Die Wärmebehandlung bezeichnet einen thermischen Prozess an Metallen, bei dem das Material im festen Zustand erhitzt, gehalten und abgekühlt wird, um die gewünschte Struktur und die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
I. Wärmebehandlung
1. Normalisieren: Der Stahl oder die Stahlstücke werden auf den kritischen Punkt von AC3 oder ACM über die entsprechende Temperatur erhitzt und nach dem Abkühlen an der Luft für eine gewisse Zeit gehalten, um die perlitische Struktur des Wärmebehandlungsprozesses zu erhalten.
2. Glühen: Das eutektische Stahlwerkstück wird auf AC3 über 20-40 Grad erhitzt und nach einer Haltezeit im Ofen langsam abgekühlt (oder in Sand oder Kalk eingebettet), bis es 500 Grad unter der Temperatur der Luftkühlung liegt.
3. Wärmebehandlung der festen Lösung: Die Legierung wird auf eine hohe Temperatur erhitzt, wobei die einphasige Struktur bei konstanter Temperatur gehalten wird, sodass sich die überschüssige Phase vollständig in fester Lösung auflöst. Anschließend wird sie schnell abgekühlt, um eine Wärmebehandlung der übersättigten festen Lösung zu erreichen.
4、Alterung: Nach der Lösungsglühung oder der Kaltumformung der Legierung verändert sich deren Eigenschaft mit der Zeit, wenn sie bei Raumtemperatur gelagert oder bei einer etwas höheren Temperatur als Raumtemperatur gehalten wird.
5. Lösungsglühen: Dadurch lösen sich die Legierungsbestandteile in verschiedenen Phasen vollständig auf, die feste Lösung wird gestärkt und die Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit verbessert, Spannungen und Erweichungen werden beseitigt, um die Weiterverarbeitung und Formgebung zu ermöglichen.
6. Alterungsbehandlung: Erhitzen und Halten bei der Temperatur der Ausscheidung der Verstärkungsphase, damit sich die Verstärkungsphase ausscheidet, aushärtet und die Festigkeit verbessert.
7. Abschrecken: Austenitisierung des Stahls nach Abkühlung mit einer geeigneten Abkühlgeschwindigkeit, sodass das Werkstück im Querschnitt vollständig oder in einem bestimmten Bereich eine instabile Gefügestruktur, wie z. B. Martensit, aufweist, die durch den Wärmebehandlungsprozess entstanden ist.
8. Anlassen: Das abgeschreckte Werkstück wird für eine bestimmte Zeit unterhalb der entsprechenden Temperatur auf den kritischen Punkt AC1 erhitzt und anschließend gemäß den Anforderungen des Verfahrens abgekühlt, um die gewünschte Struktur und die gewünschten Eigenschaften des Wärmebehandlungsprozesses zu erzielen.
9. Stahlcarbonitrieren: Beim Carbonitrieren wird die Stahloberfläche gleichzeitig mit Kohlenstoff und Stickstoff infiltriert. Üblicherweise wird Carbonitrieren auch als Cyanid-Carbonitrieren bezeichnet. Mitteltemperatur-Gascarbonitrieren und Niedertemperatur-Gascarbonitrieren (auch Gasnitrocarburieren genannt) sind weit verbreitete Verfahren. Hauptzweck des Mitteltemperatur-Gascarbonitrierens ist die Verbesserung der Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit des Stahls. Niedertemperatur-Gascarbonitrieren basiert auf dem Nitrieren und dient primär der Verbesserung der Verschleiß- und Bissfestigkeit.
10. Anlassbehandlung (Abschrecken und Anlassen): Üblicherweise wird das Werkstück bei hohen Temperaturen abgeschreckt und anschließend angelassen. Diese Wärmebehandlung wird häufig bei wichtigen Bauteilen eingesetzt, insbesondere bei solchen, die unter wechselnden Belastungen stehen, wie Pleuelstangen, Schrauben, Zahnräder und Wellen. Durch das Anlassen wird eine angelassene Sohnitstruktur erreicht, wodurch die mechanischen Eigenschaften besser sind als bei normalisierter Sohnitstruktur gleicher Härte. Die Härte hängt von der Anlasstemperatur, der Anlassstabilität des Stahls und dem Werkstückquerschnitt ab und liegt üblicherweise zwischen HB 200 und 350.
11. Hartlöten: Beim Hartlöten werden die beiden Werkstücke durch Erhitzen miteinander verschmolzen und anschließend durch Wärmebehandlung verbunden.
II.Tdie Merkmale des Prozesses
Die Wärmebehandlung von Metallen ist ein wichtiger Prozess in der mechanischen Fertigung. Im Vergleich zu anderen Bearbeitungsverfahren verändert sie in der Regel weder die Form noch die chemische Zusammensetzung des Werkstücks, sondern beeinflusst dessen inneres Gefüge oder die chemische Zusammensetzung der Oberfläche. Dadurch werden die Gebrauchseigenschaften des Werkstücks verbessert oder erhöht. Charakteristisch ist die Verbesserung der intrinsischen Qualität, die mit bloßem Auge meist nicht sichtbar ist. Um Metallwerkstücke mit den gewünschten mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften herzustellen, ist neben der geeigneten Materialauswahl und verschiedenen Formgebungsverfahren oft eine Wärmebehandlung unerlässlich. Stahl ist der am weitesten verbreitete Werkstoff im Maschinenbau. Sein komplexes Gefüge lässt sich durch Wärmebehandlung gezielt beeinflussen, weshalb die Wärmebehandlung von Stahl einen Schwerpunkt der Metallwärmebehandlung bildet. Auch Aluminium, Kupfer, Magnesium, Titan und andere Legierungen können durch Wärmebehandlung ihre mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften verändern, um unterschiedliche Leistungsmerkmale zu erzielen.
