WK1 L__C23 - Wärmebehandlung von Stahl

Question 1

Welche 5 Varianten der Glühungen kann man unterscheiden?

Answer 1

”- Spannungsarmglühen<div>- Weichglühen</div><div> - Weichglühen zum Rekristallisieren</div><div> - Weichglühen zur Beseitung martensitischer oder bainitischer Gefügebestandteile</div><div>- Normalglühen</div><div>- Diffusionsglühen</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 2

Was ist das Spannungsarmglühen und in welchem Temperaturbereich findet es statt?

Answer 2

“<div>- Durch das Bearbeiten eines Stahls kommt es zu Eigenspannungen im Bauteil</div><div>- Das Bauteil wird erhitzt, die Festigkeit sinkt, die Versetzungen wandern und die Spannungen bauen sich mithilfe von lokalen plastischen Verformungen ab</div>- Die Spannungen liegen danach auf dem Niveau der bei der Glühtemperatur herrschenden Dehngrenze R_p0,2<div>- Zwischen 500 und 650°, darüber kommt es zur merklichen Verzunderung (ansonsten muss in Schutzgas wie z.B. Argon geglüht werden)</div><div>- Die A₁-Linie (Eutektoide) wird nicht überschritten</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 3

Was ist das Weichglühen und in welche 2 Arten kann es unterteilt werden?

Answer 3

”- Weichglühen zur Rekristallisation:<div> - Temperatur ist die Rekristallisationtemperatur (kann als 0,4 - 0,5 fache der absoluten Schmelztemperatur abgeschätzt werden)</div><div> - Für<b>ferritisch-perlitische</b>Stähle nutzt man Temperaturen unterhalb der Eutektoiden</div><div> - Perlit verliert dabei mitunter seine lamellare Struktur und kugelt ein (sehr gut zerspanbar)</div><div> -<b>Austenitische</b>Stähle brauchen i.d.R. höhere Temperaturen, zumal sie oft hoch legiert sind</div><div> - Cr-Ni-Stähle rekristallisieren erst bei ca 1100°</div><div><br></br></div><div>- Weichglühen zur Beseitigung martensitischer oder bainitischer Gefügebestandteile</div><div> - Man betrachtet die isothermen ZTU-Diagramme und wählt die Zeit-Temperatur-Kombination in der Nähe der Ferrit-Perlit-Nase, die zur kürzesten Glühdauer führt</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 4

Was passiert bei der Diffusionsglühung?

Answer 4

”- Bei der Erstarrung entstehen immer chemische Inhomogenitäten, sog. Segierungen<div>- Diese werden mithilfe der Diffusionsglühung ausgeglichen</div><div>- Die Diffusionsglühung wird kurz unterhalb der Solidustemperatur durchgeführt, damit auch lange Diffusionswege zurück gelegt werden können</div><div>- Sehr langwierig: Große Inhomogenitäten wie z.B. die Karbidverteilung in ledeburitischen Chromstählen würden ca. 100 bis 1000 Jahre zum Ausgleich benötigen<br></br><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div></div>”

Question 5

Was bewirkt die Normalglühung und bei welchen Temperaturen spielt sie sich ab?

Answer 5

“<div>- Wird bei heterogenen Gefüge verwendet (keine chemischen Inhomogenitäten)</div>- Glühung knapp über der GSK Linie, damit der Zementit vollständig aufgelöst wird<div>- Durch die geringe Temperatur über GSK entsteht eine feinkörniges Austenitgefüge</div><div>- Beim Abkühlen ensteht daher eine sehr feinstreifiger Perlit mit guten Festigkeits- und Zähigkeitswerten</div><div>- Warmgewalzte Produkte werden oftmals so abgekühlt, dass kein separates Normalglühen notwendig ist<br></br><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div></div>”

Question 6

Was ist die technisch wichtigste Wärmebehandlung von Stahl?

Answer 6

Die <b>Austenitisierung</b> um den Kohlenstoff aus den Karbiden in den γ-MK zu bekommen mit dem Ziel, den Werkstoff anschließend martensitisch abzukühlen

Question 7

Wie wählt man die Temperatur von unlegierten oder niedrig legierten Stählen?

Answer 7

”- Vorraussetzung: Zementit ist das stabilste Carbid<div>- Die Temperatur wird also 30 - 50° über der GSK Linie gewählt</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 8

Wie sehen die Spannungs-Dehnungs-Kurven eines Stahl in den beiden Extremfällen, also im weichgeglühten und martensitisch gehärtetem Zustand aus?

