Stahl-Härtbarkeit verstehen: Härtungstiefe & Wärmebehandlungseffekte

Stahl-Härtbarkeit verstehen: Härtungstiefe & Wärmebehandlungseffekte

Viele Stahlsorten reagieren vorteilhaft auf ein Wärmebehandlungsverfahren, das als Abschrecken bekannt ist. Eines der wichtigsten Kriterien im Auswahlprozess eines Werkstückmaterials ist die Härtbarkeit. Härtbarkeit beschreibt, wie tief ein Metall beim Abschrecken von hoher Temperatur gehärtet werden kann, und kann auch als Härtungstiefe bezeichnet werden.

Stahl auf mikroskopischer Ebene

Die erste Klassifizierungsebene von Stählen auf mikroskopischer Ebene ist ihre Kristallstruktur, die Art und Weise, in der Atome im Raum angeordnet sind. Raumzentriert-kubisch (RZK/Körperzentriert-kubisch, BCC) und Flächenzentriert-kubisch (FZK/Face-Centered Cubic, FCC) Konfigurationen sind Beispiele für metallische Kristallstrukturen. Beispiele für BCC- und FCC-Kristallstrukturen sind in Abbildung 1 unten zu sehen. Beachten Sie, dass die Bilder in Abbildung 1 die Atompositionen darstellen sollen und der Abstand zwischen den Atomen übertrieben ist.

Die nächste Klassifizierungsebene ist eine Phase. Eine Phase ist ein gleichmäßiger Teil eines Materials, der die gleichen physikalischen und chemischen Eigenschaften hat. Stahl hat 3 verschiedene Phasen:

1. Austenit: Flächenzentriert-kubisches Eisen; auch Eisen- und Stahllegierungen, die die FCC-Kristallstruktur haben.
2. Ferrit: Raumzentriert-kubisches Eisen und Stahllegierungen, die eine BCC-Kristallstruktur haben.
3. Zementit: Eisenkarbid (Fe₃C)

Die letzte in diesem Artikel besprochene Klassifizierungsebene ist das Gefüge. Die drei oben gesehenen Phasen können kombiniert werden, um verschiedene Gefügestrukturen von Stahl zu bilden. Beispiele für diese Gefüge und ihre allgemeinen mechanischen Eigenschaften sind unten dargestellt:

• Martensit: das härteste und stärkste Gefüge, doch das sprödeste
• Perlit: Hart, stark und duktil, aber nicht besonders zäh
• Bainit: besitzt eine wünschenswerte Festigkeit-Duktilität-Kombination, härter als Perlit, aber nicht so hart wie Martensit

Härtung auf mikroskopischer Ebene

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 atomare Struktur einen Übergang von einer BCC-Konfiguration zu einer FCC-Konfiguration.

Hohe Härtbarkeit bezieht sich auf die Fähigkeit der Legierung, einen hohen Martensit-Anteil im gesamten Körper des Materials beim Abschrecken zu erzeugen. Gehärtete Stähle werden durch schnelles Abschrecken des Materials von hoher Temperatur erzeugt. Dies beinhaltet einen schnellen Übergang von einem Zustand von 100 % Austenit zu einem hohen Prozentsatz an Martensit. Wenn der Stahl mehr als 0,15 % Kohlenstoff enthält, wird der Martensit zu einem hochbeanspruchten raumzentriert-kubischen Körper und ist mit Kohlenstoff übersättigt. Der Kohlenstoff blockiert effektiv die meisten Gleitebenen im Gefüge, was ein sehr hartes und sprödes Material erzeugt. Wenn die Abschreckrate nicht schnell genug ist, diffundiert Kohlenstoff aus der austenitischen Phase aus. Der Stahl wird dann zu Perlit, Bainit oder, wenn er lange genug heiß gehalten wird, zu Ferrit. Keines der gerade genannten Gefüge hat nach dem Anlassen die gleiche Festigkeit wie Martensit und wird allgemein als ungünstig für die meisten Anwendungen angesehen.

Erfolgreiche Wärmebehandlung hängt von drei Faktoren ab

1. Größe und Form des Prüfkörpers
2. Zusammensetzung des Stahls
3. Abschreckverfahren

1. Größe und Form des Prüfkörpers

Während des Abschreckprozesses muss Wärme an die Oberfläche des Prüfkörpers übertragen werden, bevor sie in das Abschreckmedium dissipiert werden kann. Folglich ist die Rate, mit der das Innere des Prüfkörpers abkühlt, von seinem Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis abhängig. Je größer das Verhältnis, desto schneller kühlt der Prüfkörper ab und desto tiefer die Härtungswirkung. Zum Beispiel wird ein 3-Zoll-zylindrischer Stab mit 1-Zoll-Durchmesser eine höhere Härtbarkeit haben als ein 3-Zoll-Stab mit 1,5-Zoll-Durchmesser. Aufgrund dieses Effekts sind Teile mit mehr Ecken und Kanten eher für das Härten durch Abschrecken geeignet als regelmäßige und abgerundete Formen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm (TTT) der Abkühlkurven eines ölabgeschreckten 95-mm-Stabs. Die Oberfläche wird in 100 % Martensit umgewandelt, während der Kern etwas Bainit enthält und somit eine geringere Härte aufweist.