III.Tder Prozess
Die Wärmebehandlung umfasst im Allgemeinen die drei Prozesse Erhitzen, Halten und Abkühlen, manchmal auch nur die beiden Prozesse Erhitzen und Abkühlen. Diese Prozesse sind miteinander verbunden und dürfen nicht unterbrochen werden.
Das Erhitzen ist ein wichtiger Prozess der Wärmebehandlung. Für die Wärmebehandlung von Metallen gibt es viele Heizmethoden. Die früheste Methode nutzte Holzkohle und Kohle als Wärmequelle, in jüngerer Zeit werden flüssige und gasförmige Brennstoffe eingesetzt. Der Einsatz von Elektrizität ermöglicht eine einfache Steuerung des Heizvorgangs und vermeidet Umweltbelastungen. Mit diesen Wärmequellen kann direkt erhitzt werden, aber auch indirekt über geschmolzene Salze oder Metalle oder schwebende Partikel.
Beim Erhitzen von Metallen wird das Werkstück der Luft ausgesetzt, was häufig zu Oxidation und Entkohlung führt (d. h. der Kohlenstoffgehalt der Stahloberfläche sinkt), was die Oberflächeneigenschaften der wärmebehandelten Teile stark beeinträchtigt. Daher sollte das Metall üblicherweise in einer kontrollierten oder Schutzatmosphäre erhitzt werden. Alternativ kommen Schmelzsalz- und Vakuumerhitzungsverfahren zum Einsatz, aber auch Beschichtungen oder Verpackungsmethoden für die Schutzerhitzung.
Die Heiztemperatur ist einer der wichtigsten Prozessparameter der Wärmebehandlung. Ihre Auswahl und Kontrolle sind entscheidend für die Qualität der Wärmebehandlung. Die Heiztemperatur variiert je nach Werkstoff und Behandlungsziel, wird aber im Allgemeinen über die Phasenumwandlungstemperatur erhitzt, um eine Hochtemperaturstruktur zu erzielen. Da die Umwandlung Zeit benötigt, muss die Oberfläche des Werkstücks nach Erreichen der erforderlichen Temperatur für eine bestimmte Zeit gehalten werden, um einen Temperaturausgleich zwischen Innen- und Außentemperatur zu gewährleisten und die Mikrostrukturumwandlung abzuschließen. Diese Zeit wird als Haltezeit bezeichnet. Bei der Oberflächenwärmebehandlung mit hoher Energiedichte ist die Aufheizrate extrem hoch, sodass in der Regel keine Haltezeit erforderlich ist. Bei der chemischen Wärmebehandlung hingegen ist die Haltezeit oft länger.
Die Kühlung ist ein unverzichtbarer Schritt im Wärmebehandlungsprozess. Die Kühlmethoden variieren je nach Verfahren, hauptsächlich um die Abkühlgeschwindigkeit zu steuern. Im Allgemeinen ist die Abkühlgeschwindigkeit beim Glühen am langsamsten, beim Normalisieren und Abschrecken am schnellsten. Unterschiedliche Stahlsorten haben jedoch unterschiedliche Anforderungen an die Kühlung. So kann beispielsweise luftgehärteter Stahl mit der gleichen Abkühlgeschwindigkeit wie normalisiert abgeschreckt werden.
IV.PProzessklassifizierung
Die Wärmebehandlung von Metallen lässt sich grob in drei Kategorien unterteilen: vollständige Wärmebehandlung, Oberflächenwärmebehandlung und chemische Wärmebehandlung. Je nach Wärmeträgermedium, Temperatur und Abkühlmethode ergeben sich aus jeder Kategorie zahlreiche verschiedene Wärmebehandlungsverfahren. Durch unterschiedliche Wärmebehandlungsverfahren kann dasselbe Metall unterschiedliche Gefüge und somit unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Eisen und Stahl sind die am weitesten verbreiteten Metalle in der Industrie, und die Stahlmikrostruktur ist besonders komplex, weshalb eine Vielzahl von Wärmebehandlungsverfahren für Stahl existiert.
Die Wärmebehandlung umfasst das Erhitzen des Werkstücks und dessen anschließende Abkühlung mit einer geeigneten Geschwindigkeit, um die gewünschte metallurgische Struktur zu erzielen und so die mechanischen Eigenschaften des Metalls zu verändern. Die Wärmebehandlung von Stahl lässt sich grob in vier grundlegende Verfahren unterteilen: Glühen, Normalisieren, Härten und Anlassen.
Prozess bedeutet:
Beim Glühen wird das Werkstück je nach Material und Größe des Werkstücks mit unterschiedlicher Haltezeit auf die geeignete Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Ziel ist es, die innere Struktur des Metalls in einen Gleichgewichtszustand zu bringen oder diesem nahezukommen, um eine gute Verarbeitungs- und Leistungsfähigkeit zu erzielen, oder um eine weitere Abschreckung zur Vorbereitung der Strukturierung zu ermöglichen.
Beim Normalisieren wird das Werkstück nach dem Abkühlen an der Luft auf die entsprechende Temperatur erhitzt. Der Effekt des Normalisierens ist ähnlich dem Glühen, nur dass dadurch eine feinere Struktur erzielt wird. Es wird häufig zur Verbesserung der Zerspanbarkeit des Materials eingesetzt, aber manchmal auch bei weniger anspruchsvollen Teilen als abschließende Wärmebehandlung.
Beim Abschrecken wird das Werkstück erhitzt und isoliert in Wasser, Öl oder anderen anorganischen Salzen, organischen wässrigen Lösungen oder anderen Abschreckmedien abgekühlt, um eine schnelle Abkühlung zu gewährleisten. Nach dem Abschrecken sind die Stahlteile zwar hart, aber gleichzeitig spröde. Um die Sprödigkeit rechtzeitig zu beseitigen, ist in der Regel ein anschließendes Anlassen erforderlich.
