Werkstofftechnik Praktikum-Versuch Nr.9 "Wärmebehandlung von ...

Werkstofftechnik
Prof. Dr.-Ing. G. Kötting
Prof. Dr. J. Peterseim
Dipl.-Ing. J. Schifter
Schifter-VERS-09.DOC 09.03
1 Grundlagen
Wärmebehandlung von Stählen
Praktikum-Versuch Nr.9
"Wärmebehandlung von Stählen - Vergüten"
Am Ende ihrer Formgebung zu Halbzeugen oder Bauteilen besitzen Stahlerzeugnisse vielfach noch nicht die
erforderlichen Eigenschaften, z.B. mechanische Eigenschaften oder Verarbeitungseigenschaften. Häufig ist
der für die jeweilige Verwendung erforderliche Werkstoff- oder Gefügezustand nicht vorhanden oder noch
nicht erreicht. Dazu werden die verschiedenen Stahlsorten in spezifischer Weise wärmebehandelt.
Letztlich sollen die Wärmebehandlungen dem Stahl die von ihm jeweils verlangten Eigenschaften in angemessener
Weise verleihen. Neben der chemischen Zusammensetzung ist die Wärmebehandlung von
vorrangigem
Einfluß auf die Stahleigenschaften. Es haben sich je nach Werkstoff und Anwendungsfällen viele Verfahren
der Wärmebehandlung herausgebildet. Die grundsätzlichen Arten der Wärmebehandlung sind:
-Glühen,
-Härten,
-Anlassen,
-Vergüten.
Die meisten Wärmebehandlungen werden nach Abschluß der wesentlichen Umformvorgänge des Stahls
durch-geführt.
Viele Maschinenelemente erfordern neben hoher Festigkeit zudem ausreichende Zähigkeit des Werkstoffs
(z.B.: Antriebs-, Spindelwellen, Federelemente, Kurbelzapfen). Diese Eigenschaften können durch Vergüten
erreicht werden. Spezielle Stähle -Vergütungsstähle - sind in DIN EN 10 083 genormt.
Normales Vergüten
Das normale Vergüten setzt sich aus einer kombinierten Wärmebehandlung zusammen, nämlich dem Härten
und dem nachfolgenden Anlassen, siehe Bild 1.
Bild 1:
Wärmebehandlung
beim normalen Vergüten
Härten
Ziel des Härtens ist es, durch schnelles Abkühlen von der Austenitisierungstemperatur möglichst einen
marten-sitischen Werkstoffzustand herzustellen, der durch eine höhere Härte gekennzeichnet ist. Die
Eignung der Stähle für ein Härten durch Umwandlung im Martensitbereich wird durch die Härtbarkeit
gekennzeichnet, siehe Praktikum -Versuch Nr. 8. Nach der Definition in DIN EN 10 052 schließt das Härten
auch Zustände ein, bei denen neben Martensit auch geringe Anteile an Bainit im Gefüge auftreten, da beim
Härten je nach Stahl und
den Gegebenheiten eine ausschließliche Martensitumwandlung nicht immer gegeben ist. Zweckmäßige
Abkühlgeschwindigkeiten und die sich dabei einstellenden Gefügezustände können den Zeit- Temperatur-
Umwandlungs- Diagrammen der Stähle entnommen werden, siehe Vorlesung Kapitel 3.7.2.

