Wie wirkt sich die Abkühlungsgeschwindigkeit auf das Gefüge von Stahl aus? Die C-Kurve bei der Wärmebehandlung offenbart die faszinierende Umwandlung des Gefüges von Kohlenstoffstahl während der Abkühlung. Dieser Artikel befasst sich mit den Unterschieden zwischen isothermen und kontinuierlichen Abkühlungsmethoden und erklärt, wie unterschiedliche Abkühlungsraten zur Bildung von Perlit-, Bainit- und Martensitstrukturen führen. Wenn Sie die C-Kurve verstehen, wissen Sie auch, wie Sie die Stahleigenschaften für die gewünschte Härte und Festigkeit steuern können. Tauchen Sie ein in die Wissenschaft hinter der Umwandlung von Stahl und lernen Sie, wie Sie Ihre Wärmebehandlungsprozesse optimieren können.
Die Wärmebehandlung ist ein wichtiger Prozess in der Metallverarbeitung, der die physikalischen und manchmal auch die chemischen Eigenschaften eines Werkstoffs verändert. Dieses kontrollierte Erhitzungs- und Abkühlungsverfahren kann die Festigkeit, Härte, Duktilität und andere mechanische Eigenschaften des Metalls erheblich verbessern, ohne seine Form zu verändern. Das Prinzip der Wärmebehandlung liegt in der Beeinflussung der Mikrostruktur des Werkstoffs.
Das Verfahren umfasst in der Regel drei Hauptphasen:
Bei verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren wie Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen werden Variationen dieser Stufen eingesetzt, um bestimmte Ergebnisse zu erzielen. Beim Abschrecken wird beispielsweise durch schnelles Abkühlen die Härte erhöht, während beim Glühen durch langsames Abkühlen die Duktilität verbessert und innere Spannungen reduziert werden.
Die Wirksamkeit der Wärmebehandlung hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die chemische Zusammensetzung des Metalls, die ursprüngliche Mikrostruktur, die Erhitzungstemperatur, die Haltezeit und die Abkühlgeschwindigkeit. Bei modernen Wärmebehandlungsverfahren werden häufig eine präzise Temperaturregelung, Schutzatmosphären und computergesteuerte Kühlsysteme eingesetzt, um gleichbleibende und optimale Ergebnisse zu gewährleisten.
Bei der Erhitzung von Stahl kommt es zu mehreren kritischen Phasenumwandlungen, die sein Mikrogefüge und seine Eigenschaften erheblich verändern. Diese Umwandlungen sind für Wärmebehandlungsverfahren von grundlegender Bedeutung und haben großen Einfluss auf die endgültigen Eigenschaften des Stahls.
Bei Raumtemperatur liegt Kohlenstoffstahl normalerweise in einer Ferrit-Perlit-Struktur vor. Mit steigender Temperatur treten die folgenden Umwandlungen auf:
Das Verständnis dieser Umwandlungen ist entscheidend für die Optimierung von Wärmebehandlungsverfahren wie Glühen, Normalisieren, Abschrecken und Anlassen. Die Erwärmungsrate, die Spitzentemperatur und die Haltezeit spielen alle eine entscheidende Rolle bei der Steuerung der endgültigen Mikrostruktur und der Eigenschaften des Stahls.
Bei der modernen Wärmebehandlung werden häufig eine präzise Temperaturregelung und spezielle Geräte wie Induktionsheizungen oder Öfen mit kontrollierter Atmosphäre eingesetzt, um die gewünschten Umwandlungen zu erreichen und gleichzeitig schädliche Auswirkungen wie Entkohlung oder übermäßiges Kornwachstum zu minimieren.
Die C-Kurve, auch bekannt als Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm (TTT), ist ein wichtiges Werkzeug in der Metallurgie, das zur Analyse der Umwandlung der Mikrostruktur von Kohlenstoffstahl während der Abkühlung nach der Austenitisierung verwendet wird. Diese Kurve gibt wertvolle Einblicke in die Kinetik der Phasenumwandlungen und hilft Ingenieuren bei der Optimierung von Wärmebehandlungsprozessen, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Es gibt zwei Hauptmethoden für die Abkühlung von Stahl im Wärmebehandlungsprozess:
In der praktischen industriellen Produktion ist die kontinuierliche Kühlung aufgrund ihrer Einfachheit und Effizienz die am häufigsten angewandte Methode. Für eine umfassende Planung und Optimierung der Wärmebehandlung von Stahl ist es jedoch entscheidend, beide Umwandlungsprozesse zu verstehen.
Die C-Kurve ist ein grundlegendes Instrument für die Vorhersage der Gefügeentwicklung und die Gestaltung von Wärmebehandlungszyklen zur Erzielung bestimmter mechanischer Eigenschaften von Kohlenstoff- und niedrig legierten Stählen. Sie ermöglicht es Metallurgen und Ingenieuren, den Abkühlungsprozess so zu gestalten, dass die gewünschten Kombinationen von Festigkeit, Härte und Duktilität in Stahlbauteilen erreicht werden.
