Wärmebehandlung

Carbonitrieren verbessert Eigenschaften von Zahnrädern

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Einsatzhärtungstiefe steigt durch Carbonitrieren

Im Vergleich zu Werkstücken, die bei gleichem Temperaturverlauf einsatzgehärtet wurden, haben carbonitrierte Teile aufgrund der gestiegenen Härtbarkeit eine höhere Einsatzhärtungstiefe [3]. Austenit, der durch das Carbonitrieren stabilisiert wird, ist im Vergleich zu Martensit relativ weich. Aus diesem Grund verringert sich die integrale Härte bei steigendem Restaustenitgehalt.

Bild 1: Einfluss des Kohlenstoffgehalts auf die Aufhärtung am Beispiel des Stahls 18CrNi8 [4]. (Archiv: Vogel Business Media)

Schreckt man Stähle mit über 0,6% Kohlenstoffgehalt direkt von Aufkohlungs- auf Raumtemperatur ab, verbleibt aufgrund der ansteigenden Martensit-Finish-Temperatur ein entsprechender Restaustenitanteil im Gefüge erhalten. In [4] wird gezeigt, wie sich die verschiedenen Härteverfahren auf die Härte auswirken (Bild 1).

Austenit nach Abschrecken unter Zugspannung, Martensit unter Druckspannung

Aufgrund des Volumenunterschieds zwischen Martensit und Austenit steht der Restaustenit nach dem Abschrecken unter Zugspannung, der Martensit unter Druckspannung. Die Eigenspannungen in der Randschicht einsatzgehärteter und carbonitrierter Stähle sind daher maßgeblich vom Anteil und der Verteilung des entstandenen Martensits abhängig.

In [5] wird in einer Gegenüberstellung von Simulation und Messergebnissen an einsatzgehärteten Proben unterschiedlicher Aufkohlungstiefe gezeigt, dass der Übergang der Randeigenspannungen in den Zugbereich hauptsächlich vom zunehmenden Restaustenitanteil in der Oberfläche verursacht wird.

Restaustenitgehalt verzögert Rissausbreitung

Bild 2: Anrisslebensdauer in Abhängigkeit von der Oberflächeneigenspannung in der Kerbe, Belastung 11 kN, Kriterium für die Rissinitiierung: Risslänge in der Kerbe 5 µm [6]. (Archiv: Vogel Business Media)

Die Rissinitiierung und frühe Rissausbreitung in der Oberfläche einsatzgehärteter Stähle wird maßgeblich durch die lokale Festigkeit und den Eigenspannungszustand beeinflusst. Restaustenit hat eine niedrigere Härte als Martensit und reduziert die Druckeigenspannungen in der Randschicht. Ein steigender Restaustenitanteil in der Randschicht lässt deshalb eine Reduzierung der Dauerfestigkeit einsatzgehärteter Stähle erwarten. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen kommt man in [6] zu einem direkten Zusammenhang zwischen der Anrisslebensdauer und den Oberflächeneigenspannungen (Bild 2). Bei diesen Untersuchungen wurden keine Unterschiede zwischen aufgekohlten und carbonitrierten Proben gefunden. Die Rissausbreitung wurde nach [6] durch Carbide beschleunigt und durch den im Gefüge enthaltenen Restaustenit verzögert.

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