Erstens führt die Abschreckverformung zu einer Dimensions- und Formänderung.
Die Abschreckverformung (Verformung) lässt sich in zwei Arten unterteilen: Dimensionsänderung und Formänderung (Verformung). Die sogenannte Dimensionsänderung ist die durch die Phasenänderung beim Abschrecken verursachte Ausdehnung oder Kontraktion. Sie umfasst hauptsächlich gleichförmige Verformungen wie Längenänderung, Stauchung, Verdickung und Verdünnung. Die Verformung entsteht vorwiegend durch das Durchhängen aufgrund des Eigengewichts der Teile und durch Formverzerrungen infolge von Spannungen, wie beispielsweise ungleichförmige Verformungen wie Verziehen, Biegen und Verdrehen. Da sich mit der Größe auch die Form ändert, kommt es häufig zu Verwechslungen zwischen Dimensionsänderung und Verformung, und die beiden Phänomene überschneiden sich oft. Am besten lässt sich dies bildlich mit dem Begriff der Abschreckverformung beschreiben. In der Metallurgie ist die Abschreckverformung definiert als der Zustand, in dem die Summe der in den Teilen nach der Wärmebehandlung erzeugten Spannungen gegen null strebt.
Das Auftreten von Löschspannungen umfasst drei Phasen:
① Erwärmung (basierend auf der Beseitigung innerer Spannungen);
② Isolierung (Durchhängen aufgrund des Eigengewichts, d. h. durchhängende Biegung);
③ Abkühlung (basierend auf ungleichmäßiger Abkühlung und Phasenumwandlung). Diese drei Phasen überlappen sich und führen schließlich zu Abschreckspannungen der Teile.
Zweitens, 6 Fragen zu Dimensionsänderungen
1. Was ist die Ursache für Dimensionsänderungen? Dimensionsänderungen entstehen üblicherweise durch Strukturänderungen, d. h. durch Ausdehnung und Kontraktion infolge von Phasenumwandlungen. Beim Abschrecken entsteht Martensit, während bei der Bildung von Restaustenit eine Kontraktion auftritt. Das Ausmaß der Kontraktion ist proportional zur Menge des Restaustenits. Beim Anlassen kommt es in der Regel zu Kontraktion, während mehrfach angelassener und gehärteter legierter Stahl eine Ausdehnung aufweist. Auch bei der Kaltumformung dehnt sich der Martensit des Restaustenits aus und verursacht so Dimensionsänderungen. Das spezifische Volumen dieser Strukturelemente nimmt mit steigendem Kohlenstoffgehalt zu. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto größer die Dimensionsänderung.
2. Material- und Dimensionsänderungen: Die durch das Abschrecken verursachte Dimensionsänderung (Abschreckverformung) variiert mit dem Stahlmaterial. P, Mo, Cr, C und Mn haben einen großen Einfluss auf die Dimensionsänderung, während Si und Ni einen geringen Einfluss haben. Die Werkzeugstähle SKS3 und SKS31 (W-Cr-Mn-Werkzeugstahl) weisen eine geringe Abschreckverformung auf und werden sogar als Stähle ohne Abschreckverformung bezeichnet. Zweitens hat die Fließrichtung des Stahls einen großen Einfluss auf die Dimensionsänderung beim Abschrecken. Entlang der Fließrichtung, also in Längsrichtung, ist die Dimensionsänderung groß; quer dazu, also in Querrichtung, ist sie gering. Daher ist bei der Materialauswahl auf die Gleichmäßigkeit der Fließrichtung zu achten. Zusätzlich beeinflusst die lineare Karbidseigerung die Dimensionsänderung.
3. Abschrecken und Dimensionsänderung
(1) Dimensionsänderung ausschließlich durch Gefügeänderungen: Beim Abschrecken von Stahlteilen treten verschiedene Gefügeänderungen auf. Diese Gefügeänderungen verursachen Dimensionsänderungen. Die größte Dimensionsänderung (Ausdehnung) tritt bei der Umwandlung von Austenit in Martensit (vollständiges Abschrecken) auf; bei der Umwandlung in Bainit beträgt sie etwa ein Drittel; bei der Umwandlung in Perlit (Glühen) etwa ein Viertel. Darüber hinaus nimmt die durch Martensit verursachte Ausdehnung mit steigendem Kohlenstoffgehalt im Stahl zu.
