Wärmebehandlung von Stahl. Öfen zum Glühen, Tempern, Abschrecken, Anlassen, Härten.
Koyo Thermo Systems

Koyo Thermo Systems Co., Ltd. wird in Europa vertreten durch:
Crystec Technology Trading GmbH

Crystec
Inhalt ccd E-Mail English   deutsch   français   español   romaneste   russki   magyar
Industrieöfen   Stahltempern   Keramiköfen   Box-Öfen   Durchlauföfen   Exo   Endo

Wärmebehandlung von Stahl

Öfen zum Glühen, Tempern, Abschrecken, Anlassen, Härten

Stahl ist eine Legierung aus Eisen Fe und Kohlenstoff C, wobei der Kohlenstoffgehalt sich normalerweise im Bereich zwischen 0,02% und 6,5% bewegt. Der Kohlenstoff befindet sich je nach Phase auf Zwischengitterplätzen, die unterschiedlich groß sind und daher unterschiedlich starke Gitterverzerrungen verursachen. Oftmals werden auch noch andere Metalle wie Chrom Cr, Kobalt Co, Mangan Mn, etc. einlegiert, die ebenfalls Gitter und Stahleigenschaften verändern.
Reines Eisen liegt bei Raumtemperatur und Temperaturen bis 911°C in einem kubisch-raumzentrierten Gitter vor (α-Eisen), das Ferrit genannt wird. Bei höheren Temperaturen, zwischen 911°C und 1392°C liegt ein kubisch-flächenzentriertes Gitter vor (γ-Eisen), das Austenit heisst und darüber nochmals in einem sehr kleinen Bereich ein kubisch-raumzentriertes Gitter, genannt δ-Eisen oder δ-Ferrit. Je nach Gitterkonfiguration befindet sich der Kohlenstoff dann entweder in Tetraederlücken oder in Oktaederlücken des Eisengitters, die unterschiedlich groß sind und bei Einlagerung von Kohlenstoffatomen zu unterschiedlicher Gitterverzerrung führen. Je stärker das Gitter verzerrt wird, um so härter wird der Stahl.
Bei langsamer Abkühlung von Stahl nach dem Giessen durchläuft das Kristallgitter verschiedene Phasen wie Austenit und Ferrit oder Mischphasen. Der Kohlenstoff wandert während der Umwandlung auf die jeweils günstigste Gitterposition. Die Aufnahmefähigkeit des Eisengitters ist aber begrenzt und wenn die maximale Löslichkeit von Kohlenstoff in Stahl bei der Abkühlung unterschritten wird, bilden sich entweder Ausscheidungen von Zementit, einem Eisencarbid Fe3C oder Ausscheidungen von Graphit. Eine Mischung aus Zementit und Ferrit wird Perlit genannt. Bei höherem Kohlenstoffgehalt des Eisens entsteht Ledeburit, einer Mischphase aus Austenit und Zementit. Die verschiedenen Phasen sind im Eisen-Kohlenstoff-Zustandsdiagramm beschrieben (hier eine vereinfachte Darstellung).

Fe-C-Zustandsdiagramm, Ferrit, Austenit, Perlit, Zementit, Martensit

Eigenschaften des Stahls wie Härte oder Zähigkeit werden von der Gitterverzerrung und dem Vorliegen von Ausscheidungen sowie von der Größe der Kristallite bestimmt. Durch verschiedene thermische Prozesse können nun die Eigenschaften des Stahls wie gewünscht eingestellt werden.
Koyo Thermo Systems bietet Technologie und eine Vielzahl von Industrieöfen für das Glühen, Tempern, Abschrecken, Anlassen, Härten und Oberflächenhärten durch Aufkohlen, Carbonitrieren, Nitridieren und Nitrocarburieren an. Bei den meisten Öfen kommen dabei die eigenen Moldatherm®-Heizelemente zum Einsatz.

