Härtung von Stahl

Normale Wärmebehandlung
Um die Eigenschaften von Metallen und ihren Legierungen zu verändern, muss eines der grundlegenden technologischen Verfahren angewandt werden, nämlich die Wärmebehandlung. Die Veränderung der mechanischen Eigenschaften ist mit einer Veränderung der Struktur der Metalle verbunden, die durch eine Temperaturveränderung über einen bestimmten Zeitraum erfolgt. Jeder Wärmebehandlungsvorgang umfasst die Grundoperationen Erhitzen, Abschrecken und Abkühlen. Um die Aussagekraft von Wärmebehandlungsverfahren zu verstehen, ist es wichtig, das Fe-Fe3C-Eisen-Kohlenstoff-System und die Phasenumwandlungen zu kennen, die im Material als Folge der Temperaturänderung auftreten.

Volumetrisches Härten
Die grundlegende und sehr bekannte Behandlung ist das Härten. Das volumetrische Härten ist eine Wärmebehandlung, bei der das Bauteil auf eine Austenitisierungstemperatur erwärmt, bei dieser Temperatur geglüht und dann so schnell abgekühlt wird, dass sich eine martensitische oder bainitische Struktur bildet. Es wird angenommen, dass die Austenitisierungstemperatur 30÷50℃ höher ist als die Ac3-Temperatur, die aus dem Eisen-Kohlenstoff-System Fe-Fe3C abgelesen werden kann (Abbildung 1).

Abb. 1: Fragment des Fe-Fe3C-Diagramms mit eingezeichneten Härte- und Glühbereichen von Kohlenstoffstählen (Quelle: L. A. Dobrzański, Fundamentals of material science and metallurgy, WNT)

Die Erwärmung eines Bauteils erfolgt oft schrittweise mit Glühen bei mehreren Zwischentemperaturen, um Rissbildung aufgrund von thermischen Spannungen zu vermeiden. Die Austenitisierungs- oder Glühtemperatur muss ebenfalls sorgfältig gewählt werden, um ein Austenitkornwachstum zu vermeiden, das in der Folge zu einem groben Martensit führen und somit die mechanischen und Gebrauchseigenschaften beeinträchtigen und die Sprödigkeit des Stahls erhöhen würde. Die genaue Glühtemperatur hängt von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und insbesondere vom Kohlenstoffgehalt ab.

Das bainitische Härten unterscheidet sich durch die Art der Abkühlung, die kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit unterhalb der kritischen Temperatur erfolgt, damit eine bainitische Umwandlung stattfinden kann. Nach einer solchen Behandlung ist das Stahlgefüge bainitisch, möglicherweise mit Martensit oder Restaustenit. Dieses endgültige Stahlgefüge wirkt sich günstig auf die Plastizität und die Kerbschlagzähigkeit des Stahls aus und verbessert die Ermüdungsbeständigkeit des Stahls, senkt aber gleichzeitig die Elastizitäts- und Streckgrenze. Es kann auch eine bainitische Härtung mit isothermischer Umwandlung durchgeführt werden, die ein mehrstufiges Verfahren ist und aus dem Abschrecken des Austenits, der isothermischen Aushärtung im Temperaturbereich von 250-400 °C und der Abkühlung auf Raumtemperatur an ruhender Luft besteht. Auf diese Weise weist das Produkt niedrige thermische und strukturelle Spannungen auf und die Möglichkeit von Rissen und Verformungen ist geringer.

Informationen über das Gefüge des Stahls in Abhängigkeit von der Temperatur und der Abkühlzeit sind in den Umwandlungsdiagrammen des unterkühlten Austenits bei isothermer und kontinuierlicher Abkühlung enthalten; dies sind die so genannten CTP-Kurven (Zeit-Temperatur-Umwandlung). Anhand dieser werden die Abkühlparameter bestimmt, um das gewünschte Gefüge zu erhalten, das folglich für die mechanischen Eigenschaften der fertigen Produkte verantwortlich ist (Abb. 2).

Abb. 2: Diagramme der Umwandlungen von unterkühltem Austenit in untereutektoidem Kohlenstoffstahl: a) CTPi bei isothermischer Abkühlung, b) CTPc bei kontinuierlicher Abkühlung; ɣ - Austenit, P - Perlit, B - Bainit, M - Martensit (Quelle: L. A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałówach i metaloznawstwo, WNT)

Eine andere Art der Härtung ist die Oberflächenhärtung, bei der nur die Oberflächenschicht des Bauteils schnell erhitzt und dann schnell abgekühlt wird. Dabei treten keine hohen Spannungen und thermischen Verformungen auf.

Zusätzliche Symbole in den Stahlbezeichnungen

In den Bezeichnungen der Stahlsorten finden wir zusätzliche Symbole, die oft den Zustand angeben, in dem das Produkt an den Kunden geliefert werden soll.
Gängige Symbole sind z. B. +N, +AR, +M, +QT.

• +N bedeutet, dass das Erzeugnis normalisierend geglüht wurde, d. h. es wurde auf eine Temperatur von 30-50℃ über Ac3 erhitzt, dann bei dieser Temperatur geglüht und abgeschreckt. Dieser Vorgang führt zu einem feinkörnigen Gefüge, das sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Das Normalglühen wird in erster Linie bei unlegierten Stahlbauteilen durchgeführt, um das Gefüge zu homogenisieren, in der Regel vor einer weiteren Wärmebehandlung.
• +AR bedeutet, dass eine Wärmebehandlung nicht erforderlich ist
• +M zeigt an, dass das Produkt thermomechanisch gewalzt wurde
• +QT bedeutet, dass das Erzeugnis wärmebehandelt wurde, d. h. vergütet wurde.

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