Um die Sprödigkeit von Stahlteilen zu reduzieren, werden diese bei einer geeigneten Temperatur oberhalb Raumtemperatur und unterhalb von 650 °C für längere Zeit abgeschreckt und anschließend abgekühlt. Dieser Vorgang wird als Anlassen bezeichnet. Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen bilden die Gesamtwärmebehandlung im Sinne der „vier Feuer“. Abschrecken und Anlassen sind eng miteinander verbunden, werden oft kombiniert und sind unabdingbar. Die „vier Feuer“ unterscheiden sich in der Erwärmungstemperatur und der Abkühlweise und führen zu unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren. Um eine bestimmte Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen, werden Abschrecken und Anlassen bei hohen Temperaturen kombiniert. Dieses Verfahren wird als Anlassen bezeichnet. Nach dem Abschrecken bestimmter Legierungen zur Bildung einer übersättigten festen Lösung werden diese für längere Zeit bei Raumtemperatur oder einer etwas höheren, geeigneten Temperatur gehalten, um die Härte, Festigkeit oder den Elektromagnetismus der Legierung zu verbessern. Ein solches Wärmebehandlungsverfahren wird als Auslagern bezeichnet.
Die Umformung durch Druckbearbeitung und die Wärmebehandlung werden effektiv und eng miteinander kombiniert, sodass das Werkstück mit diesem als Umformwärmebehandlung bekannten Verfahren eine sehr gute Festigkeit und Zähigkeit erhält; die Wärmebehandlung in einer Unterdruckatmosphäre oder im Vakuum, die als Vakuumwärmebehandlung bekannt ist, verhindert nicht nur die Oxidation und Entkohlung des Werkstücks, erhält die Oberfläche des Werkstücks nach der Behandlung und verbessert dessen Eigenschaften, sondern ermöglicht auch die chemische Wärmebehandlung durch osmotische Mittel.
Bei der Oberflächenwärmebehandlung wird ausschließlich die Oberflächenschicht eines Werkstücks erwärmt, um deren mechanische Eigenschaften zu verändern. Um eine übermäßige Wärmeübertragung in das Werkstückinnere zu vermeiden, muss die Wärmequelle eine hohe Energiedichte aufweisen, d. h. pro Flächeneinheit des Werkstücks eine möglichst hohe Wärmeenergie abgeben. Dadurch kann die Oberflächenschicht innerhalb kurzer Zeit oder sogar punktuell hohe Temperaturen erreichen. Zu den wichtigsten Verfahren der Oberflächenwärmebehandlung zählen das Flammhärten und das Induktionserwärmen. Gängige Wärmequellen sind beispielsweise Autogen- oder Propan-Flammen, Induktionsstrom, Laser und Elektronenstrahl.
Die chemische Wärmebehandlung ist ein Verfahren zur Metallbehandlung, bei dem die chemische Zusammensetzung, die Struktur und die Eigenschaften der Oberflächenschicht des Werkstücks verändert werden. Sie unterscheidet sich von der Oberflächenwärmebehandlung dadurch, dass sie die chemische Zusammensetzung der Oberflächenschicht verändert. Bei der chemischen Wärmebehandlung wird das Werkstück in einem Medium (gasförmig, flüssig oder fest), das Kohlenstoff, Salze oder andere Legierungselemente enthält, erhitzt und über einen längeren Zeitraum isoliert. Dadurch dringen Kohlenstoff, Stickstoff, Bor, Chrom und andere Elemente in die Oberflächenschicht des Werkstücks ein. Nach der Elementinfiltration werden gegebenenfalls weitere Wärmebehandlungsverfahren wie Härten und Anlassen durchgeführt. Die wichtigsten Methoden der chemischen Wärmebehandlung sind Aufkohlen, Nitrieren und Durchdringen des Metalls.
Die Wärmebehandlung ist ein wichtiger Prozess bei der Fertigung von Maschinenteilen und Formen. Sie sichert und verbessert verschiedene Eigenschaften des Werkstücks, wie beispielsweise Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Zudem optimiert sie die Struktur und den Spannungszustand des Rohlings und erleichtert so die Weiterverarbeitung bei Kalt- und Warmumformung.
Beispielsweise kann weißes Gusseisen durch eine Langzeitglühung zu formbarem Gusseisen umgewandelt werden, wodurch sich die Plastizität verbessert. Zahnräder können durch die richtige Wärmebehandlung eine um ein Vielfaches längere Lebensdauer erreichen als nicht wärmebehandelte Zahnräder. Darüber hinaus kann preiswerter Kohlenstoffstahl durch die Beimischung bestimmter Legierungselemente Eigenschaften einiger teurer legierter Stähle aufweisen und so manche hitzebeständige Stähle oder Edelstähle ersetzen. Formen und Werkzeuge müssen fast alle einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bevor sie verwendet werden können.
Zusätzliche Mittel
I. Arten des Glühens
Beim Glühen handelt es sich um ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem das Werkstück auf eine geeignete Temperatur erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend langsam abgekühlt wird.
Es gibt viele Arten von Stahlglühprozessen, die sich je nach Erwärmungstemperatur in zwei Kategorien einteilen lassen: Glühen oberhalb der kritischen Temperatur (Ac1 oder Ac3), auch bekannt als Phasenübergangs-Rekristallisationsglühen, einschließlich Vollglühen, unvollständigem Glühen, Kugelglühen und Diffusionsglühen (Homogenisierungsglühen) usw.; und Glühen unterhalb der kritischen Temperatur, einschließlich Rekristallisationsglühen und Spannungsarmglühen usw. Nach der Abkühlmethode kann das Glühen in isothermes Glühen und kontinuierliches Abkühlen unterteilt werden.
