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Härtbarkeitsrechnung und Blindhärteversuch zur Qualitätsbeurteilung von Einsatz- und Vergütungsstählen. Die Härtbarkeit gilt als die wichtigste Kenngröße der Einsatz- und Vergütungsstähle....

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Die Härtbarkeit gilt als die wichtigste Kenngröße der Einsatz- und Vergütungsstähle. Charakteristisch dafür ist die Härte im Stirnabschreckversuch nach DIN EN ISO 642 [1]. Inzwischen gibt es jedoch EDV-gestützte Regressionsformeln, die eine sichere Berechnung der Jominy-Werte ermöglichen. Aus diesen Werten – in Abhängigkeit vom Stirnflächenabstand und damit von der Abkühlgeschwindigkeit – lässt sich die Härte an einer beliebigen Stelle im Bauteil ableiten. Für kleinere und mittlere Bauteile wird dabei die Härte bei etwa 11 mm Stirnflächenabstand als Maß genommen.Die Härtbarkeit wird im Wesentlichen durch die vorliegende chemische Zusammensetzung bestimmt. Die Martensithärte und damit die Härte bei 1,5 mm Stirnflächenabstand hängt ausschließlich vom Kohlenstoffgehalt ab. Der weitere Verlauf der Stirnabschreckhärte wird von den Gehalten an Kohlenstoff, Molybdän, Mangan, Chrom sowie Nickel und deren Wirkung auf die Bainit- und Ferrit-Perlit-Umwandlung festgelegt, wobei die härtbarkeitssteigernde Wirkung in dieser Reihenfolge abnimmt. Weil sich der Gehalt an Kohlenstoff aus Zähigkeitsgründen nicht beliebig steigern lässt, wird die Härtbarkeit in den meisten Fällen über die Legierungselemente Mangan oder Chrom eingestellt. Bild 1 zeigt exemplarisch die Härtbarkeitsstreubänder einiger gängiger Einsatzstähle gemäß der DIN EN 10084 [2]. Es ist erkennbar, dass die Normung recht breite Härtbarkeitsstreubänder zulässt.Die Einstellung der Härtbarkeit hat in den Stahlwerken eine lange Historie. In enger Zusammenarbeit zwischen den Stahlanwendern und der stahlerzeugenden Industrie wurde für fast alle Edelbaustahlgüten die zu erreichende Härtbarkeit durch Jominy-Streubänder in Normen festgeschrieben. Unter der Härtbarkeit wird das Ansprechen eines Stahles auf das Härten verstanden, wobei diese Kenngröße die Abhängigkeit der Härteannahme von den Austenitisierungs- und Abschreckbedingungen beschreibt. Die Härtbarkeit der Einsatzstähle ist unmittelbar mit dem Umwandlungsverhalten gekoppelt. Das heißt: Je weiter das ZTU-Schaubild in Richtung längerer Zeiten verschoben wird, desto höher ist die Härtbarkeit. Dies lässt sich anhand der kritischen Abkühlgeschwindigkeit zur vollständigen Martensitumwandlung qualitativ erfassen.Eine gezielt eingestellte chemische Zusammensetzung innerhalb gegebener Analysetoleranzen eines Einsatzstahls oder eine moderate Modifizierung können eine Verschiebung des Ferrit/Perlit und des Bainits sowie Martensits bewirken. Ferner besteht die Möglichkeit durch Erhöhung der Härtetemperatur Einfluss auf die Härtbarkeit zu nehmen. Im Grunde ist aber davon auszugehen, dass die maximale Härtbarkeit bei Einsatzstählen bei den derzeit üblichen Aufkohlungstemperaturen von 930 °C erreicht wird. Bei niedrigeren Temperaturen kann die Härtbarkeit negativ beeinflusst werden, weil beispielsweise Spurenelemente wie Vanadium dann nur teilweise im Austenit gelöst sind. Veränderung der Härtbarkeit kann viele Gründe habenZusätzlich zum Einfluss klassischer Legierungselemente wirken auch teilweise Mikrolegierungs- und Begleitelemente auf die Härtbarkeit ein. So können Mikrolegierungselemente und geringe Massenanteile unbeabsichtigter Begleitelemente im Einsatzstahl zu einer Veränderung (Steigerung, Streuung) in der Härtbarkeit führen. Einen ebenso nicht unerheblichen Einfluss auf die Härtbarkeit von Einsatzstählen nimmt die jeweils vorliegende Austenitkorngröße ein. Im weitesten Sinne wird diese über die chemische Zusammensetzung durch den Aluminium- und Stickstoffgehalt beeinflusst. Dabei hat sich herauskristallisiert, dass eine ausreichende Sicherheit für die herkömmlichen Aufkohlungstemperaturen bei einem