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Die im verlinkten Video vorgestellten Glüverfahren bezogen sich in erster Linie auf die Verbesserung fertigungstechnischer Eigenschaften wie Umformbarkeit oder Zerspanbarkeit. In vielen Fällen ist jedoch insbesondere eine hohe Härte oder Festigkeit erforderlich.
Ein Beispiel dafür ist eine Pile, die zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt wird. Damit die Pile das Material vom zu bearbeitenden Werkstück abtragen kann, ohne selbst stumpf zu werden, muss sie entsprechend verschleißfest und damit sehr hart sein.
Aber auch Zahnräder in Getrieben müssen an den Flanken sehr hart und verschleißfest sein. Nur so kann eine lange Lebensdauer der Zahnräder erreicht werden.
Ein Fall, bei dem nicht unbedingt eine sehr hohe Härte, sondern eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guten Zähigkeitswerten gefordert ist, zeigt sich am Beispiel einer Getriebewelle. Sie wird durch die hohen Drehmomente stark beansprucht und muss daher eine hohe Festigkeit aufweisen. Gleichzeitig muss sie aber eine gewisse Zähigkeit zeigen, um unter elastischer Verformung nicht gleich zu brechen.
Je nachdem, ob bei einem Bauteil die Erzielung einer hohen Härte oder einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit im Vordergrund steht, haben sich die speziellen Wärmebehandlungsverfahren Härten bzw. Vergüten entwickelt.
Sowohl das Härten als auch das Vergüten erfolgt grundsätzlich in drei Schritten. Im ersten Schritt wird der Stahl auf relativ hohe Temperaturen erwärmt. Im zweiten Schritt wird der Stahl abgeschreckt, das heißt, sehr schnell abgekühlt.
Im dritten und letzten Schritt erfolgt eine erneute Erwärmung mit anschließender langsamer Abkühlung, die als Anlassen bezeichnet wird. Der Unterschied zwischen Härten und Vergüten besteht lediglich im letzten Prozessschritt, dem Anlassen.
Während beim Härten der Stahl nur bei relativ niedrigen Temperaturen zwischen 200 und 400 °Celsius angelassen wird, liegen die Anlasstemperaturen beim Vergüten höher, nämlich zwischen 550 und 700 °Celsius.
Dieser zunächst geringfügig erscheinende Unterschied hat jedoch große Auswirkungen auf das entstehende Gefüge und entscheidet darüber, ob der Stahl eine hohe Härte oder eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Zähigkeit erhält.
Auf die Gefügevorgänge beim Härten oder Vergüten gehen wir im Folgenden näher ein. An dieser Stelle noch eine kleine Anmerkung zu den Wärmebehandlungsverfahren wie Normalglühen, Weichglühen, Grobkornglühen, Rekristallisationsglühen, Diffusionsglühen oder Spannungsarmglühen.
Während bei diesen sogenannten Glüverfahren die treibende Kraft für die jeweilige Gefügeänderung stets das Erreichen eines Energiezustandes, das heißt die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts, ist, handelt es sich beim Härten und Vergüten um einen thermodynamischen Ungleichgewichtszustand des Gefüges.
Die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes wird durch die schnelle Abkühlung gezielt verhindert. Aufgrund dieser prinzipiellen Unterschiede werden die Wärmebehandlungsverfahren Härten und Vergüten in der Regel getrennt von den Glüverfahren aufgeführt.
Im Folgenden werden die Gefügeveränderungen des Stahls während der einzelnen Schritte des Härtens und Vergütens näher betrachtet. Wie bereits erwähnt, wird sowohl beim Härten als auch beim Vergüten der Stahl im ersten Prozessschritt zunächst über die GSK-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm erwärmt.
Dabei wandelt sich das kubisch raumzentrierte Ferritgitter vollständig in das kubisch flächenzentrierte Austenitgitter um. Daher wird dieser Vorgang auch als Austenitisieren bezeichnet.
Während des Austenitisierens zerfällt der im Peritgefüge enthaltene Zementit in seine Bestandteile. Der hierdurch freigesetzte Kohlenstoff wird nun im Austenitgitter löslich.
