2012-3 - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth

Die Wärmebehandlung 

metallischer Werkstoffe 

Sommersemester 2012 

Dr. Dieter Müller 

RENK AG, Augsburg 

18. Juni 2011 

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe Folie 1 


Block 3 

Glühverfahren 

Spannungsarmglühen 

Rekristallisationsglühen 

Weichglühen 

Normalglühen 

Martensitisches Härten 

Prozessparameter 

Härtbarkeit 

Anlassen 

Prozessparameter beim martensitischen Härten 

Bainitisches Härten / Zwischenstufenvergüten 

ZTA- und ZTU-Diagramme 



1


Übersicht Wärmebehandlungsverfahren 



2

Temperaturbereiche Wärmebehandlung 



Temperaturbereiche Wärmebehandlung 

von Stahl 

Temperatur °C 

1100 

1000 

900 

800 

1 

2 

1: Grobkornglühen 

2: Normalglühen 

3: Weichglühen 

4: Spannungsarmglühen 

700 

3 

600 

4 

500 

400 

300 

0 0,5 1 1,5 2 2,5 

Kohlenstoffgehalt Gew.% 



3



Spannungsarmglühen (DIN EN 10052:1993) 

Wärmebehandlung bestehend aus Erwärmen und Halten bei ausreichend hoher Temperatur 

und anschließendem zweckentsprechenden Abkühlen, um innere Spannungen ohne 

wesentliche Änderung des Gefüges weitgehend abzubauen. 

• Ziel: 

Reduzierung von Eigenspannungen 

Verbesserung der Maßhaltigkeit während der weiteren Verarbeitung / Wärmebehandlung 

• Ablauf 

- Erwärmen auf eine entsprechende Temperatur 

unlegierte Stähle: 550 - 650°C 

hochlegierte Stähle: ca. 850°C 

- Halten auf Temperatur 

- Abkühlung entsprechend Querschnitt 

• Anlagen: 

Luftumwälzofen (Oxidation!), Schutzgasöfen 

• Fehlermöglichkeiten: 

Temperatur zu niedrig (unzureichender Spannungsabbau) 

Haltezeit zu lang (starke Oxidation) 

Abkühlung zu schnell (Bildung thermischer Eigenspannungen) 



4


Ursachen von Eigenspannungen 

Thermische Eigenspannungen 

aufgrund Ausdehnungskoeffizient und unterschiedlicher 

Abkühlung Rand-Kern (z.B. Abkühlung nach 

Warmumformung, lokale Erwärmung, Schweißen) 

Metallurgische Eigenspannungen 

aufgrund Phasenumwandlung (z.B. Martensitbildung) 

Mechanische Eigenspannung 

aufgrund Kaltumformung, Zerspanung 




1200 

°C 

1000 

800 

600 

400 

200 

0 


Austenitisieren 

Abschrecken 

Abkühlen 

Anlassen 

Zeit 

Grobzerspanung 

Feinzerspanung bis 

Schleifaufmaß 



5


Tangentiale Resteigenspannungen 

(MPa) 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 

Mittlere Abkühlgeschwindigkeit bis 400°C (°C/h) 

Tangentiale Resteigenspannungen in Abhängigkeit von Durchmesser und Abkühlungsgeschwindigkeit 

(CrMoNiV-Stähle) 




6


Rekristallisationsglühen (DIN EN 10052:1993) 

Wärmebehandlung mit dem Ziel, durch Keimbildung und Wachstum ohne 

Phasenänderung eine Kornneubildung in einem kaltumgeformten Werkstück zu erreichen. 

• Ziel: 

Gefügeneubildung zur Verbesserung der Umformbarkeit 

• Ablauf: 

- Erwärmen auf Rekristallisationstemperatur (ca. 0,4 T S ) 


- Abkühlung 

• Anlagen: 

Schutzgasöfen, Vakuumöfen 


Temperatur zu niedrig (unzureichender Gefügeneubildung) 

Haltezeit zu kurz (dto.) 