1. Vollständiges Glühen und isothermes Glühen
Das vollständige Glühen, auch Rekristallisationsglühen genannt, allgemein als Glühen bezeichnet, ist das Erhitzen von Stahl auf eine Ac3-Temperatur von über 20–30 °C und das anschließende, ausreichend lange Halten nach langsamer Abkühlung, um eine vollständige Austenitisierung zu erreichen und so ein nahezu ausgeglichenes Gefüge zu erzielen. Dieses Glühverfahren wird hauptsächlich für subeutektische Guss-, Schmiede- und warmgewalzte Profile aus verschiedenen Kohlenstoff- und legierten Stählen eingesetzt und findet gelegentlich auch bei Schweißkonstruktionen Anwendung. Es dient häufig als Endwärmebehandlung für eine geringe Anzahl von Werkstücken oder als Vorwärmebehandlung für einzelne Werkstücke.
2. Kugelglühen
Kugelglühen wird hauptsächlich bei übereutektischem Kohlenstoffstahl und legiertem Werkzeugstahl (z. B. zur Herstellung von Schneidwerkzeugen, Lehren, Formen und Matrizen) angewendet. Hauptzweck ist die Reduzierung der Härte, die Verbesserung der Bearbeitbarkeit und die Vorbereitung auf das anschließende Abschrecken.
3. Spannungsarmglühen
Spannungsarmglühen, auch bekannt als Niedertemperaturglühen (oder Hochtemperaturanlassen), dient hauptsächlich dazu, Eigenspannungen in Gussteilen, Schmiedeteilen, Schweißkonstruktionen, warmgewalzten und kaltgezogenen Teilen zu beseitigen. Werden diese Spannungen nicht abgebaut, kann es nach einer gewissen Zeit oder bei nachfolgenden Bearbeitungsprozessen zu Verformungen oder Rissen im Stahl kommen.
4. Unvollständiges Glühen bedeutet, den Stahl zwischen Wärmeerhaltung und langsamer Abkühlung auf Ac1 ~ Ac3 (subeutektischer Stahl) oder Ac1 ~ ACcm (übereutektischer Stahl) zu erhitzen, um eine nahezu gleichmäßige Organisation des Wärmebehandlungsprozesses zu erreichen.
II.Beim Abschrecken werden am häufigsten Salzlösungen, Wasser und Öl als Kühlmedium verwendet.
Durch Abschrecken des Werkstücks in Salzwasser lassen sich leicht hohe Härte und eine glatte Oberfläche erzielen, und es treten seltener Härte-Weich-Stellen auf. Allerdings kann es dabei leicht zu starken Verformungen und sogar Rissen kommen. Die Verwendung von Öl als Abschreckmedium eignet sich nur für bestimmte legierte Stähle mit relativ hoher Stabilität des unterkühlten Austenits oder für kleine Werkstücke aus Kohlenstoffstahl.
III.der Zweck des Stahlhärtens
1. Verringerung der Sprödigkeit, Beseitigung oder Reduzierung innerer Spannungen. Beim Härten von Stahl entstehen viele innere Spannungen und Sprödigkeit. Wird beispielsweise nicht rechtzeitig angelassen, kann dies zu Verformungen oder sogar Rissen im Stahl führen.
2. Um die erforderlichen mechanischen Eigenschaften des Werkstücks zu erzielen, weist das Werkstück nach dem Abschrecken eine hohe Härte und Sprödigkeit auf. Um den Anforderungen an die unterschiedlichen Eigenschaften einer Vielzahl von Werkstücken gerecht zu werden, kann die Härte durch geeignetes Anlassen angepasst werden, um die Sprödigkeit zu reduzieren und die erforderliche Zähigkeit und Plastizität zu erreichen.
3. Die Größe des Werkstücks stabilisieren.
4. Da es schwierig ist, bestimmte legierte Stähle durch Glühen zu erweichen, wird nach dem Anlassen bei hoher Temperatur häufig das Abschrecken (oder Normalisieren) angewendet, damit sich die Stahlkarbide in geeigneter Weise ansammeln, die Härte reduziert wird und das Schneiden und Bearbeiten erleichtert wird.
Ergänzende Konzepte
1. Glühen: Bezeichnet ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem metallische Werkstoffe auf eine geeignete Temperatur erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend langsam abgekühlt werden. Gängige Glühverfahren sind: Rekristallisationsglühen, Spannungsarmglühen, Kugelglühen, Vollglühen usw. Zweck des Glühens: Hauptsächlich zur Reduzierung der Härte metallischer Werkstoffe, zur Verbesserung der Plastizität, um das Zerspanen oder Pressen zu erleichtern, zum Abbau von Eigenspannungen, zur Verbesserung der Gefügehomogenisierung oder zur Vorbereitung der nachfolgenden Wärmebehandlung.
2. Normalisieren: Bezeichnet die Wärmebehandlung von Stahl, der auf 30–50 °C (oder über den kritischen Punkt) erhitzt und für eine geeignete Zeit bei dieser Temperatur gehalten wird, gefolgt von einer Abkühlung an ruhender Luft. Zweck des Normalisierens: Hauptsächlich Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von kohlenstoffarmem Stahl, Verbesserung der Zerspanbarkeit, Kornfeinung, Beseitigung von Gefügefehlern und Vorbereitung des Gefüges für die nachfolgende Wärmebehandlung.
3. Abschrecken: Hierbei wird Stahl auf eine Temperatur Ac3 oder Ac1 (Stahl unterhalb des kritischen Punktes) über eine bestimmte Temperatur erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend mit einer geeigneten Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt, um im Rahmen der Wärmebehandlung Martensit (oder Bainit) zu erhalten. Gängige Abschreckverfahren sind das Ein- und Zweimediumabschrecken, das Martensitabschrecken, das isotherme Bainitabschrecken, das Oberflächenabschrecken und das lokale Abschrecken. Zweck des Abschreckens: Die Stahlteile sollen die gewünschte Martensitstruktur erhalten, wodurch die Härte, Festigkeit und Abriebfestigkeit des Werkstücks verbessert und eine optimale Vorbereitung für die nachfolgende Wärmebehandlung geschaffen wird.