Crystec Technology Trading GmbH, Germany, www.crystec.com, +49 8671 882173, FAX 882177
Linie

Tempern und Glühen von Stahl im Glühofen

Beim Glühen wird das Werkstück auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und anschließend langsam abgekühlt. Hiermit können verschiedene Ziele verfolgt werden:
Beim Grobkornglühen soll die Größe der einzelnen Kristallite erhöht werden. Damit erniedrigt sich die Festigkeit und Zähigkeit des Materials, was bei bestimmten spanabhebenden Bearbeitungsmethoden gewünscht wird.
Spannungsarmglühen findet bei relativ niedrigen Temperaturen zwischen 480°C und 680°C statt und bewirkt, dass Eigenspannungen des Werkstücks beseitig werden, die durch mechanische Verformung oder Bearbeitung eingebracht wurden. Ansonsten sollen die Stahleigenschaften möglichst nicht verändert werden.
Diffusionsglühen dauert bis zu 2 Tage lang, findet bei recht hohen Temperaturen zwischen 1050°C und 1300°C statt und soll für eine gleichmäßige Verteilung von Fremdatomen im Metallgitter sorgen. Die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt die Ausbildung der Phasen und somit die Stahleigenschaften.
Unter Rekristallisationsglühen versteht man die Wiederherstellung von Kristallitformen wie sie vor einer Kaltverformung vorgelegen haben. Hierzu wird das Werkstück auf Temperaturen knapp oberhalb der Rekristallationstemperatur gewöhnlich zwischen 550°C und 700°C aufgeheizt. Die Rekristallationstemperatur hängt von Material und Verformungsgrad ab.
Das Normalglühen von Stählen ist eines der wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren. Es zielt auf die Bildung eines feinkörnigen Gefüges von Kristalliten, die gleichmäßig über das Werkstück verteilt sind, ab. Bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt liegt die Glühtemperatur knapp unter 800°C; bei Stählen mit geringem Kohlenstoffgehalt steigt die Temperatur für das Normalglühen bis auf 950°C.
Beim Weichglühen von Stahl werden vorhandene Ausscheidungen von Zementit oder Perlit reduziert um die Härte und Festigkeit des Stahls zu reduzieren und die Verformung zu erleichtern. Typische Temperaturen hierfür sind 680°C - 780°C.
Koyo bietet für alle Glühverfahren kontinuierliche und diskontinuierliche Öfen an, sowohl für den Betrieb unter atmosphärischen Bedingungen sowie im Vakuumofen.

Normalglühofen Drahttemperofen
Kontinuierlicher Normalglühofen Ofen zum Tempern von Stahldrähten

Crystec Technology Trading GmbH, Germany, www.crystec.com, +49 8671 882173, FAX 882177
Linie

Härten von Stahl

Härtung durch Abschrecken im Abschreckofen

Beim Härten von unlegiertem Stahl in Abschrecköfen wird das Werkstück zunächst auf eine Temperatur zwischen 800°C und 900°C erwärmt, solange dass im Falle von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt reiner Austenit vorliegt. Bei legierten Stählen kann die nötige Temperatur deutlich abweichen.
Um Korrosion zu Verhindern kann im Ofen exothermes Gas eingesetzt werden. Exothermes Gas wird ebenfalls in einem entsprechenden Gasgenerator aus Kohlenwasserstoffen erzeugt und enthält neben CO, H2 und N2 auch CO2 und H2O.

Exothermer Gasgenerator
Generator für die Herstellung exothermen Gases

Nach der Temperung wird der Stahl so schnell abgekühlt bzw. abgeschreckt, dass ein Wechsel der Kohlenstoffatome auf günstige Gitterplätze nicht stattfinden kann, weil die Diffusionsgeschwindigkeit der Kohlenstoffatome bei niedrigen Temperaturen zu gering wird um einen Wechsel der Zwischengitterplätze zu ermöglichen.
Das Eisengitter ändert bei weiter sinkender Temperatur aber dennoch die Gitterstruktur und es entsteht der sogenannte Martensit oder martensitischer Stahl. Aufgrund von Gitterdefekten und -verspannungen ist Martensit sehr hart und fest, aber auch wenig verformbar und spröde.
Bei dicken Werkstücken sind entsprechend hohe Abkühlraten nötig um das ganze Werkstück vollständig zu härten. In der Praxis werden die Teile in ein Ölbad oder Wasserbad verbracht. Am effektivsten ist die Abschreckung mit Wasser aufgrund dessen hoher Wärmeleitfähigkeit. Beim Eintauchen des Werkstücks bildet sich jedoch zunächst eine schlecht leitende Dampfschicht auf der Oberfläche des Werkstücks (Leidenfrostsches Phänomen). Es muss darauf geachtet werden, dass das Werkstück so eingetaucht wird, dass gleichmäßiger Flüssigkeitskontakt über das gesamte Teil sichergestellt ist. Alternativ können auch wässrige Polymerlösungen für das Abschreckbad eingesetzt werden.
Die Aufheizung der Werkstücke kann entweder in einem Kettentransportofen oder Rollentransportofen stattfinden, an dessen Ende die Teile in das Abschreckbad fallen oder rutschen oder aber auch in einem Haubenofen, der von unten beladen wird und aus dem große Teile rasch ausgefahren werden können.

