Anwendungen zum Abschrecken und Klassifizieren von Stahl

Das Abschrecken ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem das Werkstück auf eine bestimmte kritische Temperatur erhitzt und dann selektiv abgekühlt wird, um Martensit mit hoher Härte oder zähen unteren Bainit zu erhalten, und anschließend angelassen wird.

Das Abschrecken verbessert die Verschleißfestigkeit und Festigkeit von Teilen sowie deren Ermüdungslebensdauer.

 

 

Abschreckprinzipien und grundlegender Prozessablauf

 

Stahl und andere Materialien durchlaufen beim Erhitzen Phasenumwandlungen, und die Phasenumwandlung der Austenitisierung ist die Voraussetzung für das Abschrecken.

Im Allgemeinen wird untereutektoider Stahl auf eine Temperatur von 20 bis 30 Grad über Ac3 abgeschreckt, während übereutektoider Stahl auf eine Temperatur von 20 bis 30 Grad über Ac1 abgeschreckt wird.

Beim Abschrecken ist es wichtig, eine übermäßige Erwärmung zu vermeiden. Die Haltezeit sollte anhand der Werkstückgröße und des Ofenmodells bestimmt werden, um eine gleichmäßige Mikrostrukturumwandlung sicherzustellen.

Der Schlüsselprozess beim Abschrecken ist das Abkühlen. Die ideale Abkühlkurve vermeidet den Perlit-Nasenbereich, hauptsächlich um die Bildung nicht-martensitischer Strukturen zu verhindern. Auch die Abkühlgeschwindigkeit muss kontrolliert werden, um innere Spannungen und Verformungen im Teil zu reduzieren.

Hinweis: Ac1 und Ac3 stellen die Temperatur dar, bei der sich Austenit zu bilden beginnt, bzw. die Temperatur, bei der untereutektoider Stahl beim Erhitzen vollständig austenitisiert. Dies sind entscheidende Anhaltspunkte für die Bestimmung des Glühprozesses.

 

Hauptmethoden des Abschreckprozesses und wichtige Betriebsrichtlinien

 

1. Einzelne-Flüssigkeitsabschreckung

Das Abschrecken mit einer -Flüssigkeit ist die grundlegendste und einfachste Abschreckmethode. Es wird hauptsächlich für Teile mit einfachen, symmetrischen Formen und minimalen Querschnittsschwankungen verwendet, wie z. B. Wellen und Stifte.

Für die Einzel-Flüssigkeitsabschreckung muss das geeignete Kühlmittel je nach Material und Werkstückdicke ausgewählt werden. Stähle mit niedrigem-Kohlenstoffgehalt und niedrig-Legierungen werden im Allgemeinen mit Wasser oder Salzlake abgeschreckt, während hoch-legierte Stähle und kleine, komplex-geformte Teile mit Öl oder einer Polymerlösung abgeschreckt werden können.

Achten Sie beim Abschrecken darauf, dass das Werkstück gleichmäßig in das Medium eingetaucht ist und dass das Medium ausreichend gerührt wird, um zu verhindern, dass ein Dampffilm die Abkühlung behindert.

Das Abschrecken mit einer einzigen{0}}Flüssigkeit bietet eine hohe-Qualitätsstabilität und eignet sich für die Produktion in großem-Maßstab. Es ist jedoch Vorsicht geboten hinsichtlich der Gefahr von Verformungen und Rissen durch zu schnelles Abkühlen.

 

2. Zwei-Flüssigkeitsabschreckung

Zwei-Flüssigkeitsabschreckung vereint die Vorteile der schnellen und langsamen Abkühlung. Zunächst wird ein erstes Medium, beispielsweise Wasser oder Salzwasser, schnell durch den instabilsten Austenitbereich des Materials geleitet. Sobald sich die Temperatur des Materials der Martensit-Umwandlungstemperatur nähert, wird das Material schnell in ein zweites Medium, beispielsweise Öl, überführt, um die Martensit-Umwandlung abzuschließen.

Das Abschrecken mit zwei-Flüssigkeiten kommt besonders häufig bei mittelgroßen{1}}bis-großen Werkstücken aus hoch-Kohlenstoffstahl und mittel{4}bis-hochlegierten Stählen zum Einsatz, wie etwa Formen und Zahnradrohlinge.

Der Schlüssel zu diesem Vorgang liegt in der präzisen Steuerung der Verweilzeit des Werkstücks im ersten Medium. Typischerweise wird eine Abschreckzeit von 1 Sekunde pro 3–5 mm effektiver Werkstückdicke verwendet, diese kann jedoch auch durch Beobachtung des Verschwindens von Blasen auf der Werkstückoberfläche bestimmt werden.

Der Übergang vom ersten Medium zum zweiten Medium muss schnell und kontinuierlich erfolgen, um einen Temperaturanstieg zu vermeiden, der zu einer Zersetzung der Materialstruktur führen könnte.

Das Abschrecken mit zwei-Flüssigkeiten reduziert die thermischen und strukturellen Spannungen erheblich und macht es zu einer wirksamen Methode zur Kontrolle der Verformung und zur Verhinderung von Rissen.

 

3. Stufenabschreckung

Das schrittweise Abschrecken erfordert das Erhitzen des Werkstücks bis zur Austenitisierung und das anschließende Abschrecken in einem heißen Bad knapp über dem Ms-Punkt, beispielsweise einem Nitratbad oder einem alkalischen Bad, zum Halten. Sobald die Temperatur über den Querschnitt des Werkstücks gleichmäßig ist, wird das Werkstück entnommen und an der Luft abgekühlt.

