Härtbarkeit von Stahl
Viele Stahlsorten reagieren vorteilhaft auf ein Wärmebehandlungsverfahren, das als Abschrecken bekannt ist. Eines der wichtigsten Kriterien bei der Auswahl eines Werkstückstoffes ist die Härtbarkeit. Die Härtbarkeit beschreibt, wie tief ein Metall beim Abschrecken von hoher Temperatur gehärtet werden kann, und kann auch als Härtungstiefe bezeichnet werden.
Stahl im mikroskopischen Maßstab:
Die erste Klassifizierungsebene von Stählen auf mikroskopischer Ebene ist ihre Kristallstruktur, die Art und Weise, wie Atome im Raum angeordnet sind. Körperzentrierte kubische (BCC) und flächenzentrierte kubische (FCC) Konfigurationen sind Beispiele für metallische Kristallstrukturen. Beispiele für BCC- und FCC-Kristallstrukturen sind unten in Abbildung 1 zu sehen. Beachten Sie, dass die Bilder in Abbildung 1 die Atomposition darstellen sollen und dass der Abstand zwischen den Atomen übertrieben ist.
Die nächste Klassifizierungsebene ist eine Phase. Eine Phase ist ein einheitlicher Teil eines Materials, das die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften hat. Stahl hat 3 verschiedene Phasen:
- Austenit:flächenzentriertes kubisches Eisen; auch Eisen- und Stahllegierungen mit FCC-Kristallstruktur.
- Ferrite:Kubische raumzentrierte Eisen- und Stahllegierungen mit einer BCC-Kristallstruktur.
- Zementit:Eisencarbid (Fe3 C)
Die letzte Ebene der Klassifizierung, die in diesem Artikel diskutiert wird, ist die Mikrostruktur. Die oben gezeigten drei Phasen können kombiniert werden, um unterschiedliche Mikrostrukturen von Stahl zu bilden. Beispiele dieser Mikrostrukturen und ihrer allgemeinen mechanischen Eigenschaften sind unten gezeigt:
- Martensit:die härteste und stärkste Mikrostruktur, aber auch die sprödeste
- Perlit:Hart, stark und dehnbar, aber nicht besonders zäh
- Bainit:hat eine wünschenswerte Kombination aus Festigkeit und Duktilität, härter als Perlit, aber nicht so hart wie Martensit
Härtung im mikroskopischen Maßstab:
Die Härtbarkeit von Stahl ist eine Funktion des Kohlenstoffgehalts des Materials, anderer Legierungselemente und der Korngröße des Austenits. Austenit ist ein Gamma-Phasen-Eisen und bei hohen Temperaturen durchläuft seine Atomstruktur einen Übergang von einer BCC-Konfiguration zu einer FCC-Konfiguration.
Hohe Härtbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit der Legierung, beim Abschrecken einen hohen Martensitprozentsatz im gesamten Körper des Materials zu erzeugen. Gehärtete Stähle entstehen durch schnelles Abschrecken des Materials bei hoher Temperatur. Dabei erfolgt ein schneller Übergang von einem Zustand von 100 % Austenit zu einem hohen Anteil an Martensit. Wenn der Stahl mehr als 0,15 % Kohlenstoff enthält, wird der Martensit zu einer stark gespannten, kubisch-raumzentrierten Form und ist mit Kohlenstoff übersättigt. Der Kohlenstoff schließt effektiv die meisten Gleitebenen innerhalb der Mikrostruktur, wodurch ein sehr hartes und sprödes Material entsteht. Wenn die Abschreckgeschwindigkeit nicht schnell genug ist, diffundiert Kohlenstoff aus der austenitischen Phase. Der Stahl wird dann zu Perlit, Bainit oder, wenn er lange genug heiß gehalten wird, zu Ferrit. Keine der gerade genannten Mikrostrukturen hat nach dem Anlassen die gleiche Festigkeit wie Martensit und wird allgemein als ungünstig für die meisten Anwendungen angesehen.
Die erfolgreiche Wrmebehandlung eines Stahls hngt von drei Faktoren ab:
- Die Größe und Form der Probe
- Die Zusammensetzung des Stahls
- Die Methode des Abschreckens
1. Größe und Form der Probe
Während des Abschreckvorgangs muss Wärme an die Probenoberfläche übertragen werden, bevor sie an das Abschreckmedium abgegeben werden kann. Folglich hängt die Geschwindigkeit, mit der das Innere der Probe abkühlt, von ihrem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen ab. Je größer das Verhältnis, desto schneller kühlt die Probe ab und desto stärker ist die Härtungswirkung. Beispielsweise hat ein zylindrischer Stab von 3 Zoll mit einem Durchmesser von 1 Zoll eine höhere Härtbarkeit als ein Stab von 3 Zoll mit einem Durchmesser von 1,5 Zoll. Aufgrund dieses Effekts eignen sich Teile mit mehr Ecken und Kanten besser für das Härten durch Abschrecken als normale und abgerundete Formen. Fig. 2 ist ein beispielhaftes Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm (ZTT) der Abkühlkurven eines ölabgeschreckten 95-mm-Barrens. Die Oberfläche verwandelt sich zu 100 % in Martensit, während der Kern etwas Bainit enthält und daher eine geringere Härte hat.
