Wärmebehandlung Kontrolliertes Bainitisieren trumpft in puncto Wirtschaftlichkeit auf

Autor / Redakteur: Heinrich Klümper-Westkamp und andere / Josef-Martin Kraus

Im Gegensatz zum martensitischen Härten punktet das Bainitisieren mit konträr erscheinenden Eigenschaften, wie hoher Härte und Zähigkeit. Mit der Entwicklung eines Sensors, der die isotherme Gefügeumwandlung automatisch erfasst, trumpft das Verfahren nun auch in puncto Wirtschaftlichkeit auf.

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Kennzeichnend für ein bainitisches Gefüge ist die Kombination konträr scheinender Werkstoffeigenschaften. Man unterscheidet zwischen oberem und unterem Bainit – je nach Temperatur, bei der die isotherme Gefügeumwandlung erfolgt ist. Bild: IWT
Kennzeichnend für ein bainitisches Gefüge ist die Kombination konträr scheinender Werkstoffeigenschaften. Man unterscheidet zwischen oberem und unterem Bainit – je nach Temperatur, bei der die isotherme Gefügeumwandlung erfolgt ist. Bild: IWT
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Bainitisieren hat als isotherm geführter Härtungsprozess enorm an Bedeutung gewonnen. Grund dafür sind die vorteilhaften Ergebnisse, wie hohe Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Härte und geringem Verzug. Solche Ergebnisse werden durch herkömmliches martensitisches Härten bei weitem nicht erreicht.

Bainitisieren wird wirtschaftlich

In vielen Anwendungen scheiterte das Bainitisieren jedoch an der Wirtschaftlichkeit aufgrund der langen Behandlungsdauer. Damit ist jetzt Schluss, wie ein Projekt der Stiftung „Institut für Werkstofftechnik“ an der Universität Bremen und des Instituts für Werkstoffkunde der Universität Hannover zeigt.

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Um den Härtungsverlauf beim Bainitisieren kontinuierlich erfassen und regulieren zu können, haben die Institute das Online-Messsystem Bainitsensor entwickelt (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Dieses System ermöglicht, das Bainitisieren punktgenau zu beenden.

Sensor erhöht Wirtschaftlichkeit und senkt Qualitätsschwankungen beim Bainitisieren

Somit entfallen die bisher üblichen enormen Zeitzuschläge, weil damit werkstoff- und umwandlungsbedingte Schwankungen sofort erkannt und entsprechend korrigiert werden. Der Einsatz des Sensors erhöht die Wirtschaftlichkeit des Bainitisierens erheblich und reduziert die Qualitätsschwankungen enorm.

Zudem ermöglicht er neue prozesssischere Verfahrensvarianten mit definiert eingestellten stabilisierten Restaustenitgehalten. Weitere Anwendungspotenziale liegen in der zwei- und mehrstufigen Bainitumwandlung, um eine hohe Prozesssicherheit bei hoher Energieeffizienz zu gewährleisten.

Bei der gezielten Veredlung hochwertiger Bauteile aus Werkstoffen wie Kugelgraphitguss oder Trip-Stählen spielt das Bainitisieren bereits eine zentrale Rolle. In diesem Anwendungsbereich wird der Sensor zur Qualitäts- und Wirtschaftlichkeitssteigerung beitragen.

Bainitisches Gefüge kann sehr unterschiedliche Eigenschaften abdecken

Kennzeichnend für ein bainitisches Gefüge ist, dass es sich in weiten Grenzen einstellen lässt. Somit kann es sehr unterschiedliche Eigenschaften abdecken.

Man unterscheidet zwischen oberem Bainit und unterem Bainit – je nachdem, bei welcher Temperatur die isotherme Umwandlung erfolgt ist. Außerdem ermöglicht das Bainitisieren, sehr gezielt Restaustenit als weicheren Gefügebestandteil zu vermeiden und für bestimmte Anwendungen definierte stabilisierte Restaustenitgehalte einzustellen [1 und 2].

Bainitisieren erlaubt gleichzeitige Einstellung von hoher Härte und Zähigkeit

Im Vergleich zum martensitischen Härten hat das Bainitisieren vor allem einen herausragenden Vorteil [3]: Es ermöglicht, gleichzeitig sehr hohe Härte und hohe Zähigkeit einzustellen.

