Härten von Stahl
Anlassen ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem ein abgeschrecktes Werkstück erneut auf eine Temperatur unter A1 erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Abgeschreckter Stahl sollte nicht direkt verwendet werden; Er muss einem Anlassen unterzogen werden, das die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Stahls bestimmt und einen entscheidenden Schritt der Wärmebehandlung darstellt.
Zweck des Temperierens
Um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen
Nach dem Abschrecken weist das Werkstück eine hohe Härte, aber eine geringe Duktilität und Zähigkeit auf. Um unterschiedliche Leistungsanforderungen für verschiedene Teile zu erfüllen, wird Tempern eingesetzt, um die abgeschreckte Mikrostruktur zu modifizieren, die Härte anzupassen und die Sprödigkeit zu verringern, was zu den gewünschten mechanischen Eigenschaften des Werkstücks führt.
Zur Stabilisierung der Werkstückabmessungen
Der beim Abschrecken gebildete Martensit und Restaustenit sind instabile Strukturen, die sich im Laufe der Zeit zersetzen und zu Dimensions- und Formänderungen führen können. Durch das Anlassen wird die abgeschreckte Mikrostruktur in eine stabile umgewandelt und gewährleistet, dass das Werkstück während des Gebrauchs seine Abmessungen und Form beibehält.
Zur Reduzierung oder Eliminierung innerer Spannungen beim Abschrecken
Das Abschrecken führt zu erheblichen inneren Spannungen. Wenn diese Spannungen nicht umgehend durch Anlassen abgebaut werden, können sie dazu führen, dass sich das Werkstück verformt oder sogar reißt.
Umwandlungen beim Anlassen von vergütetem Stahl
Abgeschreckter Martensit und Restaustenit sind metastabile Phasen, die sich beim Anlassen von Raumtemperatur auf unter A1 in Ferrit und Karbide zersetzen. Die konkreten Umwandlungen hängen von der Anlasstemperatur ab:
Zersetzung von Martensit (weniger als oder gleich 200 Grad)
Beim Anlassen unter 80 Grad kommt es zu keiner wesentlichen Änderung der Mikrostruktur, mit Ausnahme der Ansammlung von Kohlenstoffatomen im Martensit. Zwischen 80 und 200 Grad beginnt sich Martensit zu zersetzen, wobei Kohlenstoffatome als ε--Karbide (Fe2,4C) ausfallen, wodurch die Kohlenstoffübersättigung im Martensit verringert und die Tetragonalität verringert wird. Da die Anlasstemperatur niedrig ist, fällt nur ein Teil des überschüssigen Kohlenstoffs aus, sodass der Martensit als übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in -Fe zurückbleibt. Die feinen ε--Carbide sind entlang der Grenzflächen der übersättigten --Mischkristalllösung verteilt und bewahren eine kohärente Beziehung (wobei die Atome an den Phasengrenzen von den beiden Kristallgittern gemeinsam genutzt werden). Diese Mikrostruktur, bestehend aus einer weniger übersättigten --Mischkristalllösung und ε--Karbiden, wird als angelassener Martensit bezeichnet. Aufgrund der feinen und hochdispersen Beschaffenheit der ε--Karbide nimmt die Härte des Stahls nicht wesentlich ab, wenn er unter 200 Grad angelassen wird. Die Ausscheidung von ε--Karbiden verringert jedoch die Gitterverzerrung, senkt die Abschreckspannung und erhöht leicht die Plastizität und Zähigkeit des Stahls.
Zersetzung von Restaustenit (200 Grad – 300 Grad)
Restaustenit ähnelt unterkühltem Austenit, daher sind seine Anlassumwandlungsprodukte dieselben wie die von unterkühltem Austenit unter ähnlichen Temperaturbedingungen und bilden je nach Temperatur Martensit, Bainit oder Perlit.
Wenn Stahl zwischen 200 und 300 Grad angelassen wird, zersetzt sich Martensit weiter und Restaustenit beginnt sich in niedrigeres Bainit umzuwandeln (200 bis 300 Grad ist der untere Bainit-Umwandlungsbereich). In diesem Temperaturbereich nimmt die Abschreckspannung weiter ab, die Härte nimmt jedoch nicht wesentlich ab.
Umwandlung von Karbiden (250 Grad –450 Grad)
Beim Tempern über 250 Grad führt die erhöhte Diffusionsfähigkeit der Kohlenstoffatome dazu, dass sich ε--Karbide allmählich in stabilen Zementit umwandeln. Bei 450 Grad wandeln sich alle ε--Karbide in hochdispersen Zementit um. Die kontinuierliche Ausfällung von Kohlenstoff senkt den Kohlenstoffgehalt in der -festen Lösung auf sein Gleichgewichtsniveau und wandelt ihn in Ferrit um, behält jedoch seine nadelartige Form. Diese aus nadelförmigem Ferrit und hochdispersem Zementit bestehende Struktur wird als getemperter Troostit bezeichnet. Die getemperte Troostit-Struktur von 45-Stahl ist in der folgenden Abbildung dargestellt. An diesem Punkt nimmt die Härte des Stahls ab und seine Zähigkeit und Plastizität nehmen weiter zu, wobei die Abschreckspannung nahezu beseitigt ist.
Aggregation und Wachstum von Zementit und Rekristallisation von Ferrit (450 Grad –700 Grad)
Oberhalb von 450 Grad zerfällt der hochdisperse Zementit allmählich zu feinen Partikeln, und mit steigender Temperatur wachsen diese Partikel. Gleichzeitig beginnt Ferrit zwischen 500 und 600 Grad zu rekristallisieren und verwandelt sich von latten- oder nadelähnlichen Formen in polygonale Körner.