Damit das Zementit nicht nur in der Randzone des Stahls zerfällt, sondern auch im Inneren des zu härtenden oder zu vergütenden Bauteils, muss das Werkstück je nach Dicke längere Zeit auf Temperatur gehalten werden.
Wie bereits im verlinkten Video zum Eisen-Kohlenstoff-Diagramm näher erläutert, nehmen die Kohlenstoffatome im Austenitgitter jeweils den Raum innerhalb der kubisch flächenzentrierten Elementarzellen ein.
Würde der Stahl in diesem Zustand wieder langsam abgekühlt, so würde sich das Austenitgitter wieder in die für Kohlenstoff nahezu unlösliche Ferritstruktur umwandeln.
Durch die relativ langsame Abkühlung hätten die Kohlenstoffatome allerdings wieder genügend Zeit, aus dem sich umwandelnden Austenitgitter heraus zu diffundieren und Zementit zu bilden.
Eine langsame Abkühlung aus dem Austenitbereich heraus würde also nur den ursprünglichen Gefügezustand wiederherstellen. Die für das Härten oder Anlassen gewünschte Gefügeänderung würde nicht eintreten.
Stattdessen muss relativ schnell abgekühlt werden. Dies stellt den nächsten Prozessschritt dar, der nachfolgend näher erläutert wird.
Wird der Stahl aus dem austenitisierten Zustand nicht langsam, sondern relativ schnell abgekühlt, so hat der gelöste Kohlenstoff nicht genügend Zeit, aus dem Austenitgitter zu diffundieren.
Eine solche schnelle Abkühlung wird auch als Abschrecken bezeichnet. Das Abschrecken kann z.B. durch Eintauchen des Werkstücks in Wasser oder Öl erfolgen.
Während des Abschreckens bleibt der Kohlenstoff trotz der Gitterumwandlung im sich bildenden Ferritgitter zwangsgelöst. Die kubisch raumzentrierten Elementarzellen des Ferrits werden durch die in ihnen zwangsgelösten Kohlenstoffatome tetragonal aufgeweitet.
Ein Stahl enthält grundsätzlich viel weniger Kohlenstoffatome, als Elementarzellen vorhanden sind. Daher ist nicht jede Elementarzelle tetragonal aufgeweitet.
Dies führt entsprechend zu einer starken Gitterverzerrung. Dieses verzerrte Gefüge ist im Gegensatz zum ferritischen Ausgangsgefüge sehr hart. Zudem führt die Gitterverzerrung zu einer extrem starken Behinderung der Versetzungsbewegung.
Dadurch wird die Verformbarkeit des Stahls stark herabgesetzt, während die Festigkeit zunimmt. Die tetragonal aufgeweitete Gitterstruktur stellt letztlich eine neue Gefügestruktur dar, die als Martensit bezeichnet wird.
Unter dem Mikroskop ist Martensit als nadeliges oder plattenförmiges Gefüge erkennbar. Merke also: reines Martensitgefüge ist sehr hart und maßgeblich für die Härte und Festigkeitssteigerung nach dem Abschrecken verantwortlich.
Beachte, dass die Bildung des Martensitgefüges nicht mehr mit Hilfe des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms erklärt werden kann, da solche Phasendiagramme grundsätzlich nur für relativ langsame Abkühlgeschwindigkeiten gelten, bei denen sich immer ein thermodynamisches Gleichgewicht im Gefüge einstellen kann.
Die Einstellung des Gleichgewichtszustandes wird aber beim Abschrecken gezielt verhindert. Somit besitzt auch das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm in diesem Zustand keine Gültigkeit mehr.
Der hohen Härte bzw. Festigkeit des Martensitgefüges steht grundsätzlich eine enorme Sprödigkeit gegenüber. Reiner Martensit besitzt keine Gleitebenen und kann daher nicht plastisch verformt werden.
Insbesondere bei überutektoiden Stählen tritt durch den zusätzlichen Korngrenzenzementit eine erhebliche Versprödung auf. Aus diesem Grund werden überutektoide Stähle auch häufig im Vorfeld weich geglüht.
Dennoch ist der Stahl im Zustand nach dem Abschrecken praktisch unbrauchbar. Er lässt sich unter Belastung kaum verformen und bricht sofort. Bereits ein Aufprall auf einen harten Boden kann zum Bruch des abgehärteten Stahls führen.