2. Zusammensetzung des Stahls

Es ist wichtig zu beachten, dass verschiedene Stahllegierungen unterschiedliche elementare Zusammensetzungen enthalten. Das Verhältnis dieser Elemente relativ zur Eisenmenge im Stahl ergibt eine Vielzahl mechanischer Eigenschaften. Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts macht Stahl härter und stärker, aber weniger duktil. Das vorherrschende Legierungselement von rostfreien Stählen ist Chrom, das dem Metall seine starke Korrosionsbeständigkeit verleiht. Da Menschen seit über einem Jahrtausend mit der Zusammensetzung von Stahl experimentieren, ist die Anzahl der Kombinationen endlos.

Weil es so viele Kombinationen gibt, die so viele verschiedene mechanische Eigenschaften ergeben, werden standardisierte Tests verwendet, um verschiedene Stahlsorten zu kategorisieren. Ein gängiger Test für Härtbarkeit ist der Jominy-Test, der in Abbildung 3 unten gezeigt wird. Bei diesem Test wird ein Standardblock aus Material erhitzt, bis er 100 % Austenit ist. Der Block wird dann schnell in eine Vorrichtung bewegt, wo er wasserabgeschreckt wird. Die Oberfläche, oder der Bereich in Kontakt mit dem Wasser, wird sofort abgekühlt und die Abkühlrate fällt als Funktion der Entfernung von der Oberfläche. Eine Fase wird dann entlang der Länge des Probenstücks auf den Block geschliffen. Die Härte an verschiedenen Punkten wird entlang dieser Fase gemessen. Diese Daten werden dann in einem Härtbarkeitsdiagramm mit Härte als Y-Achse und Entfernung als X-Achse dargestellt.

Härtbarkeitskurven werden aus den Ergebnissen von Jominy-Tests konstruiert. Beispiele für einige Stahllegierungskurven sind in Abbildung 4 gezeigt. Mit einer abnehmenden Abkühlrate (steilerer Härteabfall über kurze Distanz) wird mehr Zeit für Kohlenstoffdiffusion und die Bildung eines größeren Anteils weicheren Perlits gelassen. Das bedeutet weniger Martensit und eine geringere Härtbarkeit. Ein Material, das höhere Härtewerte über relativ lange Distanzen beibehält, gilt als hoch härtbar. Auch je größer der Härteunterschied zwischen den beiden Enden, desto geringer die Härtbarkeit. Es ist typisch für Härtbarkeitskurven, dass die Abkühlrate mit zunehmender Entfernung vom abgeschreckten Ende abnimmt. 1040-Stahl hat zunächst die gleiche Härte wie sowohl 4140 als auch 4340, kühlt aber extrem schnell über die Länge des Probenstücks ab. 4140 und 4340 Stahl kühlen allmählicher ab und haben daher eine höhere Härtbarkeit. 4340 hat eine weniger extreme Abkühlrate relativ zu 4140 und somit die höchste Härtbarkeit des Trios.

Härtbarkeitskurven hängen vom Kohlenstoffgehalt ab. Ein höherer Kohlenstoffprozentanteil im Stahl erhöht seine Härte. Es sollte beachtet werden, dass alle drei Legierungen in Abbildung 4 die gleiche Menge an Kohlenstoff enthalten (0,40 % C). Kohlenstoff ist nicht das einzige Legierungselement, das einen Einfluss auf die Härtbarkeit haben kann. Die Diskrepanz im Härtbarkeitsverhalten zwischen diesen drei Stählen kann in Bezug auf ihre Legierungselemente erklärt werden. Tabelle 1 unten zeigt einen Vergleich des Legierungsgehalts in jedem der Stähle. 1040 ist ein reiner Kohlenstoffstahl und hat daher die niedrigste Härtbarkeit, da keine anderen Elemente außer Eisen vorhanden sind, die die Kohlenstoffatome daran hindern, die Matrix zu verlassen. Das Nickel, das zu 4340 hinzugefügt wird, ermöglicht die Bildung eines etwas größeren Martensit-Anteils im Vergleich zu 4140, was ihm die höchste Härtbarkeit dieser drei Legierungen gibt. Die meisten metallischen Legierungselemente verlangsamen die Bildung von Perlit, Ferrit und Bainit, erhöhen daher die Härtbarkeit eines Stahls.