Diese Struktur, bestehend aus körnigem Zementit, verteilt auf einer polygonalen Ferritmatrix, wird getemperter Sorbit genannt. Die gehärtete Sorbitstruktur von 45-Stahl ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Wenn die Temperatur weiter auf 650 Grad –A1 erhöht wird, vergröbert das körnige Zementit und bildet eine Mikrostruktur aus polygonalem Ferrit und größerem körnigem Zementit, bekannt als getemperter Perlit.
Die Umwandlung von vergütetem Stahl beim Anlassen erfolgt in verschiedenen Temperaturbereichen. Selbst bei der gleichen Anlasstemperatur können mehrere Arten von Umwandlungen auftreten. Die Eigenschaften von gehärtetem Stahl hängen von diesen mikrostrukturellen Veränderungen ab, die wiederum seine mechanische Leistung beeinflussen. Im Allgemeinen nehmen Festigkeit und Härte mit steigender Anlasstemperatur ab, während sich Duktilität und Zähigkeit verbessern, wobei diese Veränderungen bei höheren Temperaturen stärker ausgeprägt sind.
Arten und Anwendungen des Temperns
Der Hauptfaktor, der die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Stahl bestimmt, ist die Anlasstemperatur. Das Anlassen wird basierend auf der Temperatur und der daraus resultierenden Mikrostruktur in drei Arten eingeteilt:
Tempern bei niedriger-Temperatur (150 Grad–250 Grad)
Durch Anlassen bei niedrigen-Temperaturen entsteht angelassener Martensit. Ziel ist es, die hohe Härte und Verschleißfestigkeit von vergütetem Stahl beizubehalten und gleichzeitig innere Spannungen und Sprödigkeit zu reduzieren sowie Duktilität und Zähigkeit zu verbessern. Dieses Verfahren wird hauptsächlich für Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und legierte Stähle in Schneidwerkzeugen, Messwerkzeugen, Kaltprägewerkzeugen, Wälzlagern, aufgekohlten Teilen und oberflächenvergüteten Teilen verwendet. Die Härte nach dem Anlassen liegt typischerweise zwischen 58 und 64 HRC.
Tempern bei mittlerer-Temperatur (350 Grad–500 Grad)
Mit dieser Methode erhält man getemperten Troostit. Sein Zweck besteht darin, eine hohe Streckgrenze, Elastizitätsgrenze und erhebliche Zähigkeit zu erreichen. Das Anlassen bei mittlerer-Temperatur wird hauptsächlich für verschiedene elastische Komponenten und Heiß{3}}-Arbeitswerkzeuge verwendet. Die Härte nach dem Anlassen liegt im Allgemeinen zwischen 35 und 50 HRC.
Hoch-Tempern (500 Grad–650 Grad)
Mit dieser Methode entsteht temperierter Sorbit. Ziel ist es, ein Gleichgewicht aus Festigkeit, Härte, Duktilität und Zähigkeit zu erreichen. Wenn Abschrecken und Hochtemperaturanlassen kombiniert werden, wird der Vorgang üblicherweise als „Abschrecken und Anlassen“ bezeichnet. Es wird häufig für kritische Strukturkomponenten in der Produktion von Automobilen, Traktoren und Werkzeugmaschinen (wie Pleuelstangen, Bolzen, Zahnräder und Getriebewellen) verwendet. Die Härte nach dem Anlassen liegt im Allgemeinen zwischen 200 und 330 HBW.
Obwohl die Härtewerte von Stahl nach dem Normalisieren und Abschrecken recht ähnlich sind, werden kritische Strukturbauteile in der Produktion in der Regel eher einem Abschrecken als einem Normalisieren unterzogen. Dies liegt daran, dass die Mikrostruktur von getempertem Sorbit körnigen Zementit aufweist, wohingegen durch Normalisieren gewonnener Sorbit lamellaren Zementit aufweist. Daher weist vergüteter Stahl im Vergleich zum normalisierten Zustand nicht nur eine höhere Festigkeit, sondern auch eine bessere Duktilität und Zähigkeit auf.
Das Abschrecken und Anlassen kann als abschließender Wärmebehandlungsprozess oder als Vorbehandlung vor der Oberflächenhärtung und chemischen Wärmebehandlung dienen. Da die Härte von gehärtetem Stahl nicht hoch ist, ermöglicht er eine einfache Bearbeitung und niedrige Oberflächenrauheitswerte.
Zusätzlich zu diesen drei gängigen Vergütungsmethoden werden einige hoch{0}legierte Stähle einem Hochtemperatur-Erweichungsanlassen bei 20 bis 40 Grad unter A1 unterzogen, um als Alternative zum Sphäroidglühen angelassenen Perlit zu erhalten.
Um eine gründliche Mikrostrukturumwandlung beim Anlassen zu gewährleisten, muss das Werkstück ausreichend lange auf der Anlasstemperatur gehalten werden, üblicherweise zwischen 1 und 3 Stunden, je nach Material, Temperatur, Dicke, Belastung und Erwärmungsmethode. Die Abkühlmethode nach dem Anlassen hat kaum Einfluss auf die Leistung von Kohlenstoffstahl. Um jedoch die Entstehung neuer Spannungen zu vermeiden, werden Werkstücke nach dem Anlassen im Allgemeinen langsam an der Luft abgekühlt.
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