[0:01]Die Wärmebehandlung der Stähle. Erstellen und Anwenden von ZTU-Schaubildern. Ein Wissensfloter der Hochschule Karlsruhe mit Animationen und Hörtexten.
[0:16]Im Wissensfloter vom Eisen Kohlenstoff Zustandsdiagramm zum Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild wurde dargestellt, wie sich bei Kohlenstoffstahl die Abkühlgeschwindigkeit auf die Umwandlungsvorgänge auswirkt. Und dass man diese Zusammenhänge zweckmäßig in einem Diagramm, dem ZTU-Schaubild beschreiben kann. Hier geht es um das Erstellen von ZTU-Schaubildern und deren Anwendung in der Praxis der Härtetechnik. Einzelheiten sind der hauptsächliche Einfluss von Kohlenstoff und von Legierungselementen, die Art der Wärmeabführung, ob kontinuierlich, z.B. in Wasser oder Öl, oder ob isotherm, früher im Salz oder Bleibädern. Am Beginn der Entwicklung eines ZTU-Schaubildes hier beispielhaft dargestellt für einen Stahl mit etwa 0,4 % Kohlenstoff, steht die Austenitisierungstemperatur, von der aus die Abkühlung beginnt. Es bildet sich bei langsamer Abkühlung, hier sind mehrere Minuten vorgesehen, zunächst der Ferrit an der A3 Linie, und später erfolgen an der A1 Linie Beginn und Ende der Perlitbildung. Wird schneller abgekühlt, verschiebt sich der Beginn der Ferritbildung zu tieferen Temperaturen, und statt Perlit bildet sich die Zwischenstufe Bainit. Bei noch schnellerer Abkühlung, z.B. beim Abschrecken innerhalb von fünf Sekunden, bilden sich weder Ferrit noch Perlit, aber auch nicht mehr Bainit, sondern direkt Martensit, das Härtergefüge des Stahls. Hier sind, speziell für den Stahl mit etwa 0,4 % Kohle, aus dem Eisen Kohlenstoff Zustandsdiagramm die A3 und die A1 Linie eingetragen. Bitte beachten Sie den logarithmischen Maßstab der Zeitachse mit 1, 10, 100, 1000 und 10000 Sekunden Abkühlzeit. Nun werden zu den jeweiligen Größenordnungen der Abkühlzeiten einzelne mögliche Abkühlkurven eingetragen.
[2:41]Mit der langsamsten Abkühlung beginnend, markieren die Punkte Beginn und Ende der Umwandlungen in die einzelnen Phasen bzw. Gefüge.
[3:46]Hier nun reale ZTU-Schaubilder für drei unterschiedliche Vergütungsstähle und zwar jeweils für kontinuierliches Abkühlen. Zunächst der Kohlenstoffstahl C35E, bei dem der Kohlenstoffgehalt das Umwandlungsverhalten bestimmt als Beispiel. Die Umwandlung in weniger als 10 Sekunden entlang der roten Linie erfolgt in 1 % Ferrit, 5 % Perlit und 2 % Bainit, so die eingetragenen Zahlen. Der Rest ist Martensit, hier über 90 %. Dieser Stahl ist für kleine Werkstücke geeignet, bei denen bei Wasserabschreckung überwiegend Martensit erwünscht ist, und die Umwandlung in kurzer Zeit bis in den Kern hinein erfolgen soll. In der unteren Leiste sind die jeweils erzielten Härtewerte gemessen als HV10 eingetragen. Sie reichen von 650 bis 290. Das entspricht Festigkeiten von ungefähr 2000, also glashart und spröde, bis etwa 1000 Newton pro Quadratmillimeter. Im Bereich längerer Abkühlzeiten und damit der Umwandlung nur in Ferrit und Perlit, liegen die Härte- und Festigkeitswerte erheblich niedriger und der Stahl bleibt weich. Es stellt sich dabei das normale Gefüge dieses Stahls ein.
[5:14]Beim zweiten Diagramm, für den niedrig legierten Stahl 34CrMo4 mit 0,30 bis 0,37 Kohle, 1 % Chrom und etwa 0,2 % Molybdän, zeigen sich deutlich Sinn und Zweck des Legierens und damit der Stahlforschung auf diesem Gebiet. Hier sind die Umwandlungen zu höheren Zeiten verschoben. 10 bis 100 Sekunden Zeit darf die Abkühlung in Anspruch nehmen, um die erwünschte Zwischenstufe Bainit und Martensit zu erhalten. Ein Ölbad statt Wasser reicht oft aus. Beim Stahl 50CrMo4 mit 0,5 % Kohlenstoff, 1 % Chrom und Molybdän Zusatz sind die Zeiten noch weiter in den langsamen Bereich verschoben. 100 bis weit über 1000 Sekunden kann die Umwandlung dauern, um bis in den Kern hinein Zwischenstufe und Martensit zu erzeugen. Solche Stähle sind speziell für größere Werkstücke entwickelt worden.
[6:23]Ein etwas anderer Typ des ZTU-Schaubilds ist das sogenannte isotherme ZTU-Schaubild, bei dem das Abkühlen mit Unterbrechung erfolgt. Dabei werden die Teile zunächst in einem beheizten Salz- oder Bleibad bis kurz über die Martensitlinie MS abgekühlt und dann zunächst bei gleicher Temperatur isotherm gehalten. Wenn die Umwandlung in der Zwischenstufe erfolgt ist, wird weiter abgekühlt. So erreicht man sicher die Umwandlung in Bainit. Allerdings ist diese Technologie wegen der hohen Arbeitsplatz- und Umweltbelastung durch die teilweise giftigen Bäder in den letzten Jahren stark zurückgedrängt worden. Bleibt noch darauf hinzuweisen, dass die Werkstoffoptimierung unter Einbeziehung der Zwischenstufe zwar oft auch "Vergüten" genannt wird, sie ist aber hinsichtlich der Gefügeausbildung nicht identisch mit dem eigentlichen Vergüten durch Martensit-Härtung und anschließenden Anlassen. Bezüglich der Steigerung von Härte und Festigkeit werden jedoch ähnliche Ergebnisse erzielt. ZTU-Schaubilder werden auch zur Beurteilung viele anderer Glüh-, Härte- und Wärmebehandlungsprozesse herangezogen. Dieser Wissens-Floater wurde erstellt von der Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft und der Universität Wuppertal. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Helmut Richter, Prof. Dr.-Ing. Rainer Schwab. Sprecher: Christian Vogt. Weitere Informationen: (0721) 925-1902.
