Seminaraufgaben - Versuchsprotokoll - Härten von Stahl PDF

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Versuchsprotokoll - Härten von Stahl...

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Praktikum für Maschinenbauer Lehrstuhl Werkstoffkunde und Technologie der Metalle

Härten von Stahl

Versuchsprotokoll 10. Mai 2010 Gruppe 6

Abgegeben von: Andreas Jakubka Christian Lindner Christian Rösch Mareike Weber Yvonne Krauter Andreas Welder Robert Morlok

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Inhaltsverzeichnis Einleitung ..................................................................................................................................... 3 Theoretische Grundlagen.............................................................................................................. 3 Normalglühen ..................................................................................................................................... 3 Härten ................................................................................................................................................. 3 Vergüten.............................................................................................................................................. 4 Härtemessung nach Vickers ................................................................................................................ 4 Probenvorbereitung und Versuchsdurchführung ........................................................................... 4 Versuchsauswertung und Diskussion ............................................................................................ 5 C45 normalgeglüht.............................................................................................................................. 5 C15 normalgeglüht.............................................................................................................................. 6 C15 gehärtet........................................................................................................................................ 6 C45 gehärtet........................................................................................................................................ 7 C45 vergütet........................................................................................................................................ 7 Zusammenfassung:....................................................................................................................... 8 Anhang: ....................................................................................................................................... 9

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Einleitung Die Industrie bedient sich heutzutage eines immensen Spektrums alter und neuer Werkstoffe. Moderne Produkte erfordern neue, innovative Materialien um den hohen Ansprüchen gerecht zu werden, welche an sie gestellt werden. Trotzdem zählt ein Jahrtausende alter Werkstoff immer noch zu den weltweit Wichtigsten: Stahl. Auf Grund seiner hohen Festigkeit, guten Schweißeignung und Verformbarkeit und im Vergleich zu anderen Metallen einfacher Herstellung bietet er viele Vorteile gegenüber anderen Werkstoffen. Ein weiterer Vorteil ist die vergleichsweise einfache Einstellung seiner mechanischen Eigenschaften. Somit ist beispielsweise eine Verarbeitung in einem weichen Zustand möglich bevor das Werkstück vor seinem Einsatz auf die nötige Härte gebracht wird um der speziellen Beanspruchung stand zu halten. Hierbei spielt die Wärmebehandlung eine herausragende Rolle. Im Folgenden sollen einige der gebräuchlichsten Wärmebehandlungen von Stahl erläutert und die Veränderung der Härte durch die jeweiligen Prozesse untersucht werden.

Theoretische Grundlagen Normalglühen Um die erhaltenen Härtemessungen nachvollziehen zu können, ist eine Betrachtung der theoretischen Hintergründe wichtig. Beim Normalglühen wird der Stahl auf eine Temperatur von 20 K bis 50 K oberhalb der A 3 -Linie erwärmt. Bei dieser Temperatur liegt ein austenitisches Gefüge vor. Anschließend wird der Werkstoff an ruhender Atmosphäre abgekühlt. Am ZTU-Diagramm ist ersichtlich, dass sich bei langsamer Abkühlung ein Gefüge aus Ferrit und Perlit bildet. Je niedriger die Abkühlgeschwindigkeit und die Kohlenstoffkonzentration, desto höher der Ferrit-Anteil. Durch die wiederholten Wechsel zwischen α – und γ- Kristallstruktur entsteht ein feines, gleichmäßiges Gefüge. So können z.B. grobkörnige Gussstrukturen oder stark zeilige Ferrit-Perlit-Gefüge im Ausgangsgefüge beseitigt werden.