Isothermische Umwandlungskurve von unterkühltem Austenit in eutektoidem Stahl
Die Austenit eines eutektoiden Stahls wird auf eine Temperatur zwischen A1 und 550 °C abgekühlt, wobei durch den Prozess der isothermen Umwandlung eine Perlitstruktur entsteht. Diese Umwandlung von Austenit in Perlit ist das Ergebnis der abwechselnden Keimbildung und des Wachstums von Ferrit und Zementit, wie in Abbildung 3-7 dargestellt.
Erstens bildet sich der Kern der Zementitkristalle an der Korngrenze des Austenits.
Die Kohlenstoffgehalt von Zementit ist höher als der von Austenit, was zur Absorption von Kohlenstoffatomen aus dem umgebenden Austenit führt.
Dadurch verringert sich der Kohlenstoffgehalt des benachbarten Austenits, wodurch die Bedingungen für die Bildung von Ferrit geschaffen werden und dieser Teil des Austenits in Ferrit umgewandelt wird.
Die geringe Kohlenstofflöslichkeit von Ferrit bedeutet, dass überschüssiger Kohlenstoff beim Wachstum auf den angrenzenden Austenit übertragen werden muss, wodurch der Kohlenstoffgehalt des angrenzenden Austenitbereichs steigt und die Voraussetzungen für die Bildung von neuem Zementit geschaffen werden.
Durch diesen Prozess wird der Austenit schließlich vollständig in eine Perlitstruktur mit abwechselnden Schichten aus Ferrit und Zementit umgewandelt.
Die Bildung von Perlit setzt die Bewegung von Kohlenstoffatomen voraus, wobei der Abstand der Bewegung die Breite der Perlitlamellen bestimmt. Bei hohen Temperaturen ist die Bewegung der Kohlenstoffatome umfangreicher, was zu breiteren Perlitlamellen führt.
Umgekehrt haben die Kohlenstoffatome bei niedrigen Temperaturen Schwierigkeiten, sich zu bewegen, so dass die Perlitlamellen dichter sind. Das von 727°C auf 650°C umgewandelte Mikrogefüge ist Perlit.
Die Struktur, die durch die Umwandlung zwischen 650°C und 600°C entsteht, wird als Sorbit bezeichnet, der auch als Feinperlit bezeichnet wird. Die Umwandlung zwischen 600°C und 550°C führt zur Bildung von Troostit, der auch als sehr feiner Perlit bezeichnet wird.
Diese drei Arten von Perlitstrukturen unterscheiden sich nur durch ihre Lamellenabstände und weisen keine grundlegenden Unterschiede auf.
Die Produkte der isothermen Umwandlung von Austenit in eutektoiden Stählen gehören bei einer Unterkühlung auf einen Temperaturbereich von 550°C bis 240°C zur Bainitstruktur. Der obere Bainit bildet sich im oberen Teil dieses Temperaturbereichs, während der untere Bainit im unteren Teil entsteht. Der untere Bainit weist eine höhere Härte und Festigkeit sowie eine bessere Plastizität und Zähigkeit auf. Für den oberen Bainit gibt es jedoch keine praktischen Anwendungen.
Für Kohlenstoffatome im Austenit ist es sehr schwierig, sich unter 240 °C zu bewegen.
Austenit macht nur eine isomorphe Umwandlung durch, bei der er von einer kubisch-flächenzentrierten Struktur (y-Eisen) zu einer kubisch-körperzentrierten Struktur (α-Eisen) übergeht.
Alle Kohlenstoffatome im ursprünglichen Austenit verbleiben im kubisch-raumzentrierten Gitter, was zu einem übersättigten α-Eisen führt.
Diese übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen wird als Martensit bezeichnet.
Wenn der Austenit des eutektoiden Stahls auf 240°C (MS) abgekühlt wird, beginnt er sich in Martensit umzuwandeln.
Wenn die Temperatur weiter sinkt, nimmt der Anteil an Martensit zu, während der unterkühlte Austenit abnimmt.
Wenn die Temperatur -50 °C (MF) erreicht, hat sich der unterkühlte Austenit vollständig in Martensit umgewandelt.
Somit besteht das Gefüge zwischen MS und MF aus Martensit und Restaustenit.
Aufgrund von Schwankungen im Kohlenstoffgehalt gibt es zwei Formen von Martensit.
Martensit mit einem hohen Kohlenstoffgehalt nimmt eine nadelförmige Gestalt an, die als nadelartiger Martensit bezeichnet wird.
Martensit mit geringem Kohlenstoffgehalt ist dagegen plattenförmig und wird als plattenförmiger Martensit bezeichnet.
| Gewebe | Kohlenstoffgehalt (%) | Mechanische Eigenschaften | |||
| HRC | （Mpa） | ak J/cm2 | Ψ（%） | ||
| Kohlenstoffarm | 0.2 | 40~45 | 1500 | 60 | 20~30 |
| Hoher Kohlenstoffgehalt | 1.2 | 60~65 | 500 | 5 | 2~4 |
Tabelle 4-5 Vergleich der Eigenschaften von martensitischem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt 15MnVB und abgeschreckt und vergütet 40Cr-Stahl
| Stahlsorte | 15MnVB40Cr |
| Staat | Abschreck- und Anlaßzustand von Martensit mit niedrigem Kohlenstoffgehalt |
| HRC | 4338 |
| σo.2/MPa | 1133800 |
| σb/MPa | 13531000 |
| δ5（%） | 12.69 |
| φ(%) | 5145 |
| ak/Jcm-2 | 9560 |
| ak（-50℃）/J.cm-2 | 70≤40 |
Abb. 3-9 Abkühlungsumwandlungskurve von eutektoidem Stahl
a. Kühlung mit Ofen
Wenn sich die Abkühlungskurve mit der Startlinie für die Perlitumwandlung schneidet, beginnt die Umwandlung von Austenit in Perlit.