Answer 8

”- Die Zugfestigkeit steigt beinahe um den Faktor 3<div>- Die Dehnung ist jedoch kaum noch ausgeprägt</div><div>- Häufig nimmt man Versprödung in Kauf um den Festigkeitszuwachs genießen zu können<br></br><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div></div>”

Question 9

Was ist Härten und was ist Vergüten?

Answer 9

• <b>Härten</b>: Austenitisieren und anschließendes Abschrecken zur Bildung von Martensit<div>- <b>Vergüten</b>: Härten und anschließendes Anlassen, der Martensit ändert sich</div>

Question 10

Wie ändern sich die Eigenschaften eines Stahls mit dem Anlassen?

Answer 10

”- Die Eigenschaftänderungen werden in sog. Anlassschaubildern dargestellt<div>- Diese gelten immer für eine konstante Haltezeit und eine Stahlsorte, hier 50CrMo4</div><div>- Ab ca. 180° sind die Kohlenstoffatome beweglich und es kommt zu einem Sinken der Festigkeit</div><div>- Ab ca. 300° steigen die Bruchdehnung und -zähigkeit sehr stark an</div><div>- Durch das Anlassen können die mechanischen Eigenschaften sehr breit variiert werden<br></br><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div></div>”

Question 11

Was ist das Feld der Vergütung?

Answer 11

”- Zeigt die möglichen mechanischen Eigenschaften eines Stahl, z.B. die mögliche Zugfestigkeit<div>- Wird auf der einen Seite vom gehärteten Zustand und auf der anderen vom weichgeglühten Zustand begrenzt</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 12

Was ist Voraussetzung für die Härte- und Festigkeitssteigerung?

Answer 12

”- Nach dem Austenitisieren muss der Werkstoff vollständig martensitisch umgewandelt werden<div>- Die Abkühlkurve im kontinuierlichen ZTU-Diagramm darf daher weder das Ferrit-, Perlit- oder Bainitfeld treffen</div><div>- Untere kritische Abkühlgeschwindigkeit v_uk (die zweite gestrichelte von rechts): Die Kurve, bei der erstmalig Martensit gebildet wird</div><div>- <b>Obere kritische Abkühlgeschwindigkeit v_ok</b>: Die Kurve, bei der erstmalig nur Martensit gebildet wird</div><div>- v_okist damit die langsamste zulässige Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 13

Welche Vorraussetzung muss erfüllt sein, damit ein Werkstoff vollständig martensitisch umwandelt?

Answer 13

”- Er muss von der Martensitstarttemperatur M_Sbis zur Martensit-Finishing-Temperatur M_Fdurchgekühlt werden<div>- Ab ca. 0,5 bis 0,6 % C liegt M_fjedoch unter 0 Grad und auf die Tiefkühlbehandlung wird oftmals verzichtet, da es zur Rissbildung kommen kann</div><div>- Um den vorhandenen Restaustenit umzuwandeln lässt man den abgeschreckten Werkstoff bei Temperaturen oberhalb von 180° an</div><div>- Der Kohlenstoff ist beweglich, er diffundiert und bildet submikroskopisch kleine, aber nicht stöchiometrische Karbide</div><div>- Der Restaustenit verarmt an C, wird instabiler und wandelt schließlich in Martensit um; bei höherer Temperatur und starker Karbidausbildung kann es auch zur Ausbildung von Ferrit kommen</div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div>”

Question 14

Welchen Einfluss hat der Werkstückdurchmesser auf die martensitische Umwandlung?

Answer 14

”- Je dünner das Bauteil, desto schneller kühlt es durch<div>- Es kann also sein, dass ein Werkstück mit größerem Durchmesser (Werkstück 2) am Rand zwar martensitisch umwandelt, im Kern jedoch überwiegend Bainit bildet, während dünnere Werkstücke vollständig martensitisch umwandeln (Werkstück 1)<br></br><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div></div>”

Question 15

Warum wird Stahl auch in Zukunft der wichtigste Konstruktionswerkstoff im Maschinenbau sein?

Answer 15

Weil seine Eigenschaften durch Legierungselemente und Wärmebehandlungen extrem breit variiert werden können.

Question 16

Was sind Vergütungsstähle?