(2) Einfluss von Restaustenit: Durch die Abschreckwirkung wird die durch die Ausdehnung verursachte Dimensionsänderung entsprechend reduziert, selbst wenn geringe Mengen an Restaustenit zurückbleiben. Daher führt das Vorhandensein geringer Mengen an Restaustenit zu einer Verringerung der Dimensionsänderung. Allerdings verringert Restaustenit die Abschreckhärte und verursacht bei Lagerung auf Raumtemperatur Verformungen durch Alterung.
(3) Der Einfluss ungelöster Carbide: Je weniger Carbide sich beim Abschrecken im Austenit lösen, d. h. je mehr Carbide zurückbleiben, desto geringer ist die Dimensionsänderung. Die Änderungen in Morphologie und Art der zurückbleibenden Carbide selbst verursachen keine Volumenänderungen und stehen daher in keinem Zusammenhang mit Dimensionsänderungen.
(4) Auswirkung der Kaltbehandlung: Bei der Kaltbehandlung verringert sich die Menge an Restaustenit und die Menge an Martensit erhöht sich, sodass eine Ausdehnungsdimensionierung eintritt.
4. Härten und Dimensionsänderung
(1) Martensitzersetzung: Die durch das Anlassen verursachte Martensitzersetzung ist die Ursache für die Schwindungsmaßänderung. Das Ausmaß der Maßänderung variiert mit dem Kohlenstoffgehalt des Martensits. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto größer die Maßänderung. Betrachtet man jedoch den Zustand vor dem Abschrecken als Referenz, so ist die Gesamtmaßänderung nach dem Abschrecken und Anlassen letztendlich immer noch eine Ausdehnung.
(2) Einfluss ungelöster Carbide: Sind ungelöste Carbide vorhanden, verringert sich der Kohlenstoffgehalt des Austenits. Die Carbide selbst haben keinen Einfluss auf die Dimensionsänderung, sodass die Dimensionsänderung im ersten Anlassstadium (Anlassen unter 200 °C) eine Schrumpfung ist.
(3) Einfluss von Restaustenit: Bei Vorhandensein von Restaustenit ist die durch das Anlassen verursachte Dimensionsänderung gering. Oberhalb einer Anlasstemperatur von 200 °C wandelt sich der Restaustenit in Bainit um, was zu einer Ausdehnung und damit zu einer Dimensionsänderung führt. Daher bewirkt der Restaustenit im Anfangsstadium des Anlassens (unter 200 °C) eine Schrumpfung. Oberhalb dieser Temperatur wird die Anlasstemperatur erhöht, und die Zersetzung des Restaustenits führt zu einer Ausdehnung und damit zu Dimensionsänderungen.
5. Größenänderungen von legiertem Stahl
Die Karbide im legierten Stahl lösen häufig spezielle Elemente, ihr spezifisches Volumen bleibt jedoch nahezu unverändert. Daher ist die Behandlungsmethode für legierten Stahl dieselbe wie oben beschrieben. Lediglich die Menge an Restaustenit variiert je nach Art und Menge der Legierungselemente, und damit auch die Menge an Karbiden. Daher müssen Größenänderungen berücksichtigt werden.
6. Wie man Größenänderungen reduziert
Größenänderungen entstehen durch Strukturveränderungen nach dem Abschrecken oder Anlassen. Daher lassen sie sich nicht vollständig vermeiden. Sie können lediglich durch Wärmebehandlungsverfahren reduziert werden.
(1) Die Ausdehnung wird durch Martensit, die Kontraktion durch Restaustenit verursacht. Daher sollten die Martensitmenge und der darin gelöste Kohlenstoffgehalt reduziert und die Restaustenitmenge erhöht werden. Es ist jedoch zu beachten, dass eine Erhöhung des Restaustenits zu Alterungsverformungen führt.
(2) Den Anteil an ungelösten Karbiden (Restkarbiden) erhöhen. (3) Zur Stahlhärtung andere Gefüge als Martensit verwenden; Bainit ist hierfür am besten geeignet. Stahl mit 50 % Bainit und 50 % Martensit ist hart und weist geringe Maßabweichungen auf, wodurch sich die Abmessungen leicht kontrollieren lassen.
(4) Es sollte eine Temperierung durchgeführt werden.
Veröffentlichungsdatum: 05.11.2024