- 2 -
Anlassen
Unter Anlassen ist nach DIN EN 10 025 ein Erwärmen auf Temperaturen zwischen Raumtemperatur und Ac1
und Halten auf dieser Temperatur mit nachfolgendem zweckentsprechenden Abkühlen zu verstehen. In den
meisten Fällen werden Vergütungsstähle in einem Temperaturbereich zwischen 550°C und 650°C
angelassen. Die Gefügebestandteile Martensit, Bainit und Restaustenit erfahren durch das Anlassen eine
Veränderung. Aus dem Martensit und dem Bainit wird Kohlenstoff in Form von Carbiden ausgeschieden, und
es werden zudem Versetzungen abgebaut. Im allgemeinen nehmen durch das Anlassen die Härte und die
Festigkeit ab und das Formänderungsvermögen zu. Auch vorhandene Eigenspannung können sich
verringern, wodurch die Rißgefahr in gehärteten Bauteilen gemindert wird. Durch Anlassen kann praktisch
jede Festigkeitsstufe zwischen voll ge-härtetem und geglühtem Zustand eingestellt werden. Stähle
verschiedener Kohlenstoffgehalte können daher durch entsprechende Anlassbehandlungen auf gleiche
Festigkeitswerte (Rp 0,2 und Rm ) gebracht werden. Allerdings können dabei andere Werkstoffeigenschaften
unterschiedlich sein.
Aussagen über die durch die Anlaßtemperaturen und -zeiten zu erreichenden Eigenschaften geben die
Vergütungsschaubilder, die für viele Werkstoffe aufgestellt und veröffentlicht sind (in Normen, sowie in Katalogen
der Stahlhersteller). Die Anlaßzeit hat einen wesentlich geringeren Einfluß als die Anlaßtemperatur. Im
allgemeinen werden in der Praxis 1-2 Stunden Anlaßdauer gewählt. Bild 2 enthält als Beispiel das
Vergütungs-schaubild des Stahls 50 CrV 4.
Zwischenstufenvergüten (Bainitisieren)
Bild 2:
Vergütungsschaubild des Stahls 50 CrV 4
Das Zwischenstufenvergüten - auch Bainitisieren genannt - von Stählen dient dazu, das Gefüge mehr oder
weniger vollständig in den bainitischen Zustand (Zwischenstufengefüge) zu überführen. Dies ist, ebenso wie
das martensitische Härten, mit einer Steigerung der Härte und der Festigkeit gegenüber dem
Ausgangszustand verbunden.
Zum Bainitisieren muß ebenso wie beim Härten zunächst auf Austenitisier- oder Härtetemperatur erwärmt
und gehalten werden, um den austenitischen Zustand herbeizuführen und eine ausreichende Menge
Kohlenstoff im Austenit in Lösung zu bringen. Die Anwendung des Bainitisierens setzt die Verwendung von
Stählen voraus, die durch Zulegieren von Chrom, Molybdän und Mangan eine ausreichend hohe Härtbarkeit
und damit eine Umwandlungscharakteristik aufweisen, durch die beim Abkühlen eine Umwandlung des
Austenits in Ferrit
und / oder Perlit unterbleibt.
Beim isothermischen Umwandeln in der Bainitstufe ist von der Austenitisiertemperatur rasch auf eine Temperatur
unterhalb von etwa 500°C, jedoch oberhalb der Martensittemperatur des betreffenden Stahls, abzukühlen
und auf dieser Temperatur bis zur mehr oder weniger vollständigen Umwandlung des Austenits in
Bainit zu halten. Anschließend kann beliebig schnell auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

- 3 -
Bild 3 zeigt schematisch ein solches Vorgehen. Im bainitischen Zustand werden nicht ganz die durch eine
martensitische Härtung möglichen Werte erreicht. Sie nähern sich diesen jedoch um so mehr, je näher bei
einer isothermischer Umwandlung die Umwandlungstemperatur am Martensitpunkt Ms liegt.
Im Vergleich zu einem vergüteten Zustand gleicher Härte ist die Dehngrenze bainitischer Gefüge höher.
Optimale Werte ergeben sich dabei, wenn des Gefüge vollständig aus Bainit besteht. Im bainitischen
Zustand ist auch das Formänderungsvermögen größer als im martensitischen Zustand, so daß höhere Werte
erreicht werden können, als nach einem Vergüten auf gleich hohe Härte. Als besonders vorteilhaft erweist es
sich, daß zur Erzielung hoher Zähigkeit nicht, wie nach dem Härten, angelassen werden muß.
Durch das isothermische Umwandeln sind ferner die Temperaturunterschiede zwischen Rand und Kern
eines Werkstücks geringer, so daß sich dadurch niedrigere Eigenspannungen ausbilden.
TA
Ms
Martensit
\WT-MB\PRAK\BILDER.DRW
Ferrit Perlit
Bainit
Zeit t
2. Aufgaben und Durchführung des Praktikum-Versuchs
Bild 3:
Schematische Darstellung des
Bainitisierens,
isothermische Umwandlung
Es ist ein Vergütungsschaubild für den Stahl C45E (frühere Bezeichnung: Ck45) aufzustellen. Dazu sind
Kerbschlagbiegeproben zu härten und anschließend anzulassen bzw. zu vergüten. Zu bestimmen ist die
Härte der einzelnen Proben, sowie die Kerbschlagarbeit. Folgende Werkstoffzustände werden untersucht:
a) Anlieferungszustand (U)
b) Normalgeglüht (N)
c) Gehärtet in Wasser (H)
d) Gehärtet in Öl (H-Öl)
e) Gehärtet in Wasser angelasser bei 400°C 1 Stunde (A1)
f) Gehärtet in Wasser angelassen bei 600°C 1 Stunde (A2)
Durchführung
1. Proben kennzeichnen
2. Proben härten
3. Proben zur Härteprüfung anschleifen
4. Härteprüfung (HV 30) durchführen, an jeder Probe 3 Messungen
5. Kerbschlagbiegeversuch durchführen und Kerbschlagarbeit bestimmen
6. Aus Härtemessungen Zugfestigkeit bestimmen: Rm ~ 3,4 . HV 30 MPa
7. Meßdaten protokollieren, Ergebnistabelle 1
8. Vergütungsschaubild erstellen Ergebnisdiagramm 1
Kerbschlagarbeit, Zugfestigkeit, Härte in Abhängigkeit von der Anlaßtemperatur auftragen;
Werte für Anlieferzustand zum Vergleich einzeichnen:

Ergebnistabelle 1
Werkstoff: . . . . . . . . . . . .
Probe / Werkstoffzustand
- 4 –
Härte Zugfestigkeit Kerbschlagarbeit
Ergebnisdiagramm 1: Vergütungsschaubild für Werkstoff: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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