Das Abschrecken spielt eine entscheidende Rolle bei der Wärmebehandlung, da es die Festigkeit und Härte von Stahl erhöhen kann. Durch die Kombination von Abschrecken mit Anlassen bei unterschiedlichen Temperaturen lassen sich verschiedene Kombinationen von Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit für diverse Anwendungen erzielen.
Überblick über das Abschrecken
Abschrecken ist ein Wärmebehandlung Bei diesem Verfahren wird Stahl auf eine Temperatur oberhalb des kritischen Punktes Ac3 (für untereutektoiden Stahl) bzw. Ac1 (für übereutektoiden Stahl) erhitzt und für eine bestimmte Zeit gehalten, um eine vollständige oder teilweise Austenitisierung zu erreichen. Anschließend wird das Material mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die die kritische Abschreckgeschwindigkeit übersteigt, um den unterkühlten Austenit in martensitische oder untere bainitische Gefüge umzuwandeln.
Das Abschrecken dient dazu, die Umwandlung von unterkühltem Austenit in Martensit oder Bainit zu erleichtern und dadurch spezifische Mikrostrukturen zu erzielen. In Kombination mit Anlassen Durch diese Wärmebehandlung bei verschiedenen Temperaturen werden Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit und Zähigkeit des Stahls verbessert, um die Betriebsanforderungen von mechanischen Bauteilen zu erfüllen. Abschrecken kann auch eingesetzt werden, um spezifische physikalische oder chemische Anforderungen zu erfüllen, wie beispielsweise Ferromagnetismus oder Korrosionsbeständigkeit bei bestimmten Stählen.
Prinzipien des Abschreckens
Das Grundprinzip des Abschreckprozesses besteht darin, ein Metallwerkstück rasch auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen, es dort zu halten, um die innere Struktur in Austenit umzuwandeln, und es anschließend schnell in ein Abschreckmedium einzutauchen. Durch diese rasche Abkühlung entstehen gehärtete Phasen wie Martensit oder Bainit, wodurch die Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit des Metalls verbessert werden.
1. Austenitisierung
Temperaturbedingung
Der Stahl wird auf eine Temperatur oberhalb des kritischen Punktes für hypoeutektoiden oder hypereutektoiden Stahl erhitzt. Innerhalb dieses Temperaturbereichs ändert sich die Kristallstruktur; das bei Raumtemperatur vorhandene Ferrit und Zementit wandeln sich allmählich in Austenit um. Austenit ist eine interstitielle feste Lösung von Kohlenstoff in γ-Eisen mit einer kubisch-flächenzentrierten Struktur, die sich durch hohe Kohlenstofflöslichkeit, geringe Festigkeit und hohe Plastizität auszeichnet.
Hitzeerhaltung
Das Halten der Temperatur dient dazu, die Innentemperatur des Werkstücks zu homogenisieren und so sicherzustellen, dass das gesamte Bauteil vollständig austenitisiert ist, um es auf die anschließende schnelle Abkühlung und Strukturumwandlung vorzubereiten.
2. Abkühlung und mikrostrukturelle Umwandlung
Kühlrate
Die Abkühlung erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die deutlich über der kritischen Abkühlgeschwindigkeit liegt. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit ist die minimale Abkühlgeschwindigkeit, die erforderlich ist, damit Stahl beim Abschrecken ein martensitisches Gefüge annimmt. Liegt die Abkühlgeschwindigkeit unterhalb dieser kritischen Geschwindigkeit, kann sich im Stahl während des Abkühlprozesses Perlit oder Bainit bilden, wodurch die angestrebte Härte und Festigkeit nicht erreicht werden.
Verwandlungsprozess
Bei schneller Abkühlung wird die Austenitstruktur instabil und durchläuft einen Phasenübergang. Unterkühlter Austenit wandelt sich in gehärtete Phasen wie Martensit oder Bainit um. Martensit ist eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen mit einer raumzentrierten tetragonalen Struktur und zeichnet sich durch sehr hohe Härte und Festigkeit aus.
Leistungssteigerung
Die durch Abschrecken entstehenden martensitischen oder bainitischen Strukturen erhöhen die Härte, Festigkeit und Verschleißfestigkeit des Metallwerkstücks erheblich. Zum Beispiel: gehärtete Stahlteile haben die Oberflächenhärte drastisch erhöht, was eine überlegene Beständigkeit gegen Verschleiß und Verformung ermöglicht.