Härten Im Vergleich zum Normalglühen besteht das Härten sowohl aus einem Glühvorgang, wie aber auch einem Abschreckvorgang. Das Glühen findet bei ähnlichen Temperaturen wie das Normalglühen statt, mit dem Ziel ein komplett-austenitisches Gefüge einzustellen. Dieses Erwärmen wird deshalb auch als Austenitisierung bezeichnet. Nachdem in dem Werkstoff nur noch kubisch-flächenzentrierte Austenitkristalle vorhanden sind, wird das Werkstück abgeschreckt. Das bedeutet, es wird schneller abgekühlt als an ruhender Luft. Ziel des Abschreckens ist es, die Diffusion innerhalb des Werkstückes weitestgehend zu unterbinden. Mit sinkender Temperatur steigt der thermodynamische Trieb Austenit in Perlit und Ferrit umzuwandeln. Für diesen Vorgang ist aber die Diffusion der Atome notwendig. Liegt die Abkühlgeschwindigkeit jedoch unterhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit des Werkstoffes ist eine Diffusion nicht möglich und das kubisch-flächenzentrierte Austenitgitter klappt trotz des gelösten Kohlenstoffs in ein kubisch-raumzentriertes Ferritgitter um. Der in dem tetragonalen Gitter gefangene Kohlenstoff verspannt das Gitter, was zu einem hohen Widerstand für Versetzungsbewegungen und somit einer hohen Härte führt. Diese entstandene Struktur wird Martensit genannt.

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Der Zusammenhang zwischen der Abkühlgeschwindigkeit und dem entstandenen Gefügen sieht man deutlich in den ZTU-Diagrammen. Je schneller die Abkühlung, desto mehr Martensit liegt vor und desto weniger Zwischenstufengefüge, Perlit oder Ferrit.

Vergüten Nach einer erfolgreichen martensitischen Härtung ist das Werkstück sehr hart aber auch spröde. Um nun die benötigte Kombination aus Härte und Duktilität für die Anwendung einzustellen ist eine erneute Wärmebehandlung, das Anlassen nötig. Die Kombination aus Härten und Anlassen wird als Vergüten bezeichnet. Beim Anlassen wird das Werkstück auf eine Temperatur unterhalb von A 1 erwärmt, eine gewisse Zeit auf dieser gehalten und anschließend abgekühlt. Die Temperaturerhöhung erlaubt dem Martensitgefüge durch Ermöglichung von Diffusionsvorgängen den Übergang in ein ferritisches Gefüge mit feinen Karbidausscheidungen. Durch Abbau des zähen Martensits steigt die Duktilität, was aber auch eine Abnahme der Härte zufolge hat. Somit muss also der optimale Kompromiss gefunden werden, der der Beanspruchung des Bauteils standhält.

Härtemessung nach Vickers Da die Härte eine wichtige Eigenschaft eines Werkstoffes darstellt, ist es häufig nötig diesen auch quantitativ festzustellen. Ein gängiges Verfahren zur Härtebestimmung ist die Härtemessung nach Vickers. Dabei wird untersucht, wie tief ein Prüfkörper unter einer festgelegten Last und Einwirkdauer in den zu prüfenden Werkstoff eindringt. Je härter das Material ist, desto größer ist auch der Widerstand gegenüber dem Prüfkörper. Im Falle der Vicker’schen Härtemessung ist der Prüfkörper eine vierseitige Diamantpyramide mit einem Öffnungswinkel von 136°. Nachdem der Prüfkörper in die Probe eingedrückt wird, wird der hinterlassene Abdruck vermessen und anhand einer Tabelle die entsprechende Härte abgelesen. Da die Abmessung des Eindrucks hauptsächlich von der Prüflast abhängt, ist es wichtig diese bei der Härteangabe mit anzugeben.

Probenvorbereitung und Versuchsdurchführung Zur Versuchsvorbereitung wurden zwei flache, zylinderförmige C15-Proben und drei C45-Proben in einem 800°C heißen Ofen 10 Minuten lang geglüht. Anschließend wurden eine C15- und eine C45Probe an ruhender Luft abgekühlt. Eine C15- und zwei C45-Proben wurden in kaltem Wasser abgeschreckt. Hierbei war zu beachten, dass der Probekörper im Wasserbad bewegt wird, da sich sonst eine isolierende Wasserdampfschicht um den Körper bildet, was eine rasche Abkühlung verhindert. Eine der beiden Proben von C45 wird nach dem Abschrecken noch vergütet, d.h. sie wird noch eine Stunde bei 350° angelassen und an Luft abgekühlt. Nachdem alle Proben in Technovit eingebettet waren, wurden sie auf einer Seite mit Schleifpapier immer feinerer Körnung (220, 500, 800, 1200) geschliffen und anschließend mit Hilfe von Diamantsuspension und Lubrikant grün auf 3µm poliert, bis keine Schleifspuren mehr zu erkennen waren. Darauf hin wurde die Härte nach Vickers mit einer Kraft von 10 Kilopond und einer Einwirkzeit von 10 Sekunden gemessen. An jeder Probe wurden drei Eindrücke gemacht: einer am Rand, einer bei halbem Radius und einer im Mittelpunkt der Probe. Der Mittelwert der Diagonalen wurde ermittelt und die zugehörigen Werte aus dem Tabellenwerk abgelesen und notiert.