Der Zustand des Stahls nach dem Abschrecken wird daher auch als glashart bezeichnet. Um dem abgeschreckten Stahl die für den Verwendungszweck erforderliche Zähigkeit wiederzugeben, muss das Gefüge nachbehandelt werden.
Hierzu wird der Stahl nochmals erwärmt. Dabei bleibt die Temperatur jedoch unterhalb der GSK-Linie, das heißt, es wird nicht mehr über die Umwandlungslinie hinaus bis in den Austenitbereich erwärmt.
Dieses Wiedererwärmen auf relativ moderate Temperaturen wird auch als Anlassen bezeichnet. Durch die erhöhten Temperaturen beim Anlassen können die im Martensit zwangsgelösten Kohlenstoffatome teilweise wieder ausdiffundieren.
Dadurch bildet sich der tetragonale Martensit zurück und die Gitterverzerrung nimmt teilweise wieder ab. Härte und Festigkeit sinken hierdurch zwar wieder etwas, aber der Stahl gewinnt erheblich an Zähigkeit.
Nach dem Anlassen wird der Stahl in der Regel langsam an der Luft abgekühlt. Beachte, dass das Martensitgefüge nach dem Abschrecken letztlich ein Ungleichgewichtszustand ist, da das Gefüge durch die rasche Abkühlung nicht in das thermodynamische Gleichgewicht kommen konnte.
Durch die anschließende Erwärmung beim Anlassen wird dem Gefüge jedoch wieder Zeit gegeben, sich in Richtung des thermodynamischen Gleichgewichts zu entwickeln. Damit einher geht die Diffusion von Kohlenstoff aus dem Martensitgitter.
Auch wenn Härte und Festigkeit nach dem Anlassen wieder mehr oder weniger stark zurückgegangen sind, liegen sie dennoch deutlich über dem Ausgangsgefüge vor dem Abschrecken.
Je nachdem, bei welcher Temperatur und wie lang angelassen wird, können Eigenschaftswerte wie Härte, Festigkeit und Zähigkeit gezielt gesteuert werden.
Aus entsprechenden Anlassschaubildern können die erforderlichen Temperaturen für bestimmte Eigenschaftswerte abgelesen werden. Das abgebildete Diagramm zeigt das Anlassschaubild eines unlegierten Stahls C45 mit 0,45 % Kohlenstoff.
Grundsätzlich gilt: je höher die Anlasstemperatur und je länger die Anlasdauer, desto größer ist der Zähigkeitsgewinn, während die Härte- und Festigkeitswerte jedoch abnehmen.
Daraus ergeben sich grundsätzlich zwei unterschiedliche Möglichkeiten der Prozessführung. Je nachdem, welche Werkstoffeigenschaft im Vordergrund steht, soll der Stahl sehr hart und verschleißfest sein, ist eine hohe Härte erforderlich.
Der Stahl wird deshalb bei relativ niedrigen Temperaturen angelassen. Bei dieser Prozessführung spricht man dann vom Härten. Der Stahl wird als gehärteter Stahl bezeichnet.
Steht dagegen die Erzielung einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit im Vordergrund, so werden die Anlasstemperaturen entsprechend höher gewählt. Diese Prozessführung wird dann als Vergüten bezeichnet und der Stahl wird vergüteter Stahl genannt.
Das abgebildete Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt einen Stahl C45 einmal im Normalgeglühten, einmal im vergüteten und einmal im gehärteten Zustand.
Beachte, dass der gehärtete Zustand zwar rein formal durch die höchste Festigkeit gekennzeichnet ist. Diese hohe Festigkeit hat aber kaum praktische Bedeutung, da der gehärtete Stahl nahezu keine plastische Verformung zulässt.
Bereits geringe Verformungen führen zu einem extrem starken Spannungsanstieg. Im vorliegenden Fall überschreitet die Spannung bereits bei einer Verformung von 2 % die maximale Festigkeit und der gehärtete Stahl bricht.