Sobald sich die Abkühlungskurve mit der Endlinie des Übergangs schneidet, ist die Transformation abgeschlossen.
Infolge der Umwandlung im Perlitbereich bildet sich eine Perlitstruktur.
b. Kühlung an der Luft
Infolge der schnellen Abkühlung findet die Umwandlung im Sorbitbereich statt, wobei Ferrit als Umwandlungsprodukt entsteht.
c. Ölkühlung
Die Abkühlungskurve schneidet sich nur mit der Anfangslinie der Perlitumwandlung (in der Troostitumwandlungszone), nicht aber mit der Endlinie.
Infolgedessen wird nur ein Teil des Austenits umgewandelt, was zur Bildung von Troostit als Umwandlungsprodukt führt. Der verbleibende Teil des Austenits verwandelt sich beim Abkühlen auf die MS-Linie in Martensit.
Schließlich, eine gemischte Struktur von Martensit und Troostit erhalten wird.
Dies bezieht sich auf das in Öl gekühlte Produkt.
d. Wasserkühlung.
Aufgrund der schnellen Abkühlung schneidet sich die Abkühlungskurve nicht mit der Startlinie für die Perlitumwandlung.
Bei Abkühlung unterhalb der Startlinie für die Martensitumwandlung wandelt sich Austenit in Martensit um.
Die Kurve der kontinuierlichen Abkühlung befindet sich rechts unterhalb der isothermen C-Kurve, mit einer niedrigeren P-Umwandlungstemperatur und einer längeren Dauer.
Eutektoide und übereutektoide Stähle haben eine Endlinie der P-Umwandlung, aber keine B-Umwandlung während der kontinuierlichen Abkühlung.
Bei untereutektoiden Stählen kann die Unterkühlung in einem bestimmten Temperaturbereich während der kontinuierlichen Abkühlung zu einer teilweisen Umwandlung in B führen.
Die Bestimmung der Umwandlungskurve bei kontinuierlicher Abkühlung ist schwierig, so dass diese Information bei vielen Stählen noch fehlt.
In der praktischen Wärmebehandlung wird der Umwandlungsprozess bei kontinuierlicher Abkühlung häufig anhand der C-Kurve abgeschätzt.
Vergleich der TTT-Kurve und der CCT-Kurve von eutektoiden Kohlenstoffstählen
TT-Kurve von untereutektoiden und übereutektoiden Stählen
(1) Konzept der Härtbarkeit
Die Härte von Stahl bezieht sich auf die Tiefe, bis zu der der Stahl beim Abschrecken gehärtet werden kann, was eine Eigenschaft des Stahls ist.
Während des Abschreckens variiert die Abkühlungsgeschwindigkeit an verschiedenen Abschnitten des Werkstücks.
Die Oberfläche kühlt am schnellsten ab und übertrifft die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit für die Bildung von Martensit. Infolgedessen ist eine martensitisches Gefüge wird nach dem Abschrecken gebildet.
Wenn die Abkühlungsrate in einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche unter die kritische Abkühlungsrate fällt, die für die Bildung von Martensit im Stahl erforderlich ist, wird das Werkstück nicht vollständig gehärtet, da nach dem Abschrecken eine nichtmartensitische Struktur vorhanden ist.
(2) Einfluss der Härtbarkeit auf die mechanischen Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von Stählen mit guter Härtbarkeit sind über den gesamten Querschnitt gleichmäßig, während sie bei Stählen mit schlechter Härtbarkeit über den Querschnitt variieren. Die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit, nehmen mit zunehmender Entfernung von der Mitte ab.
Abb. 5-53 Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Stählen mit unterschiedlicher Härtbarkeit nach einer Vergütungsbehandlung
a) Gehärtete Welle
b) Ungehärtete Welle
(3) Bestimmung und Ausprägung der Härtbarkeit
Es gibt mehrere Methoden zur Bestimmung der Härtbarkeit. Die am weitesten verbreitete Methode, die in GB225 spezifiziert ist, ist die Endabschreckungsprüfung für Baustahl. Bei dieser Prüfung wird die Dicke der härtbaren Schicht gemessen.
Ein weiteres, häufig verwendetes Maß für die Härtbarkeit ist der kritische Durchmesser. Dieser Wert gibt den maximalen Durchmesser des halbmartensitischen Gefüges (50%) an, der im Zentrum des Stahls nach dem Abschrecken in einem Kühlmedium erreicht werden kann. Er wird als Do bezeichnet.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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