Abschreckmedien
Wie die Zeit-Temperatur-Umwandlungskurven (ZTU-Kurven) zeigen, führen unterschiedliche Abschreckgeschwindigkeiten zu unterschiedlichen Ergebnissen. Verschiedene Metalle vertragen unterschiedliche Abschreckgeschwindigkeiten ohne Rissbildung. Obwohl verschiedene Metalle spezifische Vorgehensweisen erfordern, ist das Abschrecken im Wesentlichen eine Funktion der Abkühlgeschwindigkeit.
Die wichtigste Methode zur Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit ist die Wahl des Abschreckmediums. Zwar lässt sich die Temperatur des Mediums theoretisch verändern, doch seine spezifische Wärmekapazität und sein Siedepunkt sind die entscheidenden Faktoren für die Abkühlgeschwindigkeit. Zu den gebräuchlichsten Abschreckmedien zählen Wasser, Salzlösung, Öl, flüssiger Stickstoff und Luft, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile aufweisen.
Wasser
Wasser ist aufgrund seiner Verfügbarkeit und seiner Fähigkeit, schnelles Abschrecken zu bewirken, eines der gebräuchlichsten Medien. Es ist nicht brennbar und besitzt eine hohe spezifische Wärmekapazität und Verdampfungswärme. Beim Sieden entstehen jedoch Blasen, die die Wärmeleitfähigkeit verringern (Leidenfrost-Effekt), was letztendlich die Abschreckgeschwindigkeit verlangsamt.
Sole
Sole ist im Grunde Wasser mit Salzzusatz. Das Salz erhöht den Siedepunkt des Wassers, wodurch die Blasenbildung beim Sieden reduziert und die Abschreckgeschwindigkeit erhöht wird. Ein Nachteil ist, dass Salz bestimmte Legierungen korrodieren oder chemisch mit ihnen reagieren kann.
Zu den Legenden über das Härten von Schwertern in Blut: Da Blut gelöste Elektrolyte (Salze) enthält, wirkt es beim Härten ähnlich wie eine schwache Salzlösung. Blut enthält außerdem organische Verbindungen, die gerinnen und an der Klinge haften bleiben können, wodurch der Leidenfrost-Effekt möglicherweise verringert wird. Kohlenstoffmoleküle im Blut können zudem reagieren und geringe Mengen an Carbiden auf der Oberfläche bilden.
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Öl
Öl ist ein wirksames Abschreckmittel mittlerer Geschwindigkeit, das Rissbildung verringert. Ein wesentlicher Nachteil ist die Brandgefahr durch die Öloberfläche, weshalb während des Prozesses äußerste Vorsicht geboten ist.
Flüssigstickstoff
Flüssiger Stickstoff ist anfangs langsamer als Wasser, da der Stickstoff sofort verdampft (und eine Schicht mit geringer Wärmeleitfähigkeit bildet) und eine geringere Wärmekapazität und Verdampfungswärme aufweist. Letztendlich senkt flüssiger Stickstoff die Endtemperatur des Materials jedoch deutlich ab, was für die Martensitbildung in bestimmten Legierungen (wie z. B. bestimmten Edelstählen) unerlässlich ist.
Luft
Luftabschreckung wird typischerweise durch schnelles Einblasen kalter Luft über die Probe erreicht. Sie ist in der Industrie weit verbreitet, da sie kostengünstig ist und die Abkühlgeschwindigkeit an verschiedenen Stellen eines Produkts durch Anpassung der Luftgeschwindigkeit gesteuert werden kann. Obwohl Luftabschreckung im Allgemeinen das langsamste Verfahren ist, können manche Legierungen auch bei Abkühlung an ruhender Luft ein abgeschrecktes Gefüge erreichen.
Abschreckschritte
Die Legierung wird auf einen Bereich von 30–50 °C über ihrer kritischen Temperatur erhitzt. Eine längere Einwirkung dieser Temperatur sollte vermieden werden, um Kornwachstum zu verhindern.
Bei oxidationsempfindlichen Legierungen sollte die Erwärmung im Vakuum erfolgen. Alternativ kann die Legierung in einem evakuierten oder mit einem Inertgas wie Argon gefüllten Quarzrohr eingeschlossen werden.
Die Legierung erfordert eine schnelle Abkühlung, die hauptsächlich durch das Abschreckmedium gesteuert wird. Salzlösung ist typischerweise das schnellste praktikable Medium, während flüssiger Stickstoff im Vergleich zu flüssigem Stickstoff eine relativ langsame Abkühlgeschwindigkeit aufweist.
Kühlt die Legierung zu schnell ab, kann sie reißen; kühlt sie zu langsam ab, können sich metastabile Phasen möglicherweise nicht bilden. Die optimale Abschreckgeschwindigkeit sollte mithilfe eines Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramms (ZTU-Diagramm) ermittelt werden.