2. Die Zusammensetzung des Stahls
Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass verschiedene Stahllegierungen unterschiedliche Elementzusammensetzungen enthalten. Das Verhältnis dieser Elemente relativ zur Eisenmenge im Stahl ergibt eine große Vielfalt mechanischer Eigenschaften. Die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts macht Stahl härter und fester, aber weniger dehnbar. Das vorherrschende Legierungselement von Edelstählen ist Chrom, das dem Metall seine starke Korrosionsbeständigkeit verleiht. Da Menschen seit über einem Jahrtausend an der Zusammensetzung von Stahl tüfteln, ist die Zahl der Kombinationen endlos.
Da es so viele Kombinationen gibt, die zu so vielen unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften führen, werden standardisierte Tests verwendet, um die Kategorisierung verschiedener Stahlsorten zu erleichtern. Ein üblicher Test für die Härtbarkeit ist der Jominy-Test, der in Abbildung 3 unten gezeigt wird. Bei diesem Test wird ein Standardmaterialblock erhitzt, bis er zu 100 % aus Austenit besteht. Der Block wird dann schnell zu einer Vorrichtung bewegt, wo er mit Wasser abgeschreckt wird. Die Oberfläche oder der mit dem Wasser in Kontakt stehende Bereich wird sofort gekühlt und die Abkühlungsgeschwindigkeit fällt als Funktion des Abstands von der Oberfläche ab. Dann wird entlang der Länge der Probe eine Abflachung auf den Block geschliffen. Entlang dieser Ebene wird die Härte an verschiedenen Punkten gemessen. Diese Daten werden dann in einem Härtbarkeitsdiagramm mit der Härte als y-Achse und dem Abstand als x-Achse aufgetragen.
Härtbarkeitskurven werden aus den Ergebnissen von Jominy-Tests erstellt. Beispiele einiger Stahllegierungskurven sind in Bild 4 dargestellt. Mit abnehmender Abkühlgeschwindigkeit (steilerer Härteabfall auf kurzem Weg) wird mehr Zeit für die Kohlenstoffdiffusion und die Bildung eines größeren Anteils an weicherem Perlit eingeräumt. Dies bedeutet weniger Martensit und eine geringere Härtbarkeit. Ein Material, das über relativ lange Distanzen höhere Härtewerte beibehält, wird als hoch härtbar angesehen. Außerdem ist die Härtbarkeit um so geringer, je größer der Härteunterschied zwischen den beiden Enden ist. Typisch für Härtbarkeitskurven ist, dass mit zunehmendem Abstand vom abgeschreckten Ende die Abkühlgeschwindigkeit abnimmt. 1040-Stahl hat anfangs die gleiche Härte wie 4140 und 4340, kühlt jedoch über die Länge der Probe extrem schnell ab. 4140er und 4340er Stahl kühlen langsamer ab und haben daher eine höhere Härtbarkeit. 4340 hat eine weniger extreme Kühlrate im Vergleich zu 4140 und hat daher die höchste Härtbarkeit des Trios.
Härtbarkeitskurven sind vom Kohlenstoffgehalt abhängig. Ein größerer Prozentsatz an Kohlenstoff im Stahl erhöht seine Härte. Es sollte beachtet werden, dass alle drei Legierungen in Abbildung 4 die gleiche Menge an Kohlenstoff (0,40 % C) enthalten. Kohlenstoff ist nicht das einzige Legierungselement, das einen Einfluss auf die Härtbarkeit haben kann. Das unterschiedliche Härtbarkeitsverhalten dieser drei Stähle lässt sich durch ihre Legierungselemente erklären. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt einen Vergleich des Legierungsgehalts in jedem der Stähle. 1040 ist ein reiner Kohlenstoffstahl und hat daher die niedrigste Härtbarkeit, da außer Eisen keine anderen Elemente die Kohlenstoffatome daran hindern, aus der Matrix zu entweichen. Das zu 4340 hinzugefügte Nickel ermöglicht die Bildung einer etwas größeren Menge an Martensit im Vergleich zu 4140, was ihm die höchste Härtbarkeit dieser drei Legierungen verleiht. Die meisten metallischen Legierungselemente verlangsamen die Bildung von Perlit, Ferrit und Bainit und erhöhen daher die Härtbarkeit eines Stahls.