Haubenofen Abschreckofen Gitterzugtemper- und Abschreckofen Vakuumabschreckofen
Haubenofen und Abschreckofen Gitterzugtemperofen mit Abschreckbad Vakuum-Abschreckofen

Auch Vakuumöfen werden für Abschreckprozesse und für das Härten eingesetzt. Der Unterdruck verhindert die Oxidation bzw. das Anlaufen der Oberfläche der Werkstücke.

Wäsche der Werkstücke

Nach dem Abschrecken bzw. Härten in Öl oder Emulsionen ist eine Wäsche der Werkstücke nötig, bevor diese im Anlassofen weiterbehandelt werden können. Von Koyo sind hierfür einzelne Waschmaschinen verfügbar; es können aber auch Waschvorgänge in einen Härteofen integriert werden. Die Schritte Aufheizen, Abschrecken, Waschen und Anlassen können dann in einer einzigen Anlage durchgeführt werden.

Wäsche nach Abschreckung
Wäsche nach dem Abschrecken

Wäschvorgang

Anlassen von Stahl im Anlassofen

Nach dem Abschrecken ist der martensitische Stahl zwar sehr hart, aber eben auch sehr spröde. Dem kann durch erneutes Aufheizen, Anlassen genannt, entgegengewirkt werden.
Im Temperaturbereich unter 100°C erfolgt zunächst eine Anreicherung von Kohlenstoffatomen im Bereich von Gitterfehlern des martensitischen Stahls. Bei Temperaturen zwischen 100°C und 200°C beginnen Kohlenstoffatome aus ungünstigen Gitterplätzen des Eisens auszudiffundieren. Es beginnt die Ausscheidung von Eisencarbid. Bei einer weiteren Erhöhung der Temperatur wird dieser Vorgang beschleunigt. Über 320°C verlassen praktisch alle Kohlenstoffatome ungünstige Zwischengitterplätze. Über 400°C findet keine signifikante Gefügeänderung mehr statt und der Stahl wird wieder weich. Bei mit Chrom, Vanadium, Molybdän und Wolfram legierten Stählen nimmt die Härte des Stahls in diesem Bereich aber wieder zu, da Carbide ausgeschieden werden. Diese Sekundärhärtung ist wichtig für Bauteile, die Ihre Härte bei Betrieb unter hohen Temperaturen behalten sollen.
Generell nimmt mit zunehmender Anlasstemperatur die Härte des Stahls ab. Unter Luft findet eine Oxidation der Oberfläche statt, die zu einer Verfärbung des Werkstücks führt. Die Farbe entspricht der Dicke der gebildeten Oxidschicht. Die Dauer des Anlassprozesses hängt von der Masse und Dicke des Teils ab.

Crystec Technology Trading GmbH, Germany, www.crystec.com, +49 8671 882173, FAX 882177
Linie

Oberflächenhärten

Im Gegensatz zur Härtung durch Abschrecken und Anlassen, bei der das gesamte Material gehärtet wird, kann auch eine reine Oberflächenhärtung durchgeführt werden. Die harte Oberfläche wird mit einem zähen Kernmaterial kombiniert. Hierfür stehen mehrere Härteverfahren zur Verfügung.

Aufkohlen oder Einsatzhärten

Das Verfahren der Härtung durch Aufkohlung wird für kohlenstoffarme Stähle eingesetzt. Das Werkstück wird in einem kohlenstoffreichem, endothermen Gas getempert.
Endothermes Gas wird in einem entsprechenden Gasreaktor aus Metan, Ethan oder Propan erzeugt und besteht zum großen Teil aus Kohlenmonoxid CO, Wasserstoff und Stickstoff.