Umwandlungstemperatur überschritten 




Kaltverformung 

Rekristallisation 

Zugfestigkeit 

Zähigkeit 

Zugfestigkeit 

Zähigkeit 

Verformbarkeit 

Verformungsgrad 

Zugfestigkeit 

Zähigkeit 

Verformbarkeit 

Glühtemperatur 



7


Rekristallisation durch Keimbildung und Keimwachstum 



Rekristallisationstemperatur 



8

Rekristallisationsdiagramm 

Zusammenhang Verformungsgrad Korngröße 




9

Weichglühen 

Weichglühen (DIN EN 10052:1993) 

Wärmebehandlung zum Vermindern der Härte eines Werkstoffes auf einen vorgegebenen Wert. 

Glühen auf kugelige Carbide (Zementit) / GKZ-Glühen (DIN EN 10052:1993) 

Glühen mit dem Ziel einer Einformung der Carbide. Es umfaßt im allgemeinen ein längeres 

Halten auf einer Temperatur bei Ac1, ggf. ein Pendeln um diese Temperatur. 

• Ziel: 

Karbideinformung zur Verbesserung der Zerspanbarkeit bzw. Kaltumformbarkeit 

• Ablauf: 

- Erwärmen unter Ac1 

- längeres Halten auf Temperatur bzw. Pendeln um Ac1 

- Abkühlung 

• Anlagen: 



Temperatur zu niedrig (unzureichende Carbideinformung) 


Umwandlungstemperatur überschritten und Abkühlung zu schnell - Perlitbildung 



Weichglühen 



10

Weichglühen 

C10 C45 C100 Gefügezustand 

N 

GKZ-N 

GKZ-H 



Weichglühen 

Richtreihe 1 (0%) 






Werksinterne (Buderus Edelstahl) Richtreihe für das GKZ-Glühen von 100Cr6; 

Prozentangaben für Anteil an lamellaren Perlit 



11

Weichglühen - Carbideinformung 



Temperaturzyklus GKZ-GlühenGlühen 



12

Normalglühen 

Normalglühen (DIN EN 10052:1993) 

Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem Abkühlen an 

ruhender Luft 

• Ziel: 

Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Gefügeneubildung und 

Kornfeinung 

• Ablauf: 

- Erwärmen über Umwandlungstemperatur 

(über Ac 3 für untereutektoide, über Ac 1 für übereutektoide Stähle) 


- Abkühlung 

• Anlagen: 



Temperatur zu niedrig (unzureichender Gefügeneubildung) 


Abkühlung zu schroff (Zwischenstufengefüge) 



Normalglühen 



13

Normalglühen 

Gefüge eines Baustahls vor und nach dem Normalglühen 



Normalglühen - Kornfeinung 

Gefüge eines Vergütungsstahls – Normalgeglüht nach DB-Vorschrift 



14

Glühen - Sonderverfahren 

- BG-Glühen (Besonderes Gefüge): 

auch FP-Glühen (Ferrit-Perlit) 

Normalglühen bei 900-1000°C mit anschließender geregelter Abkühlung; 

Wärmebehandlung nach Warmumformung 

- BF-Glühen (Besondere Festigkeit): 

Wärmebehandlung bei 850-950°C mit anschließendem Abkühlen und folgendem 

Anlassen bei 500-550°C (Vergüten) 

- BY-Glühen: 

Kontrolliertes Abkühlen aus der Schmiedehitze 



Normalglühen - Sonderverfahren 

Sonderverfahren: magnetisches Schlussglühen 

- Kaltumformung führt zu Erhöhung der Koerzitivfeldstärke 

- Gefügeneubildung führt zu „definierter“ Koerzitivfeldstärke 

- Elektronische Bauteile/Gehäuse 

Hysteresekurven: 

kaltumgeformt 

geglüht 



15


Historische Härteanweisung 

n.n., 1532 bei Peter Jordan in Mainz gedruckt: 

Von Stahel und Eysen 

Erstlich wie man Eysen härten und wieder weich machen 

soll. 

