Kohlenstoffstahl-Wärmebehandlung

​Der Zweck der Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl besteht darin, die mechanischen Eigenschaften des Stahls zu verändern, normalerweise Duktilität, Härte, Streckgrenze oder Schlagzähigkeit. Beachten Sie, dass sich die elektrische und thermische Leitfähigkeit nur geringfügig verändert. Wie bei den meisten Verstärkungstechniken für Stahl bleibt der Elastizitätsmodul (Elastizität) davon unberührt. Bei allen Behandlungen von Stahl geht Duktilität gegen erhöhte Festigkeit verloren und umgekehrt. Eisen hat in der Austenitphase eine höhere Löslichkeit für Kohlenstoff; Daher beginnen alle Wärmebehandlungen mit Ausnahme des Sphäroidisierens und des Prozessglühens mit dem Erhitzen des Stahls auf eine Temperatur, bei der die austenitische Phase existieren kann. Anschließend wird der Stahl mit hoher Geschwindigkeit abgeschreckt (Wärmeabfuhr), wodurch Zementit ausfällt und schließlich das verbleibende reine Eisen erstarrt. Die Geschwindigkeit, mit der der Stahl durch die Eutektoidtemperatur abgekühlt wird, beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der Kohlenstoff aus Austenit diffundiert und Zementit bildet. Im Allgemeinen führt schnelles Abkühlen dazu, dass das Eisenkarbid fein dispergiert bleibt und ein feinkörniger Perlit entsteht (bis die kritische Martensittemperatur erreicht ist), und langsames Abkühlen ergibt einen gröberen Perlit. Beim Abkühlen eines untereutektoiden Stahls (weniger als 0,77 Gew.-% C) entsteht eine lamellar-perlitische Struktur aus Eisenkarbidschichten mitα-Ferrit (reines Eisen) dazwischen. Handelt es sich um übereutektoiden Stahl (mehr als 0,77 Gew.-% C), dann besteht die Struktur vollständig aus Perlit mit überall verstreuten kleinen Körnern (größer als die Perlitlamelle) aus Zementit. Die relativen Mengen der Bestandteile werden mithilfe der Hebelregel ermittelt. Im Folgenden finden Sie eine Liste der möglichen Arten von Wärmebehandlungen:

·Sphäroidisieren: Sphäroidit entsteht, wenn Kohlenstoffstahl auf etwa 700 °C erhitzt wird°C für mehr als 30 Stunden. Sphäroidit kann sich bei niedrigeren Temperaturen bilden, die benötigte Zeit erhöht sich jedoch drastisch, da es sich um einen diffusionskontrollierten Prozess handelt. Das Ergebnis ist eine Struktur aus Stäbchen oder Kugeln aus Zementit innerhalb der Primärstruktur (Ferrit oder Perlit, je nachdem, auf welcher Seite des Eutektoids Sie sich befinden). Der Zweck besteht darin, Stähle mit höherem Kohlenstoffgehalt weicher zu machen und eine bessere Formbarkeit zu ermöglichen. Dies ist die weichste und duktilste Form von Stahl. Das Bild rechts zeigt, wo die Sphäroidisierung normalerweise auftritt.

Vollglühen: Kohlenstoffstahl wird auf etwa 40 °C erhitzt°C über Ac3? oder Acm? für 1 Stunde; Dadurch wird sichergestellt, dass sich das gesamte Ferrit in Austenit umwandelt (obwohl Zementit möglicherweise noch vorhanden ist, wenn der Kohlenstoffgehalt größer als das Eutektoid ist). Der Stahl muss dann langsam abgekühlt werden, im Bereich von 20 °C°C (36°F) pro Stunde. In der Regel handelt es sich lediglich um eine Ofenkühlung, bei der der Ofen ausgeschaltet wird, während sich noch Stahl darin befindet. Dies führt zu einer groben perlitischen Struktur, was bedeutet, dass die „Bänder“ aus Perlit dick sind. Vollständig geglühter Stahl ist weich und duktil und weist keine inneren Spannungen auf, was für eine kostengünstige Umformung häufig erforderlich ist. Nur sphäroidisierter Stahl ist weicher und duktiler.

·Prozessglühen: Ein Prozess zum Entspannen von Spannungen in einem kaltverformten Kohlenstoffstahl mit weniger als 0,3 Gew.-% C. Der Stahl wird normalerweise auf bis zu 550 °C erhitzt–650°1 Stunde lang, manchmal aber auch bis zu 700 °C°C. Das Bild rechts [Klärung erforderlich] zeigt den Bereich, in dem das Prozessglühen stattfindet.