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Um die Gefügestrukturen einsehen zu können, wurden die Proben in 2% alkoholischer HNO 3-Säure geätzt und unter dem Lichtmikroskop betrachtet. Dies ermöglichte es, die verschiedenen Proben nun anhand ihrer Gefügestruktur der richtigen Stahlsorte und der zugehörigen Wärmebehandlung zuzuordnen.

Versuchsauswertung und Diskussion C45 normalgeglüht Detailierte Messwerte (siehe Tabelle 1) sowie Gefügeskizzen der Betrachtung am Lichtmikroskop sind im Anhang zu finden. Für die Diskussion soll an dieser Stelle ein Diagramm ausreichen. 900.0 800.0

Härte in HV 10

700.0 600.0 C15 gehärtet

500.0

C15 normalgeglüht

400.0

C45 gehärtet

300.0

C45 normal

200.0

C45 vergütet

100.0 0.0 randnah

halber Radius

Mitte

Position auf Probe

Abbildung 1: Ergebnisse der Härtemessung

Die normalgeglühte C45-Probe zeigt im Schnitt eine Härte von 230 HV 10 mit nur geringen Abweichungen zwischen den verschiedenen Messpunkten. Eine gleichmäßige Härteverteilung in der Probe lässt auf ein gleichmäßiges Gefüge schließen. Dies kann an der sehr geringen Abkühlgeschwindigkeit an ruhender Atmosphäre liegen, wodurch keine großen Temperaturdifferenzen und somit keine unterschiedliche Umwandlungen in der Probe auftreten. Betrachtet man nun das Gefüge unter dem Lichtmikroskop, so sind deutliche Ferrit-Perlit-Zonen auszumachen (siehe Abbildung 3). Durch Betrachtung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms und Anwendung des Hebelgesetztes ergibt sich der folgende theoretische Anteil an Perlit: 0,45 – 0,02 ≅ 0,551 0,8 – 0,02 Der theoretische Ferrit-Anteil beträgt: 0,8 – 0,45 ≅ 0,449 0,8 – 0,02

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Diese Verteilung zeigte sich auch in dem untersuchten Gefüge. Betrachtet man allerdings das passende ZTU-Diagramm bei der gemessenen Härte, ist ein Gefüge von 30% Ferrit und 70% Perlit zu erwarten. Dieser Unterschied zum Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ergibt sich aus dem Einfluss der Abkühlzeit. Während bei dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm von einer unendlich langsamen Abkühlung ausgegangen wird, berücksichtigt das ZTU-Diagramm die endlich langsamen, beziehungsweise raschen, Abkühlungen und damit verbundene, vom Eisen-KohlenstoffDiagramm abweichende, Gefüge. Das tatsächlich vorliegende Gefüge mit einem Verhältnis von knapp 50:50 wäre bei einer Härte von 210 HV 10 zu erwarten. Somit wäre es möglich, dass ein Messfehler von 20 HV 10 bei der Härtemessung vorliegt. Eine weitere Ursache wäre eine mögliche Entkohlung bei der Wämebehandlung. Eine Verminderung der Kohlenstoffkonzentration würde dazuführen , dass mehr Ferrit gebildet wird und weniger Perlit. Obwohl die Gefahr von Entkohlung eher beim Diffusionsglühen bei Temperaturen über 1100°C eine Rolle spielt, wäre es auch in unserem Fall möglich, da die im ZTU-Diagramm angegebene Verweildauer von 5 Minuten in unserem Versuch das Doppelte betrug. Daher wäre eine verminderte Kohlenstoffkonzentration möglich.