Answer 16

• C-Gehalt liegt typischerweise zwischen 0,2 und 0,65 %<div>- Erhalten durch das Vergüten hohe Zug- und Dauerfestigkeiten</div>

Question 17

Was passiert beim Anlassen auf atomarer Ebene?

Answer 17

• Unter 80°: Segregation von Kohlenstoff und Anlagerung an Gitterfehlern<div>- Zwischen 80 und 200°: Martensit zerlegt sich zuα-Martensit und den sehr C-reichenε-Carbiden</div><div>- Zwischen 200 und 320°: Vorhandener Restaustenit zerfällt</div><div>- Zwischen 320 und 520°: Es stellt sich ein Gleichgewicht aus Ferrit und Zementit ein, die Härte sinkt</div><div>- Über 500°: Einformung und verbinden von Zementitteilchen</div>

Question 18

Wie funktioniert der Stirnabschreckversuch nach Jominy?

Answer 18

”- Rundprobe mit 100 mm Länge und 25 mm Durchmesser<div>- Wassersäule mit 65 mm freier Steighöhe</div><div>- Wasserstrahl wird mit einem Prallbrech geblockt, die austenitisierte Probe 12 mm über den Strahl gehangen und anschließend von diesem abgekühlt</div><div>- Anschließend wir scheibenweise die Härte bestimmt und über dem Abstand vom abgeschreckten Ende aufgetragen<br></br></div><div><img></img></div><div><br></br></div><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div><div><br></br></div><div><br></br></div><div><br></br></div><div><br></br></div>”

Question 19

Wie unterscheiden sich die Stirnabschreckversuch-Kurven von flach und tief durchhärtenden Stählen?

Answer 19

”- Wie man sieht ist die Härte bei 50CrV4 durchgehend ausgebildet, er ist also durchgehärtet<div>- Die Härte von 37MnSi5 fällt schnell stark ab, er härtet also nur sehr flach aus</div><div>- Die Messungen verschiedener Chargen einer Stahlsorte können leicht unterschiedliche Ergebnisse liefern, diese müssen jedoch innerhalb eines gewissen Streubandes liegen (genormt in DIN EN 10083)</div><div><br></br><div><br></br></div><div><img></img><br></br></div></div>”

Question 20

Was sind typische Vertreter der Gruppe der Vergütungsstähle und welche Zugfestigkeiten weisen sie auf?

Answer 20

• unlegierte C-Stähle von C30 bis C60 mit ca. 600-800 N/mm²<div>- chromhaltige Stähle mit 0,5 bis 2 % Cr und 0,3 bis 0,5 % C mit ca. 800-1400 N/mm²</div>

Question 21

Was versteht man unter dem Randschichthärte (auch Oberflächenhärten genannt)?

Answer 21

• Martensitische Umwandlung der Oberfläche für verschleißfeste Funktionsflächen<div>- Martensit dehnt sich aus, dadurch bilden sich Druckeigenspannungen in der Oberfläche, die die Dauerfestigkeit stark erhöhen</div>

Question 22

Wie funktioniert das sog. Flammhärten?

Answer 22

”- Starke lokale Erwärmung der Oberfläche durch Gasbrennerauf über A₃(d.h. ins Austenitgebiet)<div>- Kurz hinter der Erwärmung erfolgt die Abschreckung mittels Wasserduschen</div><div>- Die Erwärmung erfolgt dabei so schnell, dass der Kern unter A₁bleibt (d.h. unter der Eutektoiden) und damit nicht an der Umwandlung teilnimmt</div><div>- Je nach Anordnung der Gasbrenner und Wasserduschen unterscheidet man zwischen Vorschub- (a) und Umlaufhärten (b)</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 23

Wie funktioniert das Induktionshärten und wofür wird es angewandt?

Answer 23

“-Die Oberfläche des Werkstückes wird durch induzierte Wirbelströme aufgeheizt<div>- Die Eindringtiefe kann über die Frequenz gesteuert werden:</div><div> - Hohe Frequenz: Geringe Eindringtiefe (Eselbrücke: geringe Wellenlänge)</div><div> - Niedrige Frequenz: Hohe Eindringtiefe(Eselbrücke: hohe Wellenlänge)</div><div>- Abschreckung erfolgt i.d.R. über Wasserduschen</div><div>- Wird verwendet für Lagersitze von Kurbelwellen und Zahnrädern</div><div> - Steigerung der Schwingfestigkeit und des Verschleißverhaltens an der Oberfläche</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 24

Wie funktioniert das Anlassen nach Randschichthärtungen?