Stufenabschreckung wird häufig bei Werkzeugen und Teilen mit komplexen Formen und hohen Präzisionsanforderungen eingesetzt, wie z. B. Gewindebohrern, kleinen Zahnrädern und Präzisionswellen.

Während des Betriebs müssen Schwankungen der Badtemperatur streng kontrolliert werden, typischerweise im Bereich von plus/minus zehn Grad Celsius. Die Haltezeit wird auf der Grundlage des größten Querschnitts berechnet und im Allgemeinen auf fünf Millimeter pro Minute geschätzt.

Durch das schrittweise Abschrecken werden thermische Spannungen effektiv reduziert, sodass die martensitische Umwandlung während der Luftkühlung allmählich ablaufen kann. Dies führt zu einer geringen Mikrostrukturspannung und einer minimalen Verformung. Aufgrund der begrenzten Kühlleistung geschmolzener Salze ist es jedoch nur für Werkstücke mit einer effektiven Dicke von maximal 20 mm geeignet.

 

4. Isothermes Abschrecken

Beim isothermen Abschrecken wird ein auf die Austenitisierungstemperatur erhitztes Werkstück in einem heißen Bad in der Bainit-Umwandlungszone vollständig abgeschreckt. Eine längere Haltezeit ermöglicht die vollständige Umwandlung des Austenits in unteres Bainit, gefolgt von einer Luftkühlung. Austempering wird hauptsächlich für Teile verwendet, die eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Dimensionsstabilität erfordern, wie z. B. Lager und Präzisionsformen. Die isotherme Temperatur und Dauer werden anhand der TTT-Kurve des Stahls bestimmt, wobei die Temperaturen typischerweise zwischen 250 und 400 Grad liegen.

Nach dem Austempern wird das Material zu Bainit, das eine ausgezeichnete Festigkeit und Zähigkeit aufweist und kaum zur Verformung oder Rissbildung neigt. Austempering hat jedoch einen langen Produktionszyklus, hohe Kosten und ist auf Werkstücke mit kleineren Querschnitten beschränkt.

 

Häufige Probleme und Qualitätskontrolle

 

Das Abschrecken führt häufig zu Mängeln wie unzureichender Härte, weichen Stellen, Verformung, Rissbildung, Oxidation und Entkohlung.

Eine unzureichende Härte wird im Allgemeinen durch Erhitzen auf eine zu niedrige Temperatur oder unzureichende Abkühlung verursacht. Eine weitere Ursache ist die Oberflächenentkohlung des Werkstücks.

Weiche Stellen werden im Allgemeinen durch verunreinigte Abschreckmedien oder das Vorhandensein von Oxidablagerungen auf der Werkstückoberfläche verursacht. Verformungen und Risse können durch übermäßige thermische oder strukturelle Belastung verursacht werden.

Daher erfordert die Qualitätskontrolle beim Abschrecken eine umfassende Prozessüberwachung, insbesondere eine präzise Temperaturkontrolle während der Aufheizphase. Während der Abkühlphase müssen Temperatur, Konzentration und Umlaufgeschwindigkeit des Mediums stabil gehalten werden. Unmittelbar nach dem Abschrecken ist ein Anlassen erforderlich, um Restspannungen in den Teilen zu beseitigen.

Während der Massenproduktion sollten regelmäßige Stichprobenkontrollen der metallografischen Struktur und des Härtegradienten durchgeführt werden. An kritischen Teilen können zerstörungsfreie Prüfungen eingesetzt werden, um Risse zu erkennen.

 

Materialkompatibilität und Prozessauswahl

 

Unterschiede in der Zusammensetzung zwischen Materialien führen zu unterschiedlichen Härtbarkeiten, Starttemperaturen der martensitischen Umwandlung und kritischen Abkühlgeschwindigkeiten. Daher muss ein spezifisches Abschreckverfahren basierend auf den Eigenschaften des Materials ausgewählt werden.

Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und niedrig legierter Baustahl haben eine relativ geringe Härtbarkeit und werden im Allgemeinen mit Wasser oder zwei Flüssigkeiten abgeschreckt, um die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit der Teile zu verbessern.

Vergüteter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt erfordert die Sicherstellung einer gründlichen Härtung des Kerns. Daher wird im Allgemeinen eine Ölabschreckung oder eine schnelle Ölabschreckung verwendet, um Verformungen und Risse zu vermeiden.

Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt neigt zur Überhitzung, was die Wahrscheinlichkeit einer Verformung erhöht. Daher kann eine Stufenabschreckung oder eine alkalische Badabschreckung bei niedriger-Temperatur verwendet werden.

Hoch{0}legierte Gesenkstähle wie H13 weisen eine ausgezeichnete Härtbarkeit auf, sodass sie zur Minimierung von Verzerrungen mit Gas abgeschreckt oder in einem Hochtemperatur-Salzbad gehärtet werden können.

Aufgekohlte Werkstücke erfordern eine besonders hohe Kernzähigkeit und erfordern daher relativ niedrige Temperaturen, entweder direktes Abschrecken oder Härten im Salzbad.

Edelstahl und Schnellarbeitsstahl müssen vorgewärmt und im Salzbad abgeschreckt werden, um Rissbildung und Karbidausfällung zu verhindern.

Das Abschrecken ist ein komplexer und kritischer Prozess, daher muss die geeignete Abschreckmethode basierend auf den Materialeigenschaften, der Teileform und den Betriebsbedingungen ausgewählt werden.

Das Abschrecken erfordert eine strenge Kontrolle der Heiz- und Kühlprozesse, um die gewünschte Mikrostruktur und die gewünschten Eigenschaften zu erreichen und gleichzeitig eine gleichbleibende und zuverlässige Produktqualität sicherzustellen.