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In dieser zweiteiligen Videoreihe wird die Martensitbildung und Härtung von Stahl anhand von Gefügebildern und dem dazugehörigen Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm, kurz ZTU-Diagramm, erklärt.
Dieses Härteverfahren wird Martensit-Härtung genannt. Sie ist eine besondere Form der Mischkristallhärtung.
Martensit hat, ebenso wie der Ferrit, ein kubisch zentriertes Gitter, das jedoch regional verzerrt ist, weil hier mehr als die eigentlich maximal möglichen 0,02 Prozent Kohlenstoff im Gitter zwangs gelöst sind.
Aufgrund der hohen Abkühlgeschwindigkeit beim Härten können weder die Eisen- noch die kleinen Kohlenstoffatome in die Ferritstruktur diffundieren.
Die im Austenit gelösten Kohlenstoffatome werden also während des Abschreckens in die kubisch zentrierte Struktur gezwängt.
Diese kann aber eigentlich nur maximal 0,02 Prozent Kohlenstoff aufnehmen.
Die zwangs gelösten Kohlenstoffatome bewirken eine Aufweitung und damit Verzerrung des Gitters.
Die Geschwindigkeitsführung zusammen mit einer hohen Versetzungsdichte bedingen die hohe Härte und Sprödigkeit des Martensits.
Diese wird auch Glaswerte genannt.
In diesem Jahr-Video wird erklärt, wie ein ZTU-Diagramm gelesen wird und welche Informationen daraus entnommen werden können.
Im ersten Lehrvideo wird der Vorgang am Beispiel einer Welle aus einem 245 erläutert.
Merke dir, dass nur Stähle gehärtet werden können, die eine Ferrit-Austenit-Umwandlung beim Aufheizen und Abkühlen durchlaufen.
Austenitische Stähle, bei denen die Austenitisch-kubisch-zentrierte Phase durch Regulierungsdokumente stabilisiert ist, können nicht gehärtet werden.
Hierzu zählen z.B. die nichtrostenden austenitischen Stähle oder rein ferritische Stähle.
Um dieses Lehrvideo besser zu verstehen, sollten im Vorfeld Kenntnisse über die Mischkristallhärtung erlangt worden sein.
Hierzu könnt ihr euch folgende Videos anschauen.
In der ersten Reihe haben wir die Aushärtung der Welle erklärt.
Dabei wurde die Welle heiß gemacht und so lange gehalten, bis sie ein vollständig homogenes Austenitgefüge angenommen hat.
Wird die Welle nach dem Aushalten langsam abgekühlt, haben die Kohlenstoffatome ausreichend Zeit, um aus dem Austenit zu diffundieren und Ferrit bzw. Perlit zu bilden.
Es bildet sich also das Ausgangsgefüge, welches vor dem Aushärten vorlag.
Bei untereutektoiden Stählen steht ein Ferrit-Perlitgefüge und bei übereutektoiden Stählen steht ein Zementitnetzwerk, das Perlitkörner umgibt.
Um diesen Schritt einzuleiten, muss das Werkstück langsam im Ofen wieder abgekühlt werden.
Infolge einer Abkühlung direkt unterhalb der Temperatur könnte der Stahl zu schnell abkühlen und je nach Zusammensetzung könnten unerwünschte Phasen oder sogar Härterisse entstehen.
Da die Welle aber gehärtet werden soll, wird das Werkstück sehr schnell abgekühlt.
Dieser Prozess wird Abschrecken genannt.
Je nach Zusammensetzung des Stahls werden unterschiedliche Abschreckmedien notwendig, wie Wasser oder Luft.
Es gilt: Je höher ein Stahl legiert ist, desto langsamer darf er abgekühlt werden, um noch einmal in dieses Gefüge und damit eine hohe Härte zu erhalten.
Der Grund hierfür ist die verlangsamte Diffusionsgeschwindigkeit bei hohem Anteil an legierenden Elementen im Stahl.
Legierte Stähle werden in Wasser, niedrig legierte in Öl und hoch legierte Stähle dürfen sogar nur an Luft abgeschreckt werden.
Wird das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, kurz EKD, betrachtet, so muss immer beachtet werden, dass dieses nur für das thermodynamische Gleichgewicht eines Stahls gilt, also theoretisch unendlich langsame Abkühlung.
Alle dort aufgezeigten Phasen sind also bei geringen Temperaturänderungen und langsamer Umwandlungsrate entstanden.
Damit ist ausreichend Zeit gegeben, um Bindungen aufzubrechen und die Diffusionsvorgänge einzuleiten, die zu neuen Bindungen notwendig sind.
Beim Abschrecken jedoch wird so schnell abgekühlt, dass die Gefügeumwandlung nicht mehr mit dem EKD erklärt werden kann.
So wird es um eine dritte Achse erweitert, die Zeitachse.
So können die Phasenumwandlungen in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit dargestellt werden.
Das Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm, kurz ZTU-Diagramm, ist wie das Zeit-Temperatur-Diagramm aus dem Regulierungsdiagramm, kurz ETA-Diagramm, für ihre Eisen-Kohlenstoff-Zusammensetzung individuell gültig.
Wie beim ZDH-Diagramm wird auch beim Abschreckvorgang in ein kontinuierliches oder isothermes ZTU-Diagramm unterschieden.
Im isothermen ZTU-Diagramm werden die Phasenumwandlungen für unterschiedliche Temperaturen beschrieben.
Im technischen Bereich wird überwiegend das kontinuierliche ZTU-Diagramm eingesetzt, da in der Regel aus wirtschaftlichen Gründen so schnell wie möglich abgekühlt werden soll.
Im kontinuierlichen ZTU-Diagramm werden die Phasenwandlungen für unterschiedliche Geschwindigkeiten dargestellt.