Nimm Eisenkraut, sowohl die Stengel als auch die Blätter 

Zerstampfe es und presse den Saft durch ein Tuch, tue den Saft 

in ein Glas und hebe es auf 

Wenn Du dann Härten willst, so tue auch soviel Harn eines 

Mannes dazu als Saft vorhanden ist 

Tue ferner Saft von den Würmern dazu, die man Egerlinge nennt 

Lass dann das Eisen nicht gar zu heiß werden 

Sondern nur bis es eine ausreichende Hitze hat … 

Die Härte des Eisens zu beseitigen 

Lasse Menschenblut abstehen, bis Wasser darauf steht 

Dieses Wasser wird abgesiebt und aufbewahrt 

Danach halte die gehärteten Waffen ins Feuer 

Bis dass sie heiß werde 

Dann streiche das Blutwasser mit einer Feder auf 

Wenn das Wasser verdampft ist, so werden sie weich… 



16

Begriffe der Wärmebehandlung (EN 10052) 

Härten 

• Härten 

Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen 

Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung 

des Austenits in Martensit und ggf. Bainit erfolgt. 

• Austenitisieren 

Wärmebehandlungsschritt, in dessen Verlauf das Werkstück auf eine Temperatur gebracht 

wird, bei der die Matrix austenitisch wird. 

• Abschrecken 

Wärmebehandlungsschritt, bei dem Werkstück mit größerer Geschwindigkeit als an ruhender 

Luft abgekühlt wird. 

• Abkühlungsgeschwindigkeit 

Sie gibt die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit während des Abkühlens an. Man 

unterscheidet: 

- die momentane Abkühlgeschwindigkeit bei einer bestimmten Temperatur 

- die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit in einem bestimmten Temperaturintervall 

• kritischer Abkühlverlauf 

Abkühlverlauf, bei dem eine vollständige Umwandlung (bei Vermeidung ungewünschten 

Gefüges) unter den vergleichsweise mildesten Abkühlbedingungen erreicht werden. 



Begriffe der Wärmebehandlung (EN 10052) 

Härten 

• Bainitisieren; isothermes Umwandeln in der Bainitstufe; 

Zwischenstufenvergüten 

Wärmebehandlung, bestehend aus Austenitisieren und anschließendem gestuften 

Abschrecken auf eine Temperatur oberhalb M S mit solcher Geschwindigkeit, dass jegliche 

Bildung von Ferrit oder Perlit vermieden wird, und Halten auf dieser Temperatur, um den 

Austenit teilweise oder vollständig in Bainit umzuwandeln. 

• Anlassen 

Wärmebehandlung, die im allgemeinen nach einem Härten oder einer anderen 

Wärmebehandlung durchgeführt wird, um gewünschte Werte für bestimmte Eigenschaften 

zu erreichen. 

Sie besteht aus ein- oder mehrmaligem Erwärmen auf eine vorgegebene Temperatur (


Härte von Martensit 

1000 

30 

Härte HV10 

800 

600 

400 

Härte HV10 

mit Resaustenit 

Bruchdehnung A5 

25 

20 

15 

10 

5 

Bruchdehnung A5 (%) 

200 

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 

Massengehalt C (%) 

0 



18

Bedingungen für die Martensitbildung 

Abkühlgeschwindigkeit schneller als kritischer Abkühlverlauf (v krit. ) 

Temperatur kleiner als Martensitstarttemperatur (M S ). 