4. Anlassen: Hierbei wird der Stahl gehärtet, anschließend auf eine Temperatur unterhalb von Ac1 erhitzt, eine Haltezeit eingehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Gängige Anlassverfahren sind: Niedertemperaturanlassen, Mitteltemperaturanlassen, Hochtemperaturanlassen und Mehrfachanlassen.
Anlasszweck: hauptsächlich die Beseitigung der beim Abschrecken im Stahl entstandenen Spannungen, damit der Stahl eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit sowie die erforderliche Plastizität und Zähigkeit aufweist.
5. Anlassen: Bezeichnet Stahl, der im Rahmen eines kombinierten Wärmebehandlungsverfahrens abgeschreckt und bei hohen Temperaturen angelassen wird. Beim Anlassen von Stahl wird dieser sogenannte vergütete Stahl verwendet. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um mittelgekohlten Baustahl und mittelgekohlten legierten Baustahl.
6. Aufkohlen: Beim Aufkohlen dringen Kohlenstoffatome in die Oberflächenschicht von Stahl ein. Dadurch erhält das Werkstück aus kohlenstoffarmem Stahl eine Oberflächenschicht aus kohlenstoffreichem Stahl. Nach dem Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur weist die Oberflächenschicht eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf, während der Kern des Werkstücks die Zähigkeit und Plastizität von kohlenstoffarmem Stahl beibehält.
Vakuummethode
Da die Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge von Metallwerkstücken Dutzende von Einzelschritten erfordern, die im Vakuumwärmebehandlungsofen durchgeführt werden und für den Bediener unzugänglich sind, ist ein hoher Automatisierungsgrad des Ofens notwendig. Gleichzeitig müssen bestimmte Vorgänge, wie das Erhitzen und Halten am Ende des Abschreckprozesses, innerhalb von nur 15 Sekunden abgeschlossen sein und aus sechs oder sieben Schritten bestehen. Diese Vielzahl an schnell aufeinanderfolgenden Schritten kann leicht zu Nervosität beim Bediener und Fehlbedienungen führen. Daher ist eine präzise und termingerechte Koordination gemäß Programm nur durch einen hohen Automatisierungsgrad möglich.
Die Vakuumwärmebehandlung von Metallteilen erfolgt in einem geschlossenen Vakuumofen, wobei eine strikte Vakuumabdichtung unerlässlich ist. Um die ursprüngliche Luftleckrate des Ofens zu erreichen und beizubehalten, ist es daher von entscheidender Bedeutung, das Betriebsvakuum und damit die Qualität der Vakuumwärmebehandlung sicherzustellen. Ein Schlüsselaspekt von Vakuumwärmebehandlungsöfen ist somit eine zuverlässige Vakuumdichtung. Um die Vakuumleistung des Ofens zu gewährleisten, muss die Konstruktion einem Grundprinzip folgen: Der Ofenkörper muss gasdicht verschweißt sein, Öffnungen sollten so gering wie möglich gehalten oder ganz vermieden werden. Dynamische Dichtungsstrukturen sollten möglichst vermieden werden, um die Gefahr von Vakuumleckagen zu minimieren. Auch die im Ofenkörper verbauten Komponenten und Zubehörteile, wie z. B. wassergekühlte Elektroden und Thermoelement-Auslassvorrichtungen, müssen so konstruiert sein, dass sie eine dichte Struktur aufweisen.
Die meisten Heiz- und Isoliermaterialien sind nur unter Vakuum einsetzbar. Da die Auskleidung von Vakuumwärmebehandlungsöfen unter Vakuum und hohen Temperaturen arbeitet, müssen die Materialien hohe Anforderungen an Temperaturbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit stellen. Die Anforderungen an die Oxidationsbeständigkeit sind weniger hoch. Daher werden in Vakuumwärmebehandlungsöfen häufig Tantal, Wolfram, Molybdän und Graphit als Heiz- und Isoliermaterialien verwendet. Diese Materialien oxidieren jedoch unter atmosphärischen Bedingungen sehr leicht, weshalb sie in herkömmlichen Wärmebehandlungsöfen nicht eingesetzt werden können.
Wassergekühlte Vorrichtung: Vakuumwärmebehandlungsofengehäuse, Ofendeckel, elektrische Heizelemente, wassergekühlte Elektroden, Zwischenvakuum-Wärmedämmtür und weitere Komponenten befinden sich im Vakuum und werden erhitzt. Unter diesen extremen Bedingungen muss sichergestellt werden, dass die Struktur der einzelnen Komponenten nicht verformt oder beschädigt wird und die Vakuumdichtung nicht überhitzt oder durchbrennt. Daher muss jede Komponente entsprechend den jeweiligen Einsatzbedingungen mit einer Wasserkühlung ausgestattet sein, um einen einwandfreien Betrieb und eine ausreichende Lebensdauer des Vakuumwärmebehandlungsofens zu gewährleisten.
Bei der Verwendung von Niederspannungs-Hochstrom-Vakuumbehältern kann es bei einem Vakuumgrad im Bereich von wenigen 10⁻¹ Torr und der damit verbundenen höheren Spannung am Leiter zu Glimmentladungen kommen. In Vakuumwärmebehandlungsöfen können starke Lichtbogenentladungen die Heizelemente und die Isolierschicht beschädigen und so schwere Unfälle und Verluste verursachen. Daher sollte die Betriebsspannung der Heizelemente in Vakuumwärmebehandlungsöfen in der Regel 80 bis 100 Volt nicht überschreiten. Gleichzeitig sind bei der Konstruktion der Heizelemente wirksame Maßnahmen zu treffen, wie z. B. das Vermeiden von Bauteilspitzen und ein ausreichender Elektrodenabstand, um die Entstehung von Glimmentladungen oder Lichtbögen zu verhindern.