C15 normalgeglüht Bei der normalgeglühten C15-Probe ergab die Härtemessung eine durchschnittliche Härte von 140 HV 10. Diese ist wie erwartet niedriger als bei der ebenfalls normalgeglühten C45-Probe. Die Ursache liegt in dem unterschiedlichen Kohlenstoffgehalt, welcher für den Anteil an Perlit ausschlaggebend ist. Da die C15-Probe wesentlich weniger Kohlenstoff enthält als die C45-Probe, kann hier weniger Perlit gebildet werden und mehr Ferrit. Die Perlitzone besitzt aufgrund ihrer lamellaren Struktur einen hohen Widerstand für Versetzungsbewegungen, was zu einer höheren Härte im Vergleich zum Ferrit führt. Daher besitzt die Probe mit dem geringeren Kohlenstoffgehalt die geringere Härte. Das Verhältnis von Ferrit zu Perlit lässt sich am ZTU-Diagramm mit 87% zu 13% ablesen, was sich auch in der Betrachtung des Gefüges zeigt. Es ist deutlich erkennbar, dass der Ferrit überwiegt (siehe Abbildung 2). Auch in dieser Probe ist ein gleichmäßiger Härteverlauf erkennbar. Da, wie bei der C45-Probe, die Abkühlung an ruhender Atmosphäre erfolgte gilt auch hier die Begründung durch ein gleichmäßiges Gefüge auf Grund der geringen Abkühlgeschwindigkeit.

C15 gehärtet Die gehärtet C15-Probe ist mehr als doppelt so hart wie die normalgeglühte mit einer Härte zwischen 250 und 400 HV 10. Dies zeigt, dass das Härten durchaus seinen Zweck erfüllt. Betrachtet man das Gefüge unter dem Mikroskop ist die zu erwartende nadelförmige Martensitstruktur zu erkennen, welche für die höhere Härte verantwortlich ist (siehe Abbildung 5). Darüber hinaus sind auch Ferrit-, Perlit und Bainitzonen erkennbar. Aus dem ZTU-Diagramm lassen sich für die gemessenen Härten Ferritanteile von 2% - 9% Prozent, Perlitanteile von 4% - 17% Prozent und Zwischengefügeanteile von 9% - 22% Prozent herauslesen.

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Im Vergleich zu den normalgeglühten Proben zeigt diese Probe einen deutlichen Härteabfall vom Rand der Probe zu ihrer Mitte. Mit diesem Härteabfall ist auch eine deutliche Zunahme der Ferritund Zwischengefügeanteile zu beobachten. Eine mögliche Begründung würde sich auf unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten stützen. Am Rand der Probe ist mehr Kontaktfläche zum Kühlwasser vorhanden auf Grund der Geometrie des Werkstücks. Durch das Abschrecken in Wasser erfolgt hier eine rasche Abkühlung. Da die Temperaturleitfähigkeit des Stahls nur endlich ist, könnte man annehmen, dass zur Mitte der Probe die Abkühlung langsamer fortschreitet. Eine langsamere Abkühlung bedeutet, dass Diffusionsvorgänge länger möglich sind, da diese eine ausreichend hohe Temperatur benötigen. Durch die verstärkte Diffusion bilden sich vermehrt Zwischenstufen und damit während der martensitbildenden Phase weniger Martensit. Im ZTU-Diagramm bedeutet langsameres Abkühlen ein in positive Zeit-Richtung verzerrter Temperaturverlauf. Dadurch durchläuft man die „Nasen“ der Gefügezonen weiter rechts, das heißt ihr Anteil am Gesamtgefüge nimmt zu und der Martensit-Anteil nimmt ab. Dieser Sachverhalt wird auch deutlich wenn man das Diagramm unterhalb des C15-ZTU-Diagramms betrachtet. Eine langsamere Abkühlung vermindert den Martensit-Anteil zu Gunsten von Zwischengefüge, Perlit und Ferrit mit unterschiedlichen Gewichtungen was aber im Endeffekt eine geringere Härte hervorruft.