1400 

1200 

1000 

Kritische 

Abkühlgeschwindigkeit 

500 

400 

300 

Ms / Mf Temperatur 

(K/s) 

Ms 

800 

200 

600 

≈ 

100 

400 

Mf 

≈ 

0 

200 

0 0,4 0,8 1,2 

-100 

0 

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 

C- Gehalt (Gew. %) 

-200 

C- Gehalt (Gew. %) 

(°C) 

Empirische Formel zur Abschätzung der Martensitstarttemperatur: 

MS (1%) = 561 - 474 (%C) - 33 (%Mn) - 17 (%Cr) - 17 (%Ni) - 21 (%Mo) [°C] 

Mf (50%) = MS - 63°C 

Mf (95%) = MS - 272°C 

Mf (99%) = MS - 424°C 



Temperaturzyklus beim Härten 

1. Erwärmen (gestuft) 

2. Austenitisieren 

(spez. Härtetemperatur) 

3. Abschrecken 

so mild wie möglich, so schroff wie nötig 

4. Anlassen 

Quelle: Stahl-Informationszentrum 



19

Das Austenitisieren 

Parameter 

Austenitisierungstemperatur: 

Ist werkstoffabhängig und kann entsprechenden Datenblättern entnommen 

werden. Prinzipiell steigt die Austenitisierungstemperatur mit 

zunehmenden Gehalt an Sonderkarbidbildnern, da die Karbide im Gefüge 

in Lösung gebracht werden müssen. 

Darf nicht zu hoch sein, da es sonst zu unerwünschter Kornvergröberung 

kommt (Überhitzung) 

Austenitisierungszeit: 

Muss lang genug sein, um homogenen Austenit zu bilden 

Darf insbesondere bei hohen Härtetemperaturen nicht zu lang sein, da es 

sonst zu einer unerwünschten Kornvergröberung kommt (Überzeitung) 



Austenitisierungstemperaturen 

1600 

1: Unlegierte Stähle 

C45, C60, C100 

1400 

2: Niedrig legierte Vergütungsstähle 

42CrMo4, 50 CrV4, 30MnB4 

Temperatur in C 

1200 

1000 

800 

7 

4,5 6 

2 

3 

1 

3: Niedriglegierte Wälzlagerstähle 

100Cr6, 100CrMo6-7 

4: Hochlegierte Warmarbeitsstähle 

X38CrMoV5-1, X32CrMoV3-3 

5: Härtbare korrosionsbeständige Stähle 

X40Cr13, X39CrMo17-1, X105CrMo17 

6: Ledeburitische Kaltarbeitsstähle 

X210Cr12, X155CrVMo12-1 

600 

0 1 2 3 

Gew.% C 

7: Schnellarbeitsstähle, PM-Stähle 

HS6-5-2, HS6-5-2-5 



20

Abschrecken - Abschreckmedien 

Abschreckmittel 

Gasförmige 

(bis 20 bar) 

• Luft 

• N 2 

• He 

• H 2 

Flüssige 

• Härteöle 

(Mineralöle, 

synthetische 

Öle) 

• Wässerige 

Lösungen 

(Polymerbäder) 

Bei RT feste 

• Metallschmelzen 

(Blei, Zinn) 

• Salzschmelzen 

(Nitritbasis) 



Abschrecken - Dampfhautbildung 



21

Abschrecken - Abschreckmedien 

3000 

Abschreckgeschwindigkeit (K/s) 

2500 

2000 

1500 

1000 

500 

10%ige 

Cyanidsalzlösung 

Leitungswasser 

legiertes Öl 

unlegiertes Öl 

Salzschmelze 

(Warmbad 210°C) 

0 

0 200 400 600 800 

Temperatur (°C) 



Restaustenit 

Liegt die Martensitfinishtemperatur unterhalb Raumtemperatur, so bleibt 

im Gefüge nicht umgewandelter Austenit erhalten, welcher als Restaustenit 

bezeichnet wird. 

Dieser ist jedoch nicht stabil und kann im Laufe der Zeit in Martensit 

umwandeln, weswegen er in der Regel unerwünscht ist. 