Härten
Je nach den unterschiedlichen Leistungsanforderungen an das Werkstück und den verschiedenen Anlasstemperaturen lassen sich folgende Anlassarten unterscheiden:
(a) Anlassen bei niedriger Temperatur (150-250 Grad)
Das Anlassen des resultierenden Martensitgefüges bei niedriger Temperatur dient dazu, die hohe Härte und Verschleißfestigkeit des gehärteten Stahls zu erhalten und gleichzeitig die durch das Abschrecken entstandenen Eigenspannungen und die Sprödigkeit zu reduzieren, um Absplitterungen oder vorzeitige Beschädigungen im Gebrauch zu vermeiden. Es wird hauptsächlich für verschiedene hochkohlenstoffhaltige Schneidwerkzeuge, Lehren, kaltgezogene Werkzeuge, Wälzlager und einsatzgehärtete Teile usw. eingesetzt. Die Härte nach dem Anlassen beträgt in der Regel HRC 58–64.
(ii) Anlassen bei mittlerer Temperatur (250-500 Grad)
Mitteltemperatur-Härtungsverfahren für gehärteten Quarzkörper. Ziel ist die Erzielung hoher Streckgrenze, Elastizitätsgrenze und Zähigkeit. Daher wird es hauptsächlich für die Herstellung verschiedener Federn und die Bearbeitung von Warmarbeitsformen eingesetzt; die Härte nach der Härte liegt üblicherweise zwischen HRC 35 und 50.
(C) Hochtemperatur-Härten (500-650 Grad)
Die Anlassbehandlung von Sohnit erfolgt durch Hochtemperaturvergütung. Die übliche Abschreckung und Hochtemperaturvergütung kombiniert diese Wärmebehandlung und dient der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit. Daher findet sie breite Anwendung in Automobilen, Traktoren, Werkzeugmaschinen und anderen wichtigen Bauteilen wie Pleuelstangen, Schrauben, Zahnrädern und Wellen. Die Härte nach dem Anlassen liegt üblicherweise zwischen HB 200 und 330.
Verformungsverhinderung
Die Ursachen für Verformungen komplexer Präzisionsformen sind oft komplex. Durch das Verständnis ihrer Gesetzmäßigkeiten, die Analyse ihrer Ursachen und den Einsatz verschiedener Methoden zur Verhinderung und Reduzierung von Verformungen lässt sich diese jedoch nicht nur verringern, sondern auch kontrollieren. Im Allgemeinen können zur Verhinderung von Verformungen durch Wärmebehandlung folgende Methoden angewendet werden.
(1) Angemessene Materialauswahl. Für Präzisions- und komplexe Formen sollte ein Material mit guter Mikroverformbarkeit (z. B. luftgehärteter Stahl) gewählt werden. Bei starker Karbidsegregation sollte eine angemessene Schmiede- und Anlasswärmebehandlung durchgeführt werden. Größere, nicht schmiedebare Formen können einer zweifachen Lösungsglühung unterzogen werden.
(2) Die Konstruktion der Form sollte vernünftig sein, die Wandstärke sollte nicht zu unterschiedlich sein, die Form sollte symmetrisch sein, bei der Verformung der größeren Form sollte das Verformungsgesetz beherrscht werden, ein Bearbeitungsspielraum sollte eingeräumt werden, bei großen, präzisen und komplexen Formen können Kombinationsstrukturen verwendet werden.
(3) Präzisions- und komplexe Formen sollten einer Vorwärmebehandlung unterzogen werden, um die bei der Bearbeitung entstehenden Eigenspannungen zu beseitigen.
(4) Eine angemessene Wahl der Heiztemperatur und eine Kontrolle der Heizgeschwindigkeit sind wichtig. Bei komplexen Präzisionsformen können langsames Erhitzen, Vorheizen und andere ausgewogene Heizmethoden angewendet werden, um Verformungen der Form durch die Wärmebehandlung zu reduzieren.
(5) Um die Härte der Form zu gewährleisten, ist es ratsam, Vorkühlung, abgestufte Abkühlung oder Temperaturabschreckung anzuwenden.
(6) Bei Präzisions- und komplexen Formen sollte, sofern die Bedingungen dies zulassen, eine Vakuum-Heißabschreckung mit anschließender Tiefkühlbehandlung nach dem Abschrecken versucht werden.
(7) Bei einigen Präzisions- und komplexen Formen können Vorwärmebehandlung, Aushärtungswärmebehandlung, Anlasswärmebehandlung und Nitrierwärmebehandlung eingesetzt werden, um die Genauigkeit der Form zu kontrollieren.
(8) Bei der Reparatur von Formsandlöchern, Porosität, Verschleiß und anderen Defekten ist die Verwendung von Kaltschweißmaschinen und anderen Reparaturgeräten zur thermischen Einwirkung zu vermeiden, um eine Verformung während des Reparaturvorgangs zu verhindern.
Darüber hinaus sind die korrekte Durchführung des Wärmebehandlungsprozesses (wie das Verschließen von Löchern, das Verbinden von Löchern, die mechanische Fixierung, geeignete Heizmethoden, die richtige Wahl der Kühlrichtung der Form und der Bewegungsrichtung im Kühlmedium usw.) und ein angemessener Anlasswärmebehandlungsprozess ebenfalls wirksame Maßnahmen zur Reduzierung der Verformung von Präzisions- und komplexen Formen.
Die Oberflächenhärtung und das Anlassen erfolgen üblicherweise durch Induktions- oder Flammerwärmung. Die wichtigsten technischen Parameter sind Oberflächenhärte, Kernhärte und die effektive Härtetiefe. Die Härteprüfung kann mit einem Vickers-Härteprüfgerät, einem Rockwell-Härteprüfgerät oder einem Oberflächen-Rockwell-Härteprüfgerät durchgeführt werden. Die Wahl der Prüfkraft (Skala) hängt von der Tiefe der effektiven Härteschicht und der Oberflächenhärte des Werkstücks ab. Drei Arten von Härteprüfgeräten kommen hier zum Einsatz.