Answer 24

• Will man die hohe Härte des Martensits behalten: zwischen 180 und 250°<div>- Will man mehr Sprödsicherheit: Zwischen 550 und 650°</div><div>- Der Bereich zwischen 250 und 550° wird tunlichst vermieden, weil sich hier ausscheidungsbedingte Versprödungen bilden können</div><div>- Dieser Versprödung kann man mithilfe von Mo entegenwirken</div>

Question 25

Welchen Effekt nutzt man bei Stählen mit höheren Cr-Gehalten und welche 2 Abkühlvarianten sind dadurch üblich geworden?

Answer 25

”- Sie brauchen selbst bei großen Unterkühlungen sehr lange zur Bildung von Bainit<div>- Daher ergeben sich 2 mögliche Szenarien:</div><div> - <b>Warmbadhärtung</b>:</div><div> - Von der hohen Austenitisierungtemperatur wird mittels Salzbad auf ca. 450-500° abgeschreckt</div><div> - Diese Temperatur wird zum Abbauen von Eigenspannungen und zur Minderung der Rissneigung eine Zeit lang gehalten</div><div> - Vor Erreichen der Bainitstufe wird erneut abgeschreckt, so dass sich reines martensitisches Gefüge bildet</div><div> - <b>Zwischenstufenvergütung</b>:</div><div> - Manche Werkstoffe ergeben bei rein bainitischem Gefüge sehr gute Eigenschaftkombinationen aus Kerbschlagarbeit und Festigkeit</div><div> - Für diese wird im isothermen ZTU-Diagramm die kürzest mögliche Zeit zur vollständigen bainitischen Erstarrung gesuchtgesucht</div><div><div><br></br></div><div><img></img></div></div>”

Question 26

Was ist das Einsatzhärten und welche Stähle eignen sich besonders dafür?

Answer 26

• Stähle mit 0,2 % oder weniger C zeigen bei der martensitischen Umwandlung nur geringe Festigkeitszuwächse<div>- Das Werkstück wird in einem Kammerofen mittels CO oberflächlich aufgekohlt</div><div>- Anschließend wird das Werkstück direkt aus dem Kammerofen abgeschreckt, die kohlenstoffreiche Oberfläche bildet eine sehr harte martensitische Schicht, während der kohlenstoffarme Kern verhältnismäßig weich bleibt</div><div>- Nach dem Abschrecken folgt ein Anlassen zwischen 150 und 250° um dem Martensit seine Sprödigkeit zu nehmen</div><div>- C10 bis C15 Stähle mit Chrom zwischen 0,5 und 1,5 % und teilweise Mn, Mo oder Ni-Gehalten</div>

Question 27

Wie verläuft die Aufkohlung beim Einsatzhärten?

Answer 27

• Temperatur zwischen 880 und 980°, die höchste bei der sich keine Grobkörnigkeit einstellt<div>- Kohlenstoff der Atmosphäre wird so geregelt, dass der größte Konzentrationsgradient entsteht, ohne dass dabei Ruß ausflockt oder es zu Zementitbildung kommt</div><div>- So wird die Oberfläche auf 1 bis 1,2 % aufgekohlt</div><div>- Jetzt wird die Temperatur in das Austenitfeldes gesenkt und die Atmosphäre so verändert, dass sich der gewünschte Randkohlenstoffgehalt von 0,6 - 0,8 % einstellt</div><div>- Durch Diffusion wird auch der Werkstoff unter der Oberfläche bis zur gewünschten Einsatztiefe auf 0,6 - 0,8 % aufgekohlt</div>

Question 28

Wofür werden einsatzgehärtete Bauteile oft genutzt?

Answer 28

Häufige Anwendung für schwingungsbelastete Bauteile, da sich durch die Druckeigenspannung der martensitisch gehärteten Randschicht gute Dauerfestigkeiten einstellen.

Question 29

Was ist eine weit verbreitete Methode zur Verbesserung von Verschleißeigenschaften und welche Eigenschaften weist sie auf?