Merke also: gehärtete Stähle können nur dann eingesetzt werden, wenn eine Verformung praktisch ausgeschlossen werden kann und es letztlich nur auf eine hohe Härte des Stahls ankommt.
Vergüteter Stahl ist im Vergleich zum gehärteten Zustand deutlich zäher und lässt sich daher wesentlich stärker verformen. Dennoch ist die Festigkeit gegenüber dem normal geglühten Ausgangszustand deutlich erhöht.
Die Streckgrenze bzw. Zugfestigkeit hat sich durch das Vergüten fast verdoppelt, während die Bruchdehnung mit 14 % immer noch relativ hoch ist und der vergütete Stahl somit weiterhin eine hohe Zähigkeit aufweist.
Merke also: ein vergüteter Stahl zeichnet sich vor allem durch seine hohe Zähigkeit bei gleichzeitig erhöhter Festigkeit aus. Aufgrund dieser Kombination von hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit können vergütete Stähle sehr viel Verformungsenergie aufnehmen, bevor sie brechen.
Dies zeigt sich in der Fläche unter der Kurve im Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Die Fläche unter der Kurve ist ein Maß für das Energieaufnahmevermögen des Stahls.
Während der gehärtete Stahl kaum Verformungsenergie aufnehmen kann, zeigt der vergütete Stahl ein deutlich höheres Energieaufnahmevermögen.
Neben Kohlenstoff enthält ein Stahl in der Regel noch weitere Legierungselemente wie beispielsweise Chrom, Nickel, Vanadium oder ähnliche, die die Martensitbildung beeinflussen sollen.
Im Folgenden wird erläutert, welche Anforderungen sich aus den zuvor genannten Prozessschritten beim Härten und Vergüten an die Härtbarkeit bzw. Vergütbarkeit eines Stahls ergeben.
Erstens: der Kohlenstoff muss in Gammaeisen löslich und in Alphaeisen unlöslich sein. Zweitens: die Gamma-Alpha-Umwandlung muss gegeben sein und darf nicht durch Legierungselemente unterdrückt werden.
Drittens: es muss genügend Kohlenstoff vorhanden sein, damit überhaupt eine nennenswerte Härte bzw. Festigkeitssteigerung eintritt und das Härten und Anlassen wirtschaftlich ist.
Bei einigen Stählen, wie beispielsweise den nicht rostenden Chromnickelstählen, wird die Gamma-Alpha-Gitterumwandlung durch die Zugabe von Legierungselementen wie Chrom und Nickel verhindert.
Je nach Legierungselementen verbleibt der Stahl entweder bis zur Raumtemperatur im austenitischen Zustand oder die Austenitphase wird vollständig unterdrückt und der Stahl liegt über den gesamten Temperaturbereich im ferritischen Zustand vor.
Solche ferritischen bzw. austenitischen Stähle sind folglich nicht härtbar, da die notwendige Gamma-Alpha-Gitterumwandlung fehlt und somit keine Martensitbildung stattfinden kann.
Eine weitere Voraussetzung für die Härtbarkeit eines Stahls ist ein ausreichender Kohlenstoffgehalt. Ein zu geringer Kohlenstoffgehalt würde zu keiner nennenswerten Martensitbildung führen.
Zwar wäre auch dann eine geringe Härte bzw. Festigkeitszunahme zu verzeichnen, die jedoch aus wirtschaftlichen Gründen den relativ hohen Verfahrensaufwand nicht rechtfertigen würde.
Als Richtwert gilt, dass erst ab einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,3 % wirtschaftlich und technisch sinnvoll gehärtet bzw. vergütet werden kann.
Das entscheidende Kriterium für die Martensitbildung ist dabei die Behinderung der Kohlenstoffdiffusion während der Gamma-Alpha-Gitterumwandlung. Dies wird durch ausreichend hohe Abkühlgeschwindigkeiten erreicht.
Ist die Abkühlgeschwindigkeit zu gering, wird nicht genügend Martensit gebildet. Die Kohlenstoffatome können dann teilweise noch ausdiffundieren und Zementit bilden.
Es entsteht ein Zwischengefüge, das von den Eigenschaften her zwischen dem Peritgefüge und dem Martensitgefüge liegt. Dieses Zwischengefüge wird auch als Bainit bezeichnet.