Endothermer Gasgenerator
Generator für die Herstellung endothermen Gases

Der auf Temperaturen zwischen 900°C bis 1000°C erhitzte Stahl nimmt im Aufkohlofen bzw. Einsatzhärteofen aus dem endothermen Gas Kohlenstoff auf. Die Kohlenstoffkonzentration kann so im oberflächennahen Bereich (ca. 1mm Tiefe) bis zur Löslichkeitsgrenze im Austenit erhöht werden. Es folgen Abschreck- und Anlassprozess. Es kommen Koyo-Öfen Typ KCF zum Einsatz. Das Härten durch den Aufkohlprozess kann wiederum in einem kontinuierlichen Ofen oder in einer nicht-kontinuierlichen Anlage durchgeführt werden. Die Transportsysteme in einem kontinuirlichen Durchlaufofen können aus Keramikrollensystem, Gitternetztransportband oder einem Durchstosssystem bestehen.

kontinuierlicher Durchstossofen mit Keramikrollentransport kontinuierlicher Kettenzugofen zur Aufkohlung von Stahl
Kontinuierlicher Durchstossofen mit Keramikrollentransport Kontinuierlicher Kettenzugofen zur Aufkohlung von Stahl

Auch Drehrohröfen können zum Härten von Stahl eingesetzt werden. In diesen Anlagen kann auch Abschreckung, Waschen der Teile sowie der Anlassvorgang integriert werden.

Rotary Drum Type continuous carburizing furnace
Kontinuierlicher Drehrohrofen für die Aufkohlung von Stahl

Härten durch Carbonitrieren bzw. Carbonitridieren

Beim Karbonitirieren bzw. Karbonitridieren wird in der Gasphase während des Aufheizens neben Kohlenstoff auch Stickstoff angeboten, was zu einer Nitridbildung im oberflächennahen Bereich des Werkstücks führt. Der Stickstoff wird beim Carbonitrieren in Gasen normalerweise in Form von Ammoniak NH3 eingeführt.
Wird bei niedrigen Temperaturen von 650-770°C carbonitriert, so kann der Stickstoff gut in den Stahl eindiffundieren und es bildet sich nach dem Abschrecken über einer stickstoffhaltigen Martensitschicht eine dünne Schicht aus Nitriden und Carbiden. Bei Carbonitrierung über 770°C bis 930°C bildet sich diese Randschicht nicht, da der Kohlenstoffs besser diffundieren kann. Der Stickstoff stabilisiert die Austenitphase und ermöglicht damit eine sanftere Abschreckung des Materials bei gleichzeitig höherer Härtewirkung. Die gehärtete Schicht ist jedoch dünner als beím Aufkohlen bzw. Einsatzhärten und der Übergang zum innenliegenden Material ist stärker.
Wie beim Aufkohlen folgt dem Temperschritt in der Gasphase ein Abschreck- und Anlassprozess.

Karbonitrierofen, Karbonitridierofen flammenloser Carbonitrierofen, Carbonitridierofen
Karbonitrierofen, Karbonitridierofen Flammenloser Carbonitrierofen, Carbonitridierofen mit Vakuumabschreckbad

Härten durch Nitrieren bzw. Nitridieren und Nitrocarburieren

Beim Nitrieren bzw. Nitridieren im Nitrierofen bzw. Nitridierofen findet die Eindiffusion von Stickstoff in die Stahloberfläche bei relativ niedrigen Temperaturen von 500 bis 550°C statt. Als Stickstoffquelle dient Ammoniak. Dabei diffundiert der Stickstoff in den Stahl und lagert sich in Zwischengitterplätze ein. Das führt zu einer Verspannung des Gitters und Härtung des Materials. Das Material muss nicht abgeschreckt werden und die Härtewirkung beruht demzufolge nicht auf Martensitbildung. Beim Abkühlen scheiden sich teilweise Nitride aus.
Beim Nitrocarburieren wird zusätzlich zum Stickstoff auch Kohlenstoff aus der Gasphase, aus Kohlenmonoxid bzw. Kohlenwasserstoffen angeboten. Der Kohlenstoff findet sich nur im Randbereich des Werkstoffs wieder, da seine Löslichkeit in Stahl, der bereits Stickstoff enthält recht niedrig ist und schlechter diffundiert. Es bilden sich beim Abkühlen Carbonitride. Die Härtedauer ist beim Nitrocarburieren kürzer als beim Nitrieren.
Nitrierte und carbonitrierte Stähle besitzen eine dünne sehr harte und besonders gleitfähige Oberflächenschicht, die allerdings nicht sehr verschleissfest und leicht bruchempfindlich ist. Die dichte Oberfläche führt zu einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit und verbesserten Polierbarkeit.

Nitrierofen Zweistufiger Nitrierofen
Nitrierofen, Haubenofen Zweistufiger Nitrierofen

Koyo Thermo Systems und Crystec freuen sich darauf, für sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.

Inhalt ccd E-Mail Crystec Technology Trading GmbH
✉ 84503 Altötting, Zinngießerstr. 7, Deutschland, ✆ +49 8671 882173
Anfahrt ltd Seitenanfang