Wärmebehandlung von Stahl. Öfen zum Glühen, Tempern, Abschrecken, Anlassen, Härten.
JTEKT Thermo Systems wird in Europa vertreten durch
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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).
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.
JTEKT Thermo Systems (ehemals 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
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.
JTEKT bietet für alle Glühverfahren kontinuierliche und diskontinuierliche Öfen an, sowohl für den Betrieb unter atmosphärischen
Bedingungen sowie im Vakuumofen.
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| Kontinuierlicher Normalglühofen | Ofen zum Tempern von Stahldrähten |
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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.
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.
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| 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.
Nach dem Abschrecken bzw. Härten in Öl oder Emulsionen ist eine Wäsche der Werkstücke nötig, bevor diese im Anlassofen weiterbehandelt werden können. Von JTEKT 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 dem Abschrecken
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.
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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.
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.
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 JTEKT-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 Kontinuierlichen Durchlaufofen können aus Keramikrollensystem, Gitternetztransportband oder einem Durchstosssystem bestehen.
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| 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.
Kontinuierlicher Drehrohrofen für die Aufkohlung von Stahl
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.
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| Karbonitrierofen, Karbonitridierofen | Flammenloser Carbonitrierofen, Carbonitridierofen mit Vakuumabschreckbad |
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.
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| Nitrierofen, Haubenofen | Zweistufiger Nitrierofen |
JTEKT Thermo Systems und Crystec freuen sich darauf, für sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.