C45 gehärtet Die C45-Probe zeigt die höchste Härte im Vergleich zu den restlichen Proben mit einer Härte zwischen 720 und 820 HV 10. Dies war zu erwarten, da beim Härtevorgang die Kohlenstoffkonzentration eine wichtige Rolle spielt. Dies zeigt sich im Vergleich der zwei ZTUDiagramme. Ein höherer Kohlenstoffanteil verschiebt die „Nasen“ des ZTU-Diagramms in positive Zeit-Richtung. Dies bedeutet das Zeitfenster, in dem die Abkühlung erfolgen muss um ein rein martensitisches Gefüge zu erhalten, ist wesentlich größer. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit wird demnach durch einen höheren Kohlenstoffanteil erniedrigt. Die im Versuch erreichte Abkühlgeschwindigkeit liegt oberhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit der C45-Legierung, weshalb diese Probe ein rein martensitisches Gefüge besitzt. Die gleiche Abkühlgeschwindigkeit im Falle der C15-Legierung liegt aber auf Grund der fehlenden Nasenverschiebung durch den Kohlenstoff unterhalb der kritischen Abkühlgeschwindigkeit, weshalb sich hier neben Martensit auch andere Phasen ausbilden, welche die Probe weicher machen. Ähnlich wie bei der gehärteten C15-Probe ist auch hier ein Härteabfall vom Rand zur Mitte erkennbar. Hier kann wieder die gleiche Begründung aufgrund der unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten angewendet werden. Durch die langsamere Abkühlgeschwindigkeit im Kern, werden hier Diffusionsvorgänge ermöglicht, wodurch weniger Martensit gebildet wird und die Härte niedriger als am Rand ist.

C45 vergütet An der C45-Probe wird eine Härte zwischen 500 und 570 HV 10 gemessen. Diese liegt deutlich unterhalb der unvergüteten, nur gehärteten C45-Probe. Eine Betrachtung des Gefüges im Lichtmikroskop zeigt ein gleichmäßiges Gefüge aus feinen Körnern. Das im gehärteten Stahl sichtbare Martensitgefüge ist nicht mehr vorhanden, wodurch weniger Verspannungen vorhanden sind. Somit wurde das Ziel erreicht, durch erneutes Anlassen die Härte zu senken und dadurch die Duktilität zu heben.

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Auch in dieser Probe ist ein Härteverlauf zu erkennen. Doch statt mit zunehmendem Abstand vom Kern zunehmende Härte zu messen verhält es sich umgekehrt. Am Rand liegt die geringere Härte vor. Dies könnte möglicherweise wieder mit unterschiedlichen Temperaturen im Werkstück begründet werden. Beim Anlassen im Ofen wird das Werkstück von außen erwärmt. Dadurch erreichen die Ränder des Körpers schneller die Anlasstemperatur. Dadurch beginnt dort die Martensitumwandlung eher, wodurch mehr Martensit zu Ferrit und Carbiden umgewandelt wird und die Härte stärker sinkt.

Zusammenfassung: Die Versuche zeigen, dass Wärmbehandlung im Allgemeinen und besonders Härten und Vergüten effektive Methoden sind die mechanischen Eigenschaften eines Werkstoffes und somit auch eines Bauteils einzustellen. Je nach Anforderungen kann die Härte und damit verbunden die Duktilität eingestellt werden. Dabei spielt nicht nur der Wärmebehandlungsprozess eine Rolle sondern auch die Zusammensetzung des Stahls. Es hat sich gezeigt, dass bei den untersuchten Stählen C15 und C45, der höhere Kohlenstoffanteil eine höhere Härte bei gleicher Behandlung zur Folge hat. Darüber hinaus kann man einen starken Zusammenhang zwischen unterschiedlicher Erwärmung und unterschiedlichen Härten innerhalb eines Bauteils vermuten. Dies sollte bei der Wärmebehandlung beachtet werden um mögliche Schwachstellen zu erkennen und gegebenenfalls zu verhindern.

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Anhang: Härte in HV10 Position auf Probe halber Mitte Mittelwert Werkstoff randnah Radius C15 gehärtet 401,0 285,0 254,0 313,33 C15 normalgeglüht 143,1 135,5 143,1 140,57 C45 gehärtet 824,0 724,0 724,0 757,33 C45 normal 228,0 245,0 228,0 233,67 C45 vergütet 514,0 542,0 572,0 542,67 Tabelle 1: Ergebnisse der Härtemessung

Abbildung 2: C15 normalgeglüht

Abbildung 3: C45 normalgeglüht

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Abbildung 4: C45 gehärtet

Abbildung 5: C15 gehärtet

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