Abhilfemaßnahmen: 

- Anlassen 

- Tiefkühlen unter M f 



22

Erscheinungsformen des Martensit 

Lanzettenmartensit (LM) 

(Massiv-Martensit) 

gemischt 

Plattenmartensit (PM) 

(Nadel-Martensit) 

Restaustenit (RA) 

Habitusebene 

Ck15 

Ck45 

C70 

C160 

REM 

Temperatur in °C 

M s 

M f 

Volumenanteil in % 

LM 

PM 

RA 

Kohlenstoffgehalt in Ma.-% 


Kohlenstoffgehalt in Ma.-% 

STH/03- 


Gefügeausbildung von Martensit 

Nach dem Umklappen ins Martensitgitter hat der Kohlenstoff eine wesentlich höhere 

Diffusionsgeschwindigkeit als im Austenit. Aus diesem Grund scheiden sich noch während der 

Abkühlung bei den zuerst (bei hohen Temperaturen) gebildeten Martensitplatten feinste 

Karbidausscheidungen aus. Dadurch ätzen sie sich im Schliff dunkel an. 



23


Stirnabschreckversuch nach Jominy 



24

Härteverlauf Jominy-Probe 

800 

A C3 

A C1 

A 

F 

600 

P 

Temperatur (°C) 

400 

M S 

M 

B 

200 

0 

800 

2 10 20 30 50 

Stirnabstand (mm) 

600 

Härte HV10 

400 

200 

0 

0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 

Abkühldauer t 8/5 (s) 



Stirnabschreckkurven 

70 

60 

C45E+H 

C45R+H 

70 

60 

42CrMo4+H 

42CrMo4+HH 

42CrMo4+HL 

42CrMoS4+H 

42CrMoS4+HH 

42CrMoS4+HL 

Härte (HRC) 

50 

40 

Härte (HRC) 

50 

40 

HH 

H 

30 

30 

HL 

20 

0 10 20 30 

Abstand von der Stirnfläche (mm) 


H 

20 

0 10 20 30 40 50 

Abstand von der Stirnfläche (mm) 


DIN 10083 - Vergütungsstähle 

25

Härtbarkeit 



Durchhärtbarkeit 

70 

70 

60 

60 

50 

50 

40 

40 

30 

30 

20 

20 

10 

Durchmesser 

40 mm 200 mm 1000 mm 

10 

Werkstoff 

50 CrMo 4 41 Cr 4 Ck 45 

0 

100 75 50 25 0 25 50 75 100 

0 

20 15 10 5 0 5 10 15 20 



26

Härtbarkeitsdiagramm 

0 

20 

40 

60 

64 HRC 

62 HRC 

60 HRC 

Salzbadabschreckung 

80 

100 

54 HRC 

Werkstückdurchmesser (mm) 

120 

140 

160 

180 

200 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 

Einhärtungstiefe (mm) 

1.2842 

90MnCrV8 



Härtbarkeitsdiagramme 

0 

0 

20 

40 

60 

64 HRC 

62 HRC 

60 HRC 


20 

40 

60 


80 

54 HRC 

80 


100 

120 

140 

160 

180 

1.2842 

90MnCrV8 

200 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 



100 

120 

140 

160 

180 

1.2436 

X210C12 

62 HRC 

60 HRC 

200 

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 




27


Anlassen 

C45 

Anlassen: 

• Mit steigender Temperatur sinkt Härte und 

Festigkeit 

• Bruchdehnung und Zähigkeit steigen 

• Die einzustellenden Werte richten sich nach 

den konstruktiven Anforderungen 



28

Anlassversprödung 

2000 

70 

70 

R m 

40NiCrMo6 

1800 

60 

60 

Z 

0,2%-Dehngrenze R p0,2 und Zugfestigkeit Rm (MPa) 

1600 

1400 

1200 

1000 

R p0,2 

Bereich der 300°C-Versprödung 

„Blauversprödung“ / Fe 3C-Bildung 

Bereich der Anlassversprödung 

erhöhter Gehalt an z.B. P, Sn,, As 

K 

A 

50 

40 

30 

20 

Bruchdehnung A und Brucheinschnürung Z (%) 