Dieser Vorteil ist im Bild 2 am Beispiel des 100Cr6 dem martensitischen Härten gegenübergestellt. Bainitisch gehärtet erreicht man dabei zwar geringfügig niedrigere Härtewerte, jedoch wird die Zähigkeit – in Bild 2 im Kerbschlagversuch als Schlagarbeit erfasst – um mehr als 40% gesteigert.

Bainitisieren punktet mit niedrigem Verzug und hoher Maßstabilität

Weitere Vorteile des bainitischen Härtens sind ein niedriger Verzug, eine hohe Maßstabilität, ein erhöhter Widerstand gegen Risswachstum und die Möglichkeit zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Randschicht, um die Beanspruchbarkeit der Oberflächen zu erhöhen.

Bei nahezu allen technischen Kenngrößen hat das bainitische Härten Vorteile im Vergleich zum martensitischen Verfahren. Der entscheidende Nachteil des bainitischen Härtens ist jedoch die vergleichbar lange Haltezeit im Bainitbad.

Lange Dauer des Bainitisierens beeinträchtigt Wirtschaftlichkeit

Die Bainitumwandlung ist ein zeitintensiver Prozess. Die Prozessdauer hängt vom Werkstoffgefüge, von der Zusammensetzung der Legierung, von den Temperaturen der Austenitisierung sowie von der Bainitumwandlung ab. Daraus ergibt sich die Schwierigkeit, den Prozessablauf mit Anfang und Ende der Bainitisierung vorauszusagen [5, 6 und 7].

Aus diesem Grund wird vielfach mit hohen Zeitzuschlägen gearbeitet, um sicher eine vollständige Umwandlung zu gewährleisten. Dieser Aspekt verringert die Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und damit die Akzeptanz in der Praxis.

Ausscheidung feiner Nadelstrukturen kennzeichnet die Gefügeumwandlung

Die Bainitisieren läuft dreistufig ab: Erst erfolgt das Austenitisieren durch Erwärmen auf eine ausreichend hohe Temperatur. Dabei kommt es zu einer möglichst vollständigen Phasenumwandlung von Ferrit (krz-Gitter) in Austenit (kfz-Gitter).

Danach wird das Bauteil so schnell auf die Bainitisierungstemperatur gekühlt, dass kein Ferrit oder Perlit entsteht. Schließlich wird die Bainitisierungstemperatur konstant gehalten. Dabei erfolgt nach und nach die Umwandlung vom Austenit (kfz) zum Bainit (krz).

Im Gegensatz zu Perlit, der bei hoher Temperatur entsteht, wird Bainit als ein nichtlamellares, nichtkooperatives eutektoidisches Zweiphasen-Produkt beschrieben [8]. Die Gefügebilder im Bild 3 zeigen, wie mit Beginn der Umwandlung feine Nadelstrukturen ausgeschieden werden und mit zunehmender Behandlungsdauer immer mehr werden, bis schließlich dieser Prozess vollständig abgeschlossen ist [9 und 10].

Magnetisches Werkstoffverhalten ist Basis für das Messprinzip

Um die Bainitumwandlung kontinuierlich zu kontrollieren, wurde ein Messsystem entwickelt, das auf der Harmonischen-Analyse von Wirbelstromsignalen basiert [11 und 12]. Damit können die Veränderungen der magnetischen und elektrischen Werkstoffeigenschaften während des Umwandlungsprozesses automatisch erfasst werden. Aufgrund der großen Änderung des magnetischen Werkstoffverhaltens, die aus dem Übergang vom paramagnetischen Austenit zum ferromagnetischen Bainit resultiert, ist das Messsystem zur Erfassung der Bainitumwandlung qualifiziert.

Bild 4 zeigt am Beispiel zweier Werkstoffe den Umwandlungsverlauf, der vom entwickelten Wirbelstrom-Messsystem erfasst wird. Nach einer Inkubationsphase beginnt die Umwandlung langsam, um dann zu beschleunigen, bis rund 50% des Gefüges umgewandelt sind. Im weiteren Verlauf verzögert sich die Umwandlung wieder zunehmend, um dann schließlich langsam auszulaufen [5].