Erstens ist das Vickers-Härteprüfgerät ein wichtiges Instrument zur Bestimmung der Oberflächenhärte wärmebehandelter Werkstücke. Es bietet eine Prüfkraft von 0,5 bis 100 kg, prüft Oberflächenhärtungsschichten ab einer Dicke von 0,05 mm und zeichnet sich durch höchste Genauigkeit aus. Selbst kleinste Unterschiede in der Oberflächenhärte wärmebehandelter Werkstücke lassen sich damit erfassen. Darüber hinaus kann mit dem Vickers-Härteprüfgerät auch die Tiefe der effektiven Härteschicht bestimmt werden. Daher ist die Anschaffung eines Vickers-Härteprüfgeräts für die Oberflächenwärmebehandlung oder die Bearbeitung einer großen Anzahl oberflächenwärmebehandelter Werkstücke unerlässlich.
Zweitens eignet sich das Oberflächenhärteprüfgerät nach Rockwell hervorragend zur Härteprüfung oberflächengehärteter Werkstücke. Es bietet drei Messskalen und kann die effektive Härtetiefe von mehr als 0,1 mm bei verschiedenen oberflächengehärteten Werkstücken messen. Obwohl die Präzision des Oberflächenhärteprüfgeräts nicht so hoch ist wie die des Vickers-Härteprüfgeräts, erfüllt es als Qualitätskontroll- und Prüfmittel in Wärmebehandlungsbetrieben die Anforderungen. Darüber hinaus zeichnet es sich durch einfache Bedienung, Benutzerfreundlichkeit, niedrigen Preis und schnelle Messung aus. Härtewerte und andere Kennwerte können direkt abgelesen werden. Mit dem Oberflächenhärteprüfgerät lässt sich eine Charge oberflächengehärteter Werkstücke schnell und zerstörungsfrei prüfen. Dies ist wichtig für die Metallverarbeitung und den Maschinenbau.
Drittens kann bei dickeren, wärmebehandelten Oberflächenschichten auch ein Rockwell-Härteprüfgerät eingesetzt werden. Bei einer Schichtdicke von 0,4 bis 0,8 mm kann die HRA-Skala, bei mehr als 0,8 mm die HRC-Skala verwendet werden.
Die Härtewerte nach Vickers, Rockwell und Oberflächen-Rockwell lassen sich leicht ineinander umrechnen und an Normen, Zeichnungen oder an die vom Anwender benötigten Härtewerte anpassen. Die entsprechenden Umrechnungstabellen finden sich in den internationalen Normen ISO, ASTM und GB/T.
Lokalisierte Härtung
Bei Bauteilen mit höheren Anforderungen an die lokale Härte, die mittels Induktionserwärmung oder anderen lokalen Abschreckverfahren behandelt werden können, müssen die Stellen der lokalen Abschreckbehandlung und die lokalen Härtewerte in den Zeichnungen vermerkt werden. Die Härteprüfung der Bauteile erfolgt im dafür vorgesehenen Bereich. Als Prüfgeräte kann beispielsweise ein Rockwell-Härteprüfgerät zur Bestimmung des HRC-Wertes verwendet werden. Bei dünnen Härtungsschichten kann hingegen ein Oberflächen-Rockwell-Härteprüfgerät zur Bestimmung des HRN-Wertes eingesetzt werden.
Chemische Wärmebehandlung
Die chemische Wärmebehandlung dient dazu, die Oberfläche des Werkstücks mit einem oder mehreren chemischen Elementen zu durchdringen, um so die chemische Zusammensetzung, die Struktur und die Eigenschaften der Werkstückoberfläche zu verändern. Nach dem Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur weist die Werkstückoberfläche eine hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit auf, während der Kern des Werkstücks eine hohe Zähigkeit besitzt.
Demnach ist die Temperaturmessung und -aufzeichnung im Wärmebehandlungsprozess von entscheidender Bedeutung, da eine mangelhafte Temperaturkontrolle erhebliche Auswirkungen auf das Produkt hat. Daher ist die Temperaturüberwachung unerlässlich, und auch der Temperaturverlauf während des gesamten Prozesses ist von großer Wichtigkeit. Aus diesem Grund muss der Wärmebehandlungsprozess hinsichtlich der Temperaturänderungen protokolliert werden. Dies erleichtert nicht nur die spätere Datenanalyse, sondern ermöglicht es auch, Zeitpunkte zu identifizieren, an denen die Temperatur die Anforderungen nicht erfüllt. Dies wird maßgeblich zur Verbesserung der Wärmebehandlung in der Zukunft beitragen.
Betriebsabläufe
1. Reinigen Sie den Arbeitsbereich, prüfen Sie, ob die Stromversorgung, die Messinstrumente und die verschiedenen Schalter ordnungsgemäß funktionieren und ob die Wasserzufuhr reibungslos ist.
2. Die Bediener sollten geeignete Arbeitsschutzausrüstung tragen, andernfalls wird es gefährlich.
3. Öffnen Sie den universellen Umschalter für die Steuerleistung und regeln Sie die Temperaturerhöhung und -senkung der Geräteabschnitte gemäß den technischen Anforderungen, um die Lebensdauer der Geräte zu verlängern und den einwandfreien Zustand der Geräte zu gewährleisten.
4. Achten Sie auf die Temperaturregelung des Wärmebehandlungsofens und die Geschwindigkeitsregelung des Förderbandes, um die für verschiedene Materialien erforderlichen Temperaturnormen zu erreichen, die Härte des Werkstücks, die Oberflächengeradheit und die Oxidationsschicht zu gewährleisten und die Sicherheit ernst zu nehmen.