Tabelle 1: Legierungsgehalte von 4340, 4140 und 1040 Stahl

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%

Es kann eine Variation der Härtbarkeit innerhalb einer Materialgruppe geben. Während der industriellen Stahlproduktion gibt es immer leichte unvermeidbare Variationen in der elementaren Zusammensetzung und der durchschnittlichen Korngröße von einer Charge zur nächsten. Meistens wird die Härtbarkeit eines Materials durch maximale und minimale Kurven als Grenzwerte dargestellt.

Die Härtbarkeit nimmt auch mit zunehmender austenitischer Korngröße zu. Ein Korn ist ein einzelner Kristall in einem polykristallinen Metall. Denken Sie an ein Bleiglasfenster (wie das unten gesehene), das farbige Glas wären die Körner, während das Lötmaterial, das alles zusammenhält, die Korngrenzen wären. Austenit, Ferrit und Zementit sind alles verschiedene Arten von Körnern, die die verschiedenen Gefügestrukturen von Stahl bilden. An den Korngrenzen bilden sich Perlit und Bainit. Dies ist nachteilig für den Härtungsprozess, da Martensit das gewünschte Gefüge ist, die anderen Arten behindern sein Wachstum. Martensit bildet sich aus dem schnellen 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 Gelegenheiten für Gefüge wie Perlit und Bainit zu bilden und mehr Gelegenheiten für Martensit zu bilden.

3. Abschreckverfahren

Wie bereits erwähnt, beeinflusst die Art des Abschreckens die Abkühlrate. Die Verwendung von Öl, Wasser, wässrigen Polymerabschreckmitteln oder Luft ergibt unterschiedliche Härte durch das Innere des Werkstücks. Dies verschiebt auch die Härtbarkeitskurven. Wasser erzeugt das stärkste Abschrecken, gefolgt von Öl und dann Luft. Wässrige Polymerabschreckmittel liefern Abschreckraten zwischen denen von Wasser und Öl und können durch Änderung der Polymerkonzentration und Temperatur auf spezifische Anwendungen abgestimmt werden. Der Grad der Bewegung beeinflusst auch die Rate der Wärmeabfuhr. Je schneller das Abschreckmedium über das Probenstück strömt, desto größer die Abschreckeffektivität. Ölabschrecken werden allgemein verwendet, wenn ein Wasserabschrecken für eine Stahlsorte zu stark sein könnte, da es bei der Behandlung Risse oder Verzug verursachen könnte.

Bearbeitung gehärteter Stähle

Die Art des Schneidwerkzeugs, das für die Bearbeitung eines Werkstücks nach dem Härten gewählt werden sollte, hängt von einigen verschiedenen Variablen ab. Nicht zählend die geometrischen Anforderungen spezifisch für die Anwendung, sind zwei der wichtigsten Variablen die Materialhärte und seine Härtbarkeit. Einige relativ hochbeanspruchte Anwendungen erfordern mindestens 80 % Martensit, der im gesamten Inneren des Werkstücks erzeugt wird. Normalerweise erfordern mäßig beanspruchte Teile nur etwa 50 % Martensit im gesamten Werkstück. Bei der Bearbeitung eines abgeschreckten Metalls mit sehr niedriger Härtbarkeit kann ein Standard-beschichtetes Vollhartmetallwerkzeug problemlos funktionieren. Dies liegt daran, dass der härteste Teil des Werkstücks auf seine Oberfläche begrenzt ist. Bei der Bearbeitung eines Stahls mit hoher Härtbarkeit wird empfohlen, ein Werkzeug mit spezialisierter Geometrie für diese spezifische Anwendung zu verwenden. Hohe Härtbarkeit führt zu einem Werkstück, das im gesamten Volumen hart ist. Harvey Tool bietet eine Reihe verschiedener Schneidwerkzeuge für gehärteten Stahl im Katalog an, einschließlich Bohrer, Schaftfräser, Nutfräser und Gravierer.

Gehärteter Stahl – Zusammenfassung

Härtbarkeit ist ein Maß für die Tiefe, bis zu der eine ferritische Legierung durch die Bildung von Martensit im gesamten Volumen, von Oberfläche bis Kern, gehärtet werden kann. Es ist eine wichtige Materialeigenschaft, die Sie bei der Wahl eines Stahls sowie Schneidwerkzeugen für eine bestimmte Anwendung berücksichtigen müssen. Die Härtung jedes Stahls hängt von der Größe und Form des Teils, der molekularen Zusammensetzung des Stahls und der Art des verwendeten Abschreckverfahrens ab.