Answer 29

• Das Nitriteren von Stahl, d.h. chemische Verbindungen mit Stickstoff<div>- Der Stickstoff für die Reaktion wird dabei über eine Atmosphäre oder Salze zur Verfügung gestellt</div><div>- Atomarer Stickstoff ist sehr gut diffusionsfähig und es bildet sich eine Diffusionszone, die auf der Bauteiloberfläche von einer Schicht aus Eisennitrid Fe₄N abgeschlossen wird</div><div>- Nitrierung findet unter 600° statt, daher kommt es nicht zur γ-α-Umwandlung und das Bauteil verzieht sich kaum</div><div>- Nitrierung verbessert die Verschleißeigenschaften, aber nicht die Kernfestigkeit</div><div>- Eisennitridschichten, die nicht durch einen harten Grundwerkstoff oder dicke Diffusionszonen gestützt sind, können bei punktueller Belastung brechen wie Eierschalen</div>

Question 30

Mit welchen Stählen erhält man die höchsten Festigkeitzuwächse durch Nitrierung?

Answer 30

”- Stähle mit ca. 1% Al und Cr ergeben die höchsten Festigkeiten<br></br><div>- Cr und Al bilden Cr₂N, CrN bzw. AlN Ausscheidungen, die für hohe Festigkeit und Schwingfestigkeit macht</div><div>- Cr und Al sind sog. Nitridbildner</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 31

Welche 4 Arten an Nitrierung werden unterschieden?

Answer 31

• Salzbadnitrierung<div>- Gasnitrierung</div><div>- Plasmanitrierung</div><div>- Pulvernitrierung</div>

Question 32

Wie funktioniert die Salzbadnitrierung?

Answer 32

”- Werkstücke werden in Salzbäder (Cyanide und Cyanate) eingehangen<div>- zwischen 570 und 580° zerfallen die Stickstoffverbindungen und der Stickstoff kann in das Werkstück eindiffundieren</div><div>- Salzbadnitrieren ist nach dem Anlassschaubild mit einer Abnahme der Kernhärte verbunden</div><div>- Eignet sich daher für anlassbeständige Stähle, die zwischen 530 und 560° angelassen werden, um die Karbidausscheidung (Sekundärhärtung) zu fördern</div><div>- i.d.R. wünscht man sich keine Verbindungsschicht, sondern nur eine Diffusionszone, daher kurze Behandlungszeiten von 1/2 - 4 Stunden</div><div>- Generell lassen sich alle Stähle mit Nitridbildner wie z.B. Al und Cr salzbadnitrieren</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 33

Wie erfolgt das Gasnitrieren?

Answer 33

”- Ammoniak (NH₃) als Atmosphähre bei ca. 500 - 520 °, Ammoniak zerfällt an der Stahloberfläche, der Wasserstoff verbrennt<div>- Nur ein geringer Teil des Stickstoffes wird aufgenommen, daher muss ständig Ammoniak zugeführt werden</div><div>- Wasserdampf, Kohlendioxid oder Sauerstoff können den Nitriervorgang beschleunigen</div><div>- Aufgrund der recht niedrigen Temperaturen bilden sich fein kohärente oder teilkohärente Ausscheidungen</div><div>- Behandlungsdauer liegt zwischen 10 und 100 Stunden</div><div>- <b>Kurzzeitgasnitrieren</b>: 590 ° und Durchlauföfen</div><div><br></br></div><div><img></img></div>”

Question 34

Was ist das Prinzip des Plasmahärtens?

Answer 34

• Werkstück kommt als Kathode elektrisch leitend in eine Vakuumkammer, die Kammerwand dient als Anode<div>- Einströmender Stickstoff wird durch das Feld ionisiert und beschleunigt in Richtung Werkstück</div><div>- Er prallt auf die Oberfläche auf und kann dort eindiffundieren</div><div>- Werkstück muss frei von Zunder und Fett sein</div><div>- Zwischen 450 und 550° bis etwa 24 h Dauer</div>

Question 35

Wieso wird das Pulvernitrieren nicht mehr in Westeuropa angewandt?

Answer 35

• Sehr lohnintensiv<div>- Daher in Hochlohnländern nicht mehr wirtschaftlich</div>

Question 36

Was ist die Voraussetzung für hohe Härtewerte nach der Nitrierung?

Answer 36

• C liegt meistens zwischen 0,3 und 0,4 %, also typischer Vergütungsstahl<div>- 1 % Al und 1 bis 2 % liefert die höchsten Härtewerte mit 1100 HV</div><div>- Mo wird bis 0,5 % eingesetzt um der Anlassversprödung bei 500° entgegen zu wirken</div>