Aluminium-Stickstoff-Verhältnis von maximal 4,0 besteht.Bei der Betrachtung der Stirnabschreckkurven eines Feinkorn- und Grobkornstahles zeigt sich, dass die Einhärtung des Grobkornstahles deutlich höher ist als die des Feinkornstahls. Das hängt damit zusammen, dass ein feineres Gefüge die Phasenumwandlung zu kürzeren Zeiten verschiebt. Anzumerken ist noch, dass bei feinkörnigen Schmelzen eine niedrigere Streuung der Härtewerte festzustellen ist. Diese Gleichmäßigkeit wird auf eine einheitlichere Korngrößenverteilung zurückgeführt [3].Wichtig für die Bewertung einer Schmelze ist, dass die Härtbarkeit möglichst so gekennzeichnet wird, dass die Zufälligkeiten einer Stichprobe vermieden werden. Dazu ist das Berechnen der Härtbarkeit von hohem Nutzen. Aus diesem Grund hat sich unter der Führung des Stahlinstituts VDEh in Düsseldorf der Arbeitskreis „Errechnung der Härtbarkeit im Stirnabschreckversuch“ gebildet, der sich aus Stahlunternehmen und Instituten zusammensetzt. Die multiple lineare Regression zeigte beim Vergleich der unterschiedlichen Ansätze die besten Ergebnisse.Bild 2 zeigt den Vergleich der gerechneten Härtbarkeit mit den gemessenen Werten im Stirnabschreckversuch. Beide Jominy-Kurven sind nahezu identisch. Daraus wuchs die Motivation, dieses Verfahren zur Erstellung von Gemeinschaftsformeln zur Berechnung der Stirnabschreckhärte-Verlaufskurve bei den wichtigsten Stahlsorten zu nutzen. Die Rahmenbedingungen für diese Berechnungen wurden vor etwa zehn Jahren im SEP 1664 [4] festgeschrieben und unterliegen seitdem einer ständigen Aktualisierung. Mittlerweilse stehen für die gängigsten Einsatz- und Vergütungsstähle Formelsätze zur Berechnung der Härtbarkeit zur Verfügung. Diese Vorgehensweise gestattet es, schon während des Stahlerschmelzprozesses die Härtbarkeit zu überwachen und gegebenenfalls legierungstechnisch gegenzusteuern. Dadurch wurde auch das gezielte Erschmelzen von Einsatzstählen mit optimierten oder für die Weiterbearbeitung besonders geeigneten Härtbarkeitsstreubändern möglich. Das eröffnet die Chance, im Dialog zwischen Stahlhersteller und Weiterbearbeiter beispielsweise eine bauteilbezogene Einengung des Härtbarkeitsstreubands zur Minimierung oder Vergleichmäßigung der Maß- und Formänderung nach dem Einsatzhärten vorzunehmen.Ein Beispiel für die positiven Effekte einer höheren Härtbarkeit ist in Bild 3 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Bohrung von Zahnrädern aus dem Werkstoff ZF7B (entspricht dem Stahl 20MnCrB5) im Vergleich zu Zahnrädern aus ZF7 (20MnCr5) nicht „aufgehen“. Zusätzlich erscheint bei diesem Werkstoffvergleich der Bereich höherer Härtbarkeit günstiger, weil das stärkere Schrumpfverhalten reproduzierbarere Ergebnisse bietet [5].Feinkornbeständigkeit sichert BearbeitungsqualitätAußerdem führt die Berechnung der Härtbarkeit zur Eliminierung möglicher Imponderabilien wie Probeentnahme und Herstellung, Vorbehandlungszustände sowie des Prüflabors. Exemplarisch zeigt Bild 4 den Einfluss verschiedener Vorwärmebehandlungszustände auf die Härtbarkeit von Einsatzstählen. Es wird deutlich, dass die Härtbarkeit der Wärmebehandlungszustände „BG-geglüht“ und „vergütet“ ] sie stellen in der Regel auch die Auslieferungszustände der Einsatzstähle dar ] im Vergleich zum normalisierten Zustand höher sind [6]. Der normalisierte Zustand ist allerdings der Referenzzustand für den Stirnabschreckversuch [6].Zusätzlich zur Härtbarkeit soll mit der Feinkornbeständigkeit eine weitere wesentliche Eigenschaft von Einsatz- und Vergütungsstählen näher betrachtet werden. In der Regel erfolgt bei den meisten Edelbaustählen nach einer mechanischen Bearbeitung eine weitere Wärmebehandlung bei den Stahlanwendern. Aus diesem Grund muss sichergestellt sein, dass die chemische Zusammensetzung und das Gefüge vom Stahlhersteller hinsichtlich der Weiterbearbeitung die erforderliche Feinkornbeständigkeit hat. Dies erfolgt heute in der Regel durch Einstellung eines bestimmten