Beim Härten ist in der Regel ein vollständig martensitisches Gefüge anzustreben. Grundsätzlich ist der Abkühleffekt beim Abschrecken an der Bauteiloberfläche größer als im Bauteilinneren.
Dies kann dazu führen, dass im Bauteilinneren die kritische Abkühlgeschwindigkeit zur Erzielung eines martensitischen Gefüges nicht mehr erreicht wird. Dadurch wird nur die Bauteiloberfläche gehärtet.
Dies ist vor allem bei unlegierten Stählen mit relativ großem Querschnitt der Fall. Solche Stähle, die nicht über den gesamten Querschnitt durchhärtbar sind, werden dann auch als Schalenhärter bezeichnet.
Auch höhere Abkühlgeschwindigkeiten zur Erreichung einer vollständigen Durchhärtung stoßen irgendwann an ihre Grenzen. Extreme Abkühlgeschwindigkeiten können zu hohen Wärmespannungen im Bauteil führen, die einen sogenannten Härteverzug oder sogar eine Rissbildung zur Folge haben können.
Um eine Durchhärtbarkeit über den gesamten Stahlquerschnitt zu erreichen, muss letztlich die Kohlenstoffdiffusion gezielt behindert werden. Schließlich wird die Martensitbildung gerade durch die Behinderung der Kohlenstoffdiffusion während der Gitterumwandlung hervorgerufen.
Dies kann durch zusätzliche Legierungselemente erreicht werden. Dabei ist es prinzipiell unerheblich, welche Legierungselemente eingesetzt werden, da jedes Legierungselement die Kohlenstoffdiffusion mehr oder weniger stark behindert.
Letztlich stellen die gesamten Legierungselemente zusätzliche Blockaden für die Diffusion der Kohlenstoffatome dar. Daraus folgt, dass hochlegierte Stähle im Vergleich zu unlegierten Stählen in der Regel über den gesamten Querschnitt durchhärten.
Hochlegierte Stähle benötigen daher eine geringere kritische Abkühlgeschwindigkeit beim Abschrecken, um Martensit zu bilden. Grundsätzlich sollte die Abkühlgeschwindigkeit nur so hoch gewählt werden, wie es für die Martensitbildung notwendig ist.
Gleichzeitig sollte sie jedoch so gering wie möglich sein, um die Gefahr von Härteverzug oder Rissbildung zu minimieren. Die Abkühlgeschwindigkeit kann durch die Wahl des Abschreckmediums beeinflusst werden.
Während unlegierte Stähle in der Regel in Wasser abgeschreckt werden müssen, genügt bei niedrig legierten Stählen ein milderes Abschreckmittel wie beispielsweise Öl.
Bei hochlegierten Stählen hingegen kann bereits ein Abschrecken an Luft zur Martensitbildung führen. Dementsprechend werden diese Stähle auch als Wasserhärter, Ölhärter oder Lufthärter bezeichnet.
Betrachten wir als Beispiel den zu härtenden Kaltarbeitsstahl X153 CrMoV12. Die Austenitisierungstemperatur dieses Stahls liegt bei etwa 1020 °C. Er wird ca. 25 Minuten lang geglüht.
Anschließend wird dieser hochlegierte Stahl an Luft abgeschreckt. Nach dem Abschrecken erfolgt das Anlassen bei ca. 300 °C.
Als zweites Beispiel betrachten wir den zu vergütenden Stahl C45. In diesem Fall liegt die Austenitisierungstemperatur bei etwa 840 °C. Anschließend wird dieser unlegierte Stahl entweder in Wasser oder in Öl abgeschreckt.
Nach dem Abschrecken erfolgt das Anlassen bei 550 °C, wenn zuvor in Wasser abgeschreckt wurde, oder bei etwa 660 °C, wenn in Öl abgeschreckt wurde.
Der Vergleich der beiden Stähle zeigt nochmals deutlich, dass unlegierte bzw. niedrig legierte Stähle in stärkeren Abschreckmedien abgekühlt werden müssen als hochlegierte Stähle.
Andererseits wird nochmals ersichtlich, dass die Anlasstemperaturen beim Vergüten höher sind als beim Härten.