Tabelle1:Zeigt die Legierungsgehalte von 4340, 4140 und 1040stahl
| Stahlsorte: | Nickel (Gew.-%): | Molybdän (Gew.-%): | Chrom (Gew.-%): |
| 4340 | 1,85 % | 0,25 % | 0,80 % |
| 4140 | 0,00 % | 0,20 % | 1,00 % |
| 1040 | 0,00 % | 0,00 % | 0,00 % |
Innerhalb einer Werkstoffgruppe kann es zu unterschiedlichen Härtbarkeiten kommen. Bei der industriellen Herstellung von Stahl kommt es von Charge zu Charge immer zu geringfügigen, unvermeidbaren Schwankungen in der elementaren Zusammensetzung und der durchschnittlichen Korngröße. Meistens wird die Härtbarkeit eines Materials durch Maximal- und Minimalkurven dargestellt, die als Grenzwerte festgelegt sind.
Auch die Härtbarkeit nimmt mit zunehmender austenitischer Korngröße zu. Ein Korn ist ein einzelner Kristall in einem polykristallinen Metall. Denken Sie an ein Buntglasfenster (wie das unten abgebildete), das farbige Glas wären die Körner, während das Lötmaterial, das es zusammenhält, die Korngrenzen wären. Austenit, Ferrit und Zementit sind verschiedene Arten von Körnern, die die verschiedenen Mikrostrukturen von Stahl bilden. An den Korngrenzen bilden sich Perlit und Bainit. Dies ist für den Härtungsprozess nachteilig, da Martensit die gewünschte Mikrostruktur ist, die anderen Arten seinem Wachstum im Wege stehen. Martensit entsteht durch schnelles Abkühlen von Austenitkörnern und sein Umwandlungsprozess ist noch nicht gut verstanden. Mit zunehmender Korngröße gibt es mehr Austenitkörner und weniger Korngrenzen. Daher gibt es weniger Möglichkeiten für die Bildung von Mikrostrukturen wie Perlit und Bainit und mehr Möglichkeiten für die Bildung von Martensit.
3. Die Methode des Abschreckens
Wie bereits erwähnt, beeinflusst die Art der Abschreckung die Abkühlungsgeschwindigkeit. Die Verwendung von Öl, Wasser, wässrigen Polymer-Abschreckmitteln oder Luft führt zu einer unterschiedlichen Härte durch das Innere des Werkstücks. Dadurch verschieben sich auch die Härtbarkeitskurven. Wasser erzeugt die stärkste Abschreckung, gefolgt von Öl und dann Luft. Wässrige Polymer-Abschreckmittel liefern Abschreckgeschwindigkeiten zwischen denen von Wasser und Öl und können durch Ändern der Polymerkonzentration und -temperatur auf spezifische Anwendungen zugeschnitten werden. Der Rührgrad beeinflußt auch die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr. Je schneller sich das Abschreckmedium über die Probe bewegt, desto größer ist die Abschreckwirkung. Ölabschreckungen werden im Allgemeinen verwendet, wenn eine Wasserabschreckung für eine Stahlsorte zu stark sein kann, da sie bei der Behandlung reißen oder sich verziehen kann.
Bearbeitung von gehärteten Stählen
Welcher Fräsertyp für Bearbeitungswerkzeuge zur Bearbeitung eines Werkstücks nach dem Härten gewählt werden sollte, hängt von einigen unterschiedlichen Variablen ab. Abgesehen von den anwendungsspezifischen geometrischen Anforderungen sind zwei der wichtigsten Größen die Materialhärte und seine Härtbarkeit. Einige Anwendungen mit relativ hoher Belastung erfordern die Erzeugung von mindestens 80 % Martensit im gesamten Inneren des Werkstücks. Üblicherweise benötigen mäßig beanspruchte Teile nur etwa 50 % Martensit im gesamten Werkstück. Bei der Bearbeitung eines abgeschreckten Metalls mit sehr geringer Härtbarkeit kann ein standardmäßig beschichtetes Vollhartmetallwerkzeug problemlos funktionieren. Denn der härteste Teil des Werkstücks ist auf seine Oberfläche beschränkt. Bei der Bearbeitung eines Stahls mit hoher Härtbarkeit wird empfohlen, einen Fräser mit spezieller Geometrie für diese spezielle Anwendung zu verwenden. Eine hohe Härtbarkeit führt zu einem Werkstück, das über sein gesamtes Volumen hart ist. Harvey Tool hat im gesamten Katalog eine Reihe verschiedener Fräser für gehärteten Stahl, darunter Bohrer, Schaftfräser, Keilnutfräser und Gravierer.
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Gehärteter Stahl, zusammengefasst
Die Härtbarkeit ist ein Maß für die Tiefe, bis zu der eine Eisenlegierung durch die Bildung von Martensit über ihr gesamtes Volumen von der Oberfläche bis zum Kern gehärtet werden kann. Dies ist eine wichtige Materialeigenschaft, die Sie bei der Auswahl eines Stahls sowie von Schneidwerkzeugen für eine bestimmte Anwendung berücksichtigen müssen. Das Härten jedes Stahls hängt von der Größe und Form des Teils, der molekularen Zusammensetzung des Stahls und der Art des verwendeten Abschreckverfahrens ab.
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