5. Achten Sie auf die Temperatur im Anlassofen und die Geschwindigkeit des Förderbandes und öffnen Sie die Abluftanlage, damit das Werkstück nach dem Anlassen den Qualitätsanforderungen entspricht.
6. Bei der Arbeit sollte man sich an den Beitrag halten.
7. die notwendigen Feuerlöschgeräte zu konfigurieren und mit deren Gebrauchs- und Wartungsmethoden vertraut zu sein.
8. Beim Anhalten der Maschine muss überprüft werden, ob sich alle Steuerschalter im ausgeschalteten Zustand befinden. Anschließend muss der Universalumschalter geschlossen werden.
Überhitzung
An der rauen Oberfläche der Wälzlagerteile lässt sich nach dem Abschrecken eine Überhitzung des Gefüges erkennen. Um den genauen Grad der Überhitzung zu bestimmen, muss das Gefüge untersucht werden. Tritt im Abschreckgefüge des Stahls GCr15 grober Nadelmartensit auf, handelt es sich um ein Überhitzungsgefüge. Die Ursache hierfür kann eine zu hohe Abschrecktemperatur oder eine zu lange Haltezeit sein, was zu einer flächendeckenden Überhitzung führt. Auch eine starke Bandstruktur der Karbide kann eine Rolle spielen. In den kohlenstoffarmen Bereichen zwischen den Bändern bildet sich lokalisiert dicker Martensit, was zu lokaler Überhitzung führt. Der Restaustenitanteil im überhitzten Gefüge nimmt zu, und die Dimensionsstabilität sinkt. Durch die Überhitzung des Abschreckgefüges wird das Stahlkristallgefüge grob, was die Zähigkeit der Teile und die Schlagfestigkeit verringert und somit die Lagerlebensdauer verkürzt. Starke Überhitzung kann sogar zu Abschreckrissen führen.
Unterhitzung
Eine zu niedrige Abschrecktemperatur oder eine unzureichende Abkühlung führt zu einer stärkeren Torrhenit-Ausrichtung im Mikrogefüge, der sogenannten Unterhitzungsausrichtung. Dies bewirkt einen Abfall der Härte, eine starke Verringerung der Verschleißfestigkeit und beeinträchtigt die Lebensdauer der Wälzlager.
Löschrisse
Wälzlagerteile können beim Abschrecken und Abkühlen aufgrund von Eigenspannungen Risse bilden, die als Abschreckrisse bezeichnet werden. Ursachen für solche Risse sind: zu hohe Abschrecktemperatur oder zu schnelle Abkühlung, wodurch die thermische Spannung und die Massenänderung des Metalls die Bruchfestigkeit des Stahls übersteigen; Oberflächenfehler (wie Risse oder Kratzer) oder innere Fehler im Stahl (wie Schlacke, starke nichtmetallische Einschlüsse, weiße Flecken, Schwindungsrückstände usw.), die beim Abschrecken zu Spannungskonzentrationen führen; starke Oberflächenentkohlung und Karbidsegregation; unzureichendes oder verspätetes Anlassen nach dem Abschrecken; zu hohe Kaltumformspannungen durch vorherige Bearbeitungsprozesse, Schmiedefalten, tiefe Drehschnitte, scharfe Kanten in Ölnuten usw. Kurz gesagt, die Ursache für Abschreckrisse kann ein oder mehrere der oben genannten Faktoren sein, wobei Eigenspannungen die Hauptursache für ihre Entstehung darstellen. Härterisse sind tief und schmal, mit geradem Bruchverlauf und ohne Oxidationsspuren an der Bruchfläche. Am Lagerkragen treten sie häufig als längliche, flache oder ringförmige Risse auf; an der Lagerkugel sind sie S-, T- oder ebenfalls ringförmig. Härterisse weisen keine Entkohlung an beiden Seiten auf und unterscheiden sich deutlich von Schmiederissen und Materialrissen.
Wärmebehandlung Verformung
Bei der Wärmebehandlung von NACHI-Lagerteilen treten thermische und strukturelle Spannungen auf. Diese inneren Spannungen können sich überlagern oder teilweise kompensieren und sind komplex und variabel, da sie von der Erwärmungstemperatur, der Erwärmungsrate, dem Abkühlmodus, der Abkühlrate sowie der Form und Größe der Teile abhängen. Daher ist eine Verformung durch die Wärmebehandlung unvermeidlich. Die Kenntnis und Beherrschung dieser Gesetzmäßigkeiten ermöglicht es, die Verformung der Lagerteile (z. B. die Ovalität des Kragens, die Maßabweichung usw.) in einem kontrollierbaren Bereich zu halten und so die Produktion zu optimieren. Mechanische Einwirkungen während des Wärmebehandlungsprozesses führen zwar ebenfalls zu Verformungen der Teile, diese können jedoch durch Prozessoptimierung reduziert oder vermieden werden.
Oberflächenentkohlung
Bei der Wärmebehandlung von Wälzlagerteilen kommt es in oxidierenden Medien zu Oberflächenoxidation, wodurch der Kohlenstoffanteil an der Oberfläche sinkt und es zu einer Oberflächenentkohlung kommt. Ist die Tiefe der Oberflächenentkohlung zu groß für die Endbearbeitung, müssen die Teile verschrottet werden. Die Tiefe der Oberflächenentkohlung lässt sich metallografisch und mikrohärtetechnisch bestimmen. Die Mikrohärteverteilungskurve der Oberflächenschicht dient als Beurteilungskriterium.
Weiche Stelle
Aufgrund unzureichender Erwärmung, mangelhafter Abkühlung und unzureichender Oberflächenhärte der Wälzlagerteile entsteht ein Phänomen, das als Härteweichstellen bekannt ist. Dies ähnelt einer Oberflächenentkohlung und kann zu einer erheblichen Verringerung der Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit führen.
Veröffentlichungsdatum: 05.12.2023