Isothermes Glühen: Hierbei handelt es sich um einen Prozess, bei dem untereutektoider Stahl über die obere kritische Temperatur erhitzt und diese Temperatur eine Zeit lang aufrechterhalten wird. Anschließend wird die Temperatur unter die untere kritische Temperatur gesenkt und erneut aufrechterhalten. Anschließend wird es abschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Methode beseitigt jeglichen Temperaturgradienten.

Normalisieren: Kohlenstoffstahl wird auf etwa 55 °C erhitzt°C über Ac3 oder Acm für 1 Stunde; Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Stahl vollständig in Austenit umwandelt. Anschließend wird der Stahl luftgekühlt, was einer Abkühlrate von etwa 38 entspricht°C (100°F) pro Minute. Dies führt zu einer feinen perlitischen Struktur und einer gleichmäßigeren Struktur. Normalisierter Stahl hat eine höhere Festigkeit als geglühter Stahl; es weist eine relativ hohe Festigkeit und Härte auf.

Abschrecken: Kohlenstoffstahl mit mindestens 0,4 Gew.-% C wird auf Normalisierungstemperaturen erhitzt und dann in Wasser, Salzlösung oder Öl schnell auf die kritische Temperatur abgekühlt (abgeschreckt). Die kritische Temperatur hängt vom Kohlenstoffgehalt ab, ist jedoch in der Regel niedriger, je höher der Kohlenstoffgehalt ist. Dadurch entsteht ein martensitisches Gefüge; eine Form von Stahl, die einen übersättigten Kohlenstoffgehalt in einer verformten kubisch-raumzentrierten (BCC) Kristallstruktur besitzt, die eigentlich als tetragonalraumzentrierte (BCT) bezeichnet wird, mit viel innerer Spannung. Daher ist vergüteter Stahl extrem hart, aber spröde, normalerweise zu spröde für praktische Zwecke. Diese inneren Spannungen verursachen Spannungsrisse an der Oberfläche. Abgeschreckter Stahl ist etwa drei- bis vierfach (mit mehr Kohlenstoff) härter als normalisierter Stahl.

Martempering (Marquenching): Martempering ist eigentlich kein Härteverfahren, daher der Begriff „Marquenching“. Dabei handelt es sich um eine Form der isothermen Wärmebehandlung, die nach einem anfänglichen Abschrecken angewendet wird, typischerweise in einem Bad aus geschmolzenem Salz bei einer Temperatur direkt über der „Martensit-Starttemperatur“. Bei dieser Temperatur werden Restspannungen im Material abgebaut und es kann sich etwas Bainit aus dem Restaustenit bilden, der keine Zeit hatte, sich in etwas anderes umzuwandeln. In der Industrie handelt es sich dabei um ein Verfahren zur Steuerung der Duktilität und Härte eines Materials. Bei längerem Abschrecken erhöht sich die Duktilität bei minimalem Festigkeitsverlust; Der Stahl wird in dieser Lösung gehalten, bis sich die Innen- und Außentemperaturen angleichen. Anschließend wird der Stahl mit mäßiger Geschwindigkeit abgekühlt, um den Temperaturgradienten minimal zu halten. Durch dieses Verfahren werden nicht nur innere Spannungen und Spannungsrisse reduziert, sondern auch die Schlagfestigkeit erhöht.

Abschrecken und Anlassen: Dies ist die häufigste Wärmebehandlung, da die endgültigen Eigenschaften durch die Temperatur und die Zeit des Anlassens genau bestimmt werden können. Beim Anlassen wird abgeschreckter Stahl erneut auf eine Temperatur unterhalb der Eutektoidtemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt. Durch die erhöhte Temperatur bilden sich sehr geringe Mengen Sphäroidit, was die Duktilität wiederherstellt, aber die Härte verringert. Die tatsächlichen Temperaturen und Zeiten werden für jede Zusammensetzung sorgfältig ausgewählt.

Austempering: Der Austempering-Prozess ist derselbe wie Martempering, außer dass der Stahl während der Bainit-Umwandlungstemperaturen im geschmolzenen Salzbad gehalten und dann mäßig abgekühlt wird. Der resultierende Bainitstahl weist eine größere Duktilität, höhere Schlagfestigkeit und weniger Verformung auf. Der Nachteil des Austemperns besteht darin, dass es nur bei wenigen Stählen angewendet werden kann und ein spezielles Salzbad erfordert.