50 

40 

30 

20 

Kerbschlagarbeit K / DVM-Probe (J) 

800 

10 

10 

600 

0 

0 

100 200 300 400 500 600 700 

Anlasstemperatur (°C) 



Anlaßstufen gehärteten Stahls 

4 

3 

2 

1 

0 100 200 300 400 500 600 

Anlaßstufen: 

1. tetragonaler Martensit ➨ kubischer Martensit 

Ausscheidung von ε-Karbiden (Fe2C) 

> Volumenverringerung 

2. Ausscheidung von ε-Karbiden 

Restaustenit ➨ kubischer Martensit 

ε-Karbide ➨ Fe3C 


3. kubischer Martensit ➨ Ferrit + Fe3C 


4. Vergröberung der Karbide 



29

Anlassdiagramme 

1.1730 – C45 

1.2311 – 40CrMnMo7 

1.2343 – X38CrMoV5-1 

1.3343 – HS-6-5-2 



Sekundärhärtemaximum 

Auswirkung der 

Austenitumwandlung 

Auswirkung von Karbidausscheidungen 

Karbidausscheidungen 

Härte 

Beobachtete Anlasskurve 

M 3 C 

↓ 

M 7 C 3 

↓ 

Auswirkung des Martensitzerfalls 

M 23 C 6 

Anlasstemperatur 



30


60 

50 

Cr-Gehalt 

60 

50 

Mo- 

Gehalt 

Härte(HRC) 

40 

30 

20 

10 


12% 

4% 

2% 

0,5% 

0% 

Härte(HRC) 

40 

30 

20 

10 


5% 

2% 

0,5% 

0% 

0 

100 200 300 400 500 600 700 800 


0 

100 200 300 400 500 600 700 800 




Ausscheidungen in Stählen 

Ausscheidung Struktur Matrix 

krz 

kfz 

Ausscheidung Struktur Matrix 

krz 

kfz 

Eisenverbindung mit interstitiellen Begleitern 

Intermetallische Verbindungen 

Fe-X >150°C >250°C 

Fe 2 C hex ε-Karbid + 

Fe 3 C orh Zementit + - 

Fe 16 N 2 trz α‘‘-Nitrid ++ 

Fe 4 N kfz γ'-Nitrid + ++ 

Metallverbindung mit interstitiellen Begleitern 

M-X >450°C >600°C 

MC kfz V, Nb, Ti + - 

M 2 C hex Mo, V + 

M-M >450°C >700°C 

NiAl krz B2-Phase ++ 

Ni 3 Al kfz γ‘-Phase ++ 

Ni 3 Ti hex η-Phase - - 

Fe 7 (Mo,W) 6 rh µ-Phase - 

Fe 2 (Mo,W) hex Laves-Phase - + 

FeCr tetr σ-Phase - - 

Fe 36 Cr 12 Mo 10 kKrz χ-Phase - - 

(Fe,Ni) 16 Ti 6 Si 7 kfz G-Phase + 

M 7 C 3 hex Cr - - 

M 23 C6 kfz Cr - + 

M 6 C kfz Mo, W - - 

- inkohärent 

+ teilkohärent 

++ kohärent 

MN kfz Cr + 

MN hex Al - - 

M 2 N hex Cr - 



31


Isothermes ZTU-Diagramm von 100Cr6 

Oberer Bainit 

Unterer Bainit 



32

Eigenschaften – Zusammenfassung 

Vergleich zur Martensitbildung 

• Geringere Maß- und Formänderung 

• Keine Zugeigenspannungen in der Oberfläche 

• Bessere dynamische Eigenschaften 

• Höhere Zähigkeit bei gleicher Festigkeit 

• Geringere Rißempfindlichkeit 



33

2012-3 - Lehrstuhl Metallische Werkstoffe, Universität Bayreuth

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