweise nimmt ai Werte von etwa
4.1, 3.1, 2.3 und 0.5 an.
Der Verlauf der Einhärtung ist für Vergütungsstähle und hochlegierte Stähle in Abbildung 4
schematisch dargestellt.
Abbildung 4: Schematische Darstellung der unterschiedlichen Einhärtbarkeit von Stählen in
Abhängigkeit vom Legierungsgehalt.
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Die bei der martensitischen Härtung von Stählen erreichbaren Härte- und Festigkeitswerte
sind
demnach
von
der
Stahlzusammensetzung,
der
Werkstückgeometrie,
der
Austenitisierungsdauer und -temperatur sowie der Abkühlgeschwindigkeit abhängig.
Vergüten von Stählen
Folgt auf das Härten noch der Schritt des Anlassens, so spricht man von Vergüten. Anlassen
meint hierbei die erneute Erwärmung, jedoch nur so hoch, dass sich das Gefüge nicht wieder
umwandelt. Beim Anlassen werden zwei Ziele verfolgt: Abbau der durch das Härten
verursachten Eigenspannungen und Einstellung der optimalen Gebrauchseigenschaften eines
Bauteils. Durch Anlassen wird der Stahl in einem gewissen Maße entfestigt. Die Duktilität
des Stahls verbessert sich dabei deutlich und der Stahl erhält eine gute Kombination zwischen
Festigkeit und Duktilität. Beim Anlassen eines martensitischen Härtungsgefüges lassen sich
drei Stufen unterscheiden, ohne dass hierfür allgemeingültige klare Temperaturgrenzen
angegeben werden können. In der ersten, bis etwa 250°C reichenden Anlassstufe findet
bereits eine Ausscheidung feindisperser Karbide aus dem Martensit statt. Es handelt sich
dabei um das hexagonale ε-Karbid Fe2C. Diese Verringerung des zwangsgelösten
Kohlenstoffs führt bereits zu einer Herabsetzung der tetragonalen Gitterverzerrung des
Martensits. Die zweite Anlassstufe erstreckt sich ungefähr über den Temperaturbereich
zwischen 250°C und 350°C. In ihr tritt zunehmend das Eisenkarbid Fe3C (Zementit) auf und
der Restaustenit zerfällt in die Karbidphase und kubischen Martensit. In der dritten
Anlassstufe zwischen 350°C und 450°C erfolgt die Ausscheidung des restlichen Kohlenstoffs
aus dem Martensit. Die ε-Karbide gehen dabei in Zementit über.
Einige legierte Stähle sind in der Lage, beim Anlassen sogenannte Sonderkarbide der
Zusammensetzung (Fe,Cr)7C3 zu bilden. Diese Sonderkarbide scheiden sich erst bei relativ
hohen Anlasstemperaturen (ca. 500-600°C) aus und sind daher bei einer erneuten Erwärmung
bis in diesen Temperaturbereich stabil. Sie bewirken einen Härteanstieg durch
Ausscheidungshärtung (→ Sekundärhärtemaximum). Dieser Effekt wird bei verschiedenen
Kalt- und Warmarbeitsstählen, jedoch insbesondere bei den Schnellarbeitsstählen ausgenutzt,
um die Standzeit der Werkzeuge zu erhöhen.
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Weiterhin kann der Einfluss einer Wärmebehandlung mit Hilfe des Kerbschlagbiegeversuchs
gemessen werden. Der (Kerb)Schlagbiegeversuch ist der wichtigste Versuch zur qualitativen
Kennzeichnung der Zähigkeit eines Werkstoffes unter mehrachsiger, schlagartiger Belastung.
Beim (Kerb)Schlagbiegeversuch wird mit Hilfe eines Pendelschlagwerkes eine (gekerbte)
Normprobe zerschlagen. Der Pendelhammer fällt dabei mit vorgegebener kinetischer Energie
auf die Probe.
Als Prüfergebnis wird an einem Schleppzeiger die Arbeit AV abgelesen, die zum Bruch der
(Kerb)Schlagbiegeprobe verbraucht worden ist. Die aufgenommene Schlagarbeit bezogen auf
den Anfangsquerschnitt der Probe ergibt die (Kerb)Schlagzähigkeit (in kJ/m2).
3.
Versuchsdurchführung
Die Härtbarkeitsprüfung einer Stahlcharge erfordert die Abschreckhärtung von Proben
definierter Form, die Anfertigung von Trennschnitten senkrecht zur Oberfläche und
Härtemessungen in den Trennflächen. Der große Aufwand und die mangelnde
Vergleichbarkeit derartiger Prüfungen haben schließlich zur Entwicklung des sogenannten
Stirnabschreckversuches bzw. Jominy-Tests geführt, der heute als Härtbarkeitsprüfverfahren
in vielen Ländern unter gleichartigen Bedingungen durchgeführt wird. Prüfling ist ein
zylindrischer Stab von 25 mm Durchmesser und 100 mm Länge, der am einen Ende eine
Vorrichtung zum Einhängen in eine Abschreckvorrichtung (Abbildung 5) besitzt. In unserem
Fall werden zwei verschieden legierte Stähle als Probenkörper verwendet.