Sensor erasst elektrische und magnetische Eigenschaften der Probe beim Bainitisieren

Der Sensor besteht aus einer Erregerspule, die bei einer definierten Frequenz ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, mit dem das Werkstück beaufschlagt wird. Durch dieses Wechselfeld werden Ummagnetisierungsvorgänge und Wirbelströme im Prüfkörper generiert, die ein gegenläufiges Sekundärfeld erzeugen. Dieses sekundäre Magnetfeld wird von einer Messspule im Sensor erfasst (Bild 5). Auf diese Weise können Informationen über die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Probe gewonnen werden.

Das Messsignal wird mit Hilfe einer schnellen Fourier-Transformation hinsichtlich der harmonischen Signalanteile analysiert, wobei insbesondere die Höherharmonischen mit der Hysteresekurve im Zusammenhang stehen und Informationen über die ferromagnetischen Werkstoffeigenschaften liefern [13]. Zur Erfassung des Umwandlungsvorgangs im Bauteil wurden verschiedene Wirbelstromsensoren über ihre Bauform an die Bauteilgeometrie angepasst und im Bainitisierungsbad im Temperaturbereich von 200 bis 400 °C erprobt.

Sensor zum Bainitisieren umfassend geprüft

Mit dem Bainitsensor wurden umfangreiche Untersuchungen vorgenommen, um die Bainitumwandlung online an verschiedenen Stählen sowie bei unterschiedlichen Umwandlungs- und Austenitisierungstemperaturen zu überprüfen, zu qualifizieren und zu quantifizieren. Beispiele möglicher Bauteilanwendungen sind in Bild 6 illustriert [14 bis 17].

Mit dem Bainitsensor ergibt sich die Möglichkeit, den Bainitisierungsvorgang zu überwachen, den jeweils aktuellen Umwandlungsgrad zu erfassen und entsprechend wirtschaftlich den Bainitisierungsprozess zu beenden. Zusätzlich bietet der Bainitsensor die Möglichkeit, festzustellen ob die vorausgehende Austenitisierung ausreichend war.

Im Bild 7 wird illustriert, wie der Sensor eine unvollständige Austenitisierung erfasst. Nach 3 und 5 min Austenitisierungsdauer ist die Umwandlung noch nicht vollständig abgeschlossen.

Verbliebener Ferritanteil beim Bainitisieren wird von der Messung erfasst

Der verbliebene Ferritanteil wird zu Beginn der Bainitumwandlung durch einen Messwert der ersten Harmonischen größer null angezeigt. Ähnliche Messsignale erhält man, wenn die Abkühlung von der Austenitisierungstemperatur nicht schnell genug erfolgt und vor der Bainitumwandlung bereits Ferrit oder Perlit entsteht.

Der Sensor basiert auf dem Wirbelstromverfahren unter Anwendung der Harmonischen-Analyse. Die Amplitude der 1. Harmonischen ist vergleichbar mit Dilatometermessungen und liefert über eine Kalibrierung quantitative Aussagen über den aktuellen Bainitisierungsgrad. Änderungen der Stahlqualität und der Wärmebehandlungsabläufe beeinflussen die Umwandlungsdauer [18].

Prozess des Bainitisierens direkt mitverfolgen

Der Bainitsensor ermöglicht, den Bainitisierungsgrad online im Prozessablauf zu verfolgen. Das ist vor allem hinsichtlich Zeiteinsparung, Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz vorteilhaft. So kann mit Hilfe des Sensors die Gefügeumwandlung auch beim mehrstufigen Bainitisieren direkt verfolgt und über definierte Umwandlungsstufen im Prozessablauf gesteuert werden.

Potenzielle Anwendungen, bei denen eine bestimmte Phase wie der Restaustenitgehalt reproduzierbar eingestellt werden muss, sind mit dem Sensor prozesssicher umsetzbar. Der Bainitsensor ermöglicht einen direkten Einblick in den Umwandlungsprozess am aktuellen Bauteil und schafft damit Möglichkeiten zur Einbeziehung weiterer Werkstoffe und zur gezielten Einstellung von Mehrphasengefügen [13].

Das Forschungsvorhaben (AIF 14241N) wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert, wofür ausdrücklich gedankt wird. Der AWT-Fachausschuss 20 „Sensorik in der Wärmebehandlung“ hat die Projektdurchführung fachlich begleitet.