Dem ZTU-Diagramm sind drei wesentliche Informationen zu entnehmen:
Erstens der Phasenumwandlungsverlauf, zweitens die Phasengehalte bei verschiedenen Temperaturen und drittens die resultierende Härte in Vickers nach Abkühlung.
Die Umwandlungslinien sind im ZTU-Diagramm als sogenannte Umwandlungsnasen dargestellt.
Die gebogene Form resultiert daher, dass bei hohen Temperaturen eine große Beweglichkeit der Atome, aber kleines Umwandlungsbestreben, also eine kleine Triebkraft herrscht.
Bei niedrigen Temperaturen ist es genau umgekehrt: Die Beweglichkeit der Atome ist eingeschränkt, aber die Triebkraft zur Umwandlung in eine neue Phase ist groß.
Denn die Nasenspitze hält sich Beweglichkeit und Triebkraft im Gleichgewicht und die Umwandlungsrate ist dort am größten.
Der Verlauf der Phasenumwandlung kann anhand der jeweiligen gewährten Abfindungsverläufe abgelesen werden.
Jedes Mal, wenn eine Umwandlungslinie überschritten wird und eine Phasenumwandlung stattgefunden hat, wird der Anteil der entstandenen Phase klein an dieses Phasen festgeschrieben.
So weiß man immer, aus welchen Phasen genau der Stahl bei welcher Temperatur und schließlich ob der Raumtemperatur zusammengesetzt ist.
Da die Härte, welche mit der Festigkeit eines Stahls korreliert, für den Einsatz eines Bauteils wichtig ist, werden die Werte immer an die jeweiligen Akteurverläufe geschrieben.
Man kann also z.B. die gewünschte Härte auswählen und weiß genau, wie schnell dieser zum Erreichen abgefüllt werden muss.
Außerdem sind im ZTU-Diagramm die Martensit-Temperatur und Martensit-Finish-Temperatur angegeben.
Die Martensit-Start-Temperatur zeigt die Bildung des ersten Martensits an.
Bei Unterschreiten der Martensit-Finish-Temperatur ist die Intensivbildung vollständig abgeschlossen und das Gefüge besteht einfach aus Martensit.
Um das Gefüge vollständig aus Martensit zu halten, muss eine Abkühlphase eingehalten werden, bei der keine der Umwandlungslinien geschnitten wird.
Die Abkühlgeschwindigkeit, die mindestens eingehalten werden muss, um ein vollständig martensitisches Gefüge zu erhalten, wird kritischer ab Geschwindigkeit.
Grafisch ist das der Verlauf der unmittelbar vor der ersten Pause verläuft.
Sind legierende Elemente im Gemisch gelöst, verschieben sich die Umwandlungsnasen zu längeren Zeiten hin.
Im ZTU-Diagramm werden sie demnach nach rechts verschoben.
In der Regel setzen die legierenden Elemente die Martensit-Temperatur herunter und verzögern die Umwandlungszeit, da die Diffusion des Kohlenstoffs behindert wird.
In der Praxis kann so langsam abgekühlt werden und immer noch ein vollständig martensitisches Gefüge eingestellt werden.
Der Querschnitt des Bauteils, der vollständig gehärtet werden kann, wird demnach vor allem durch den Anteil der legierenden Elemente bestimmt.
Und da ist eine Härte bezeichnet: Je langsamer abgekühlt werden kann, umso größer ist die Härte oder die Härte-Tiefe.
Der Begriff "Aufwertbarkeit" beschreibt hingegen die maximal erreichbare Härte bei vollständiger Martensit-Umwandlung und ist unmittelbar vom Kohlenstoffgehalt abhängig.
Wie im Lehrvideo ZDH-Diagramm wird in unserem Beispiel angenommen, dass das Gemisch aus Raiffeisen und Kohlenstoff besteht.
Wir fassen zusammen, dass das Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm, kurz ZTU, die Zeitachse senkrecht zum Eisen-Kohlenstoff-Diagramm des Stahls ist und wie das CTR-Diagramm für jeden Kohlenstoffgehalt einzigartig.
Es wird zwischen kontinuierlichem und isothermem ZTU-Diagramm unterschieden.
Im isothermen ZTU-Diagramm werden die Phasenumwandlungen für unterschiedliche Temperaturen beschrieben.
Im kontinuierlichen ZTU-Diagramm werden die Phasenumwandlungen für unterschiedliche Geschwindigkeiten dargestellt.
Überwiegend wird das kontinuierliche ZTU-Diagramm eingesetzt, da es in der Regel wirtschaftlicher ist, schneller abzukühlen.
Abgelesen werden können im ZTU-Diagramm der Phasenumwandlungsverlauf, die Phasen der heute bei verschiedenen Temperaturen und ihre Sortierung der Härte in Vickers nach Abkühlung.
Dabei werden anhand der gewünschten Härte die Abkühlgeschwindigkeit und die prozentualen Phasenanteile nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur bestimmt.
Umgekehrt kann die resultierende Härte und die Gefügezusammensetzung nach einer bestimmten Geschwindigkeit abgelesen werden.
Die kritische Geschwindigkeit zur Erzielung eines rein martensitischen Gefüges kann aus dem ZTU-Diagramm anhand des Abfalls unmittelbar vor Beginn der Umwandlungsnasen abgelesen werden.
Legierende Elemente im Stahlgemisch verlangsamen die Diffusionsgeschwindigkeit und verändern das ZTU-Diagramm.
Die Umwandlungsquoten verschieben sich zu längeren Abkühlzeiten hin.
In der Praxis kann somit langsam abgekühlt werden und eine höhere Härte-Tiefe, also ein größerer gehärteter Querschnitt erzielt werden.
[Musik]