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Abbildung 5: Apparatur zum definierten Abschrecken der Werkstücke.
Zur Verfügung stehen zylinderförmige Proben eines unlegierten (C45) und eines legierten
(X100CrMoV 5-1) Stahls. Die Proben werden in einem Kammerofen auf 950°C erwärmt und
für je 30 min austenitisiert. In der Zwischenzeit soll die Versuchsapparatur (Abbildung 5) so
eingestellt werden, dass ohne Abschirmblech der aus der Düse mit Durchmesser 12 mm
austretende Wasserstrahl eine freie Steighöhe von 55-75 mm hat.
Die Probe muss innerhalb von 5 s aus dem Ofen entnommen, in die Abschreckvorrichtung
gehängt und danach an der unteren Stirnseite für 10 min mit Wasser von etwa 20°C bespritzt
werden.
Die Probe kühlt sich dabei ausgehend von der abgeschreckten Stirnfläche ab. Über die
Probenlänge betrachtet, ergeben sich somit lokal unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten,
die in verschiedenen Gefügen und Härten resultieren. Nach Erkalten werden an zwei
gegenüberliegenden Mantellinien des Zylinders etwa 8 mm breite Fasen angeschliffen, längs
derer dann die Härte als Funktion vom Abstand von der Stirnfläche (Härteverlaufskurve)
gemessen wird. Die Härtemessungen erfolgen dabei jeweils in den folgenden Abständen von
der abgeschreckten Stirnfläche: 1,5-3-5-7-9-11-13-15-20-25-30-40-60-80 mm. Stirnseitig sind
zur Charakterisierung der Aufhärtbarkeit vier Härtewerte zu bestimmen.
Schliffe mit unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten werden am Mikroskop untersucht
und das Gefüge genau betrachtet.
Desweiteren werden kleine Kerbschlagproben aus zwei unterschiedlichen Stahlsorten (C45
und V2A) untersucht. Zum einen wird ein Kerbschlagbiegeversuch mit jeweils einer
unbehandelten Probe durchgeführt, zum anderen werden zwei Proben gemessen, die analog
zu den Stirnabschreckproben im Ofen waren und anschließend in Wasser abgeschreckt
wurden.
4.
Auswertung
Die gemessenen Härtewerte sollen über die Probenlänge aufgetragen werden. Dadurch kann
ein Vergleich der Auf-/Einhärtbarkeit der Stähle ebenso durchgeführt werden wie eine
Diskussion der entstanden Gefüge.
Anhand der Lichtmikroskopbilder sind die jeweiligen Gefüge, die sich bei unterschiedlichen
Abkühlgeschwindigkeiten ergeben, zu diskutieren.
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Praktikum Wärmebehandlung von Stahl
Ebenso sind die Ergebnisse des Schlagpendelversuchs zu beschreiben und zu diskutieren,
inwiefern sich die Wärmebehandlung auf die Kerbschlagzähigkeit auswirkt.
Hinweise zur Vorbereitung:
• Eisen-Kohlenstoff-Diagramm
• Martensitische Umwandlung
• Härtungsmechanismen in Stählen
• ZTU-Diagramme
• Gefüge von Stahl im Gleichgewicht und Ungleichgewicht
• Stahlzusammensetzung anhand der Kurzbezeichnungen
• Abhängigkeit der Kohlenstofflöslichkeit vom Gittertyp (Packungsdichte)
• Verfahren zur Härtemessung
Hinweise zum Protokoll:
• Protokoll in ganzen Sätzen
• Eindeutige Beschriftung von Bildern, Tabellen und Diagrammen (Nummer, was ist
dargestellt, was ist beobachtbar)
• Bilder, Tabellen und Diagramme in den Textablauf integrieren, nicht als Anhang
Literatur
[1]
Berns, H.; Theisen, W., Eisenwerkstoffe – Stahl und Gusseisen, 3. Aufl., SpringerVerlag, 2006
[2]
E. Macherauch: Praktikum in Werkstoffkunde, 9. Aufl., Friedrich-Vieweg & Sohn,
Braunschweig, Wiesbaden 1990
[3]
Peter Haasen: Physikalische Metallkunde, Springer-Verlag 1994
[4]
Weißbach, W.; Werkstoffkunde, 17. Aufl, Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2010
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Anhang: kontinuierliches ZTU-Schaubild von C45
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