Aluminium-Stickstoff-Verhältnisses. Dadurch ist bei heutigen Aufkohlungsprozessen ] bei Standardtemperaturen und -zeitintervallen ] die Feinkornbeständigkeit ausreichend [7].Hinsichtlich der geforderten Gebrauchseigenschaften sollte bei Einsatz- und Vergütungsstählen Mischkorn oder Grobkorn im Gefüge vermieden werden. Ein solches Gefüge kann beispielsweise durch schlechte mechanische Eigenschaften als Resultat der Blindhärteerprobung nachgewiesen werden. Bei bestimmten Bauteilen im Bereich Industriegetriebe sind teilweise große Einsatzhärtungstiefen und somit lange Prozesszeiten in der Wärmebehandlung notwendig. Daher kommt der Feinkornbeständigkeit auch bei Haltezeiten über 50 h und normalen Aufkohlungstemperaturen bis 950 °C eine große Bedeutung zu.In Kornwachstumsversuchen wurde an schweren Stabstahlabmessungen (rund 1000 mm Durchmesser, Stahl 18CrNiMo7-6) nachgewiesen, dass nach einer 60-stündigen Wärmebehandlung bei 950 °C eine mittlere Austenitkorngröße von 7,5 vorliegt (Bild 5). Bei Betrachtung der Austenitkorngrößenverteilung zeigt sich, dass bei rund 87% aller Körner die Korngrößenkennzahl mindestens 6 beträgt. Somit ist klar, dass man auch nach langer Wärmebehandlung ein sehr gutes Gefüge und eine entsprechende Feinkornbeständigkeit erwarten kann. Dies setzt aber ein entsprechendes Ausgangsgefüge voraus, das sich durch eine abgestimmte Schmiede- und Wärmebehandlungstechnik erzeugen lässt. Aufgrund der zu erwartenden Gefügezustände sind auch die geforderten mechanischen Eigenschaften sicher generierbar. Auch wurde nachgewiesen, dass die mechanischen Gütewerte nach der Simulation eines 60-stündigen Einsatzhärtungsprozesses fast identisch mit den Resultaten des Blindhärteversuches aus der Chargenerprobung sind.Insbesondere im Großgetriebebau ] zum Beispiel bei Schiffsantrieben und Antrieben für Windkraftanlagen ] ist eine hohe Prozesssicherheit in der Wärmebehandlung aufgrund der geforderten mechanischen Eigenschaften notwendig. Aus diesem Grund werden im Großgetriebebau in der Regel die mechanischen Eigenschaften an Durchlaufproben überprüft und mit den Blindhärteergebnissen der Werkserprobungen verglichen. Die Tabelle zeigt diesen Vergleich für verschiedene Chargen des Werkstoffs 18CrNiMo7-6. Es zeigt sich, dass die Werte des Blindhärteversuchs fast mit den Werten, die aus den Durchlaufproben ] nach zum Teil 60-stündigen Aufkohlungsprozessen ] ermittelt wurden, identisch sind.Aufgrund der Hochleistungsabschrecköle im Großgetriebebau liegt dabei das Festigkeitsniveau etwas höher. Dennoch bleiben die Zähigkeitswerte auf einem beachtlichen Niveau. Bei einer entsprechenden, auf den nachfolgenden Wärmebehandlungsprozess abgestimmten Verlängerung der Haltezeiten bei den Blindhärteversuchen im Rahmen der Werkserprobungen beim Stahlhersteller könnte ] unter Berücksichtung der vorliegenden Resultate ] auf eine weitere Erprobung beim Stahlanwender verzichtet und so frühzeitig eine Beurteilung über die Stahlqualität getroffen werden.Literatur[1] DIN EN ISO 642, Ausgabe 01: Stahl-Stirnabschreckversuch (Jominy-Versuch) 2000.[2] DIN EN 10084, Ausgabe 06: Einsatzstähle 1998.[3] Randak, A., und R. Eberbach: Einfluss der Austenit-Korngröße auf einige Eigenschaften des Stahles 16MnCr5. HTM Härterei ] Technische Mitteilungen 1969/3, S. 201]209.[4] Stahl-Eisen-Prüfblatt SEP 1664: Ermittlung von Formeln durch multiple Regression zur Berechnung der Härtbarkeit im Stirnabschreckversuch aus der chemischen Zusammensetzung 1996.[5] Mallener, H.: Maß- und Formänderung beim Einsatzhärten. HTM Härterei ] Technische Mitteilungen. 1990/1, S. 66]72.[6] Hippenstiel, F., und R. Caspari: Metallurgische und fertigungstechnische Maßnahmen zur Steigerung der Härtbarkeit von Einsatzstählen. HTM Härterei ] Technische Mitteilungen. 2005/1, S. 28]32.[7] Dressel, P., und andere: Der Einfluss der Bedingungen beim Walzen und Wärmebehandeln von Stabstahl auf das Austenitkornwachstum von Einsatzstählen. Stahl und Eisen 1986/24, S. 1354]1362.