Literatur

  • [1] Bhadeshia, H. K.: Bainite in steels: transformations, microstructure and properties. 2nd Edition, London: IOM Commercial 2001.
  • [2] Vetters, H., und K. Bullerdiek: Umwandlungsgefüge des Wälzlagerstahls 100Cr 6. Sonderbände der Praktischen Metallographie 41/2002.
  • [3] Vetters, H.: Wälzelemente aus 100Cr6, bainitisch umwandeln oder martensitisch härten. HTM-Zeitung Werkstatt, Wärmebehandlung, Fertigung 6/2002, S. 403.
  • [4] Dong, J., und andere: Gefüge und mechanische Eigenschaften von Wälzlagerstählen nach verkürzten Wärmebehandlungen in der unteren Bainitstufe. HTM-Zeitung Werkstatt, Wärmebehandlung, Fertigung 3/2006, S. 128–135.
  • [5] Hunkel, M., und andere: Modellierung der bainitischen und perlitischen Umwandlung bei Stählen. Härterei Technische Mitteilung 54/1999, S. 365.
  • [6] Quidort, D., und Y. Brechet: The role of carbon on the kinetics of bainite transformation in steels. Scripta Materialia 3/2002, S. 151.
  • [7] Fang, H.-S., und andere:: The mechanism of bainite transformation in steels. Scripta Materialia 2002/3, S. 157.
  • [8] Aaronson, H.-I., und andere: A progress report on the definitions of bainite. Scripta Materialia 3/2002, S. 139.
  • [9] Vetterlein, J., und andere: Sensorkontrolliertes Bainitisieren – Prozesssteuerung und Qualitätssicherung in der Wärmebehandlung. Schlussbericht AIF-Vorhaben 14241, Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Bremen 2008.
  • [10] Klümper-Westkamp, H., und andere: Bainite sensor – a new tool for process and quality control of the bainite transformation. HTM-Zeitung Werkstatt, Wärmebehandlung, Fertigung 3/2008, S. 174–180.
  • [11] Reimche, W., und andere: Non Linear Harmonic Analysis for the Determination of Steel Properties. 7th Annual Research Symposium of the ASNT in Anaheim, California/USA, 23. bis 27 Mai 1998.
  • [12] Stegemann, D. und andere: Determination of Hardness and Hardness Penetration Depth of Metal Components by Non Linear Harmonics Analysis. 9th International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials, Sydney, 28. Juni bis 2. Juli 1999.
  • [13] Reimche, W., und andere: Sensortechnik zur diskreten Erfassung von Umwandlungsvorgängen beim Bainitisieren. Proceedings Werkstoffprüfung 2009. Bad Neuenahr: VDEH 2009.
  • [14] Zoch, H.-W.: Wärmebehandlungsverfahren in der Wälzlagerfertigung. Härterei-Technische Mitteilung 1992, S. 223.
  • [15] Sawley, K., und J. Kristan: Development of bainitic rail steels with potential resistance to rolling contact fatigue. FFEMS 10/2003, S. 1019.
  • [16] Kaiser, P.: Bainitisch vergütetes Kaltband für Stanz-, Biege- und Formteile. EFB-Colloquium, „Prozessoptimierung in der Blechverarbeitung“, 13. bis 14. März 2001, Fellbach b. Stuttgart.
  • [17] Ölund, P., und andere: Properties of bainite hardened SAE52100 steel. 18th Conference Heat Treating, Rosement/USA, 12. bis 15. Oktober 1998. ASM International Materials Park.
  • [18] Maier, H.-J., und U. Ahrens: Isothermal bainitic transformation in low alloy steels: factors limiting prediction of the resulting material’s properties. Metallkunde 7/2002, S. 712.

Dr.-Ing. Heinrich Klümper-Westkamp ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen. Prof. Dr.-Ing. Hans-Werner Zoch ist geschäftsführender Direktor des IWT. Dr.-Ing. Wilfried Reimche ist Bereichsleiter zerstörungsfreie Prüfverfahren am Institut für Werkstoffkunde der Universität Hannover. Prof. Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Bach leitet dieses Institut.

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