15 Methoden zur Wärmebehandlung von Edelstahl | Ratgeber für Anfänger

Einführung in die Welt der Wärmebehandlung von Edelstahl – ein renommierter Prozess, der die verschiedenen Eigenschaften dieses bekannten Materials kritisch aufzeigt, sei es physikalischer, chemischer oder mechanischer Natur. Edelstahl ist ein Material, das hauptsächlich aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit von anderen Stahlarten unterschieden wird. Wenn dieses Material speziellen Wärmebehandlungsprozessen unterzogen wird, verändern sich die Ergebnisse in Form verbesserter mechanischer und metallurgischer Eigenschaften. In diesem Artikel werden verschiedene Methoden zur Wärmebehandlung von Edelstahl sowie verschiedene Vorteile und Anwendungen kurz erläutert.

Edelstahl hat vielfältige Einsatzmöglichkeiten in unterschiedlichen Bereichen, sei es in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Bauwesen oder sogar im medizinischen Bereich. Die Wärmebehandlung spielt eine entscheidende Rolle bei der Veränderung seiner Eigenschaften, insbesondere wenn es eine bestimmte Anforderung für die gewünschte Anwendung erfüllen muss. Auch wenn Sie einem Beruf angehören, der direkt oder indirekt mit der Metallurgie zu tun hat, vermittelt Ihnen dieser Artikel ein grundlegendes Verständnis der Wärmebehandlung von Edelstahl und hilft Ihnen bei der Entwicklung einer Grundlage, insbesondere bei der Auswahl einer bestimmten Methode für die Bewerbung.

Abb. 1: Edelstahl

Nachfolgend finden Sie die Tabelle, die Ihnen einen Überblick über die Methoden gibt, die für verschiedene Edelstahlsorten anwendbar sind:

Tabelle 1: Vergleich gängiger Edelstahlsorten und ihrer Wärmebehandlungsmethoden

Temperm

Ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Edelstahl, bei dem die Probe auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und auf sehr kontrollierte Weise abgekühlt wird. Bei dieser Behandlung erfolgt die langsame Abkühlung hauptsächlich im Ofen. Dadurch entsteht eine verfeinerte Kornstruktur, die den gewünschten Eigenschaften für die Anwendung entspricht. Betrachten Sie das Beispiel von 440c-Edelstahl, dessen Glühtemperatur zwischen 800 und 900 °C liegt. Das Sortiment wird sorgfältig im Hinblick auf optimale Eigenschaften ausgewählt. Dieser Prozess trägt zum Abbau innerer Spannungen bei, verbessert die Duktilität und macht den Stahl weicher. Darüber hinaus wird eine ausgewogene und gleichmäßige Kombination aus Festigkeit und Formbarkeit erreicht, die diesen Stahl für verschiedene Anwendungen vorteilhafter macht. Präzises Glühen spielt eine entscheidende Rolle bei der Modifizierung von Edelstahl, um den Fertigungs- und Industrieanforderungen gerecht zu werden.

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Abschrecken

Ein Prozess, bei dem Edelstahl plötzlich oder schnell abgekühlt wird, insbesondere um die Härte des Materials zu erhöhen. Beim Abkühlen entsteht eine martensitische Struktur, dh bei Betrachtung unter einem Lichtmikroskop eine nadelartige Struktur. Das Abschreckmedium ist üblicherweise Öl oder Wasser und die nach dem Abschrecken erhaltene Probe ist hart und spröde. Bei 17-4ph-Edelstahl beginnt der Prozess mit dem Erhitzen des Materials auf etwa 980 °C und dem anschließenden schnellen Abkühlen. Die Abkühlgeschwindigkeit wird sorgfältig kalibriert, wobei oft Öl oder Wasser zum Einsatz kommt, was eine schnelle Umwandlung bewirkt und sowohl die Härte als auch die Kristallstruktur verbessert. Dies sorgt für die Bildung von Martensit und verleiht dem Edelstahl die gewünschte Festigkeit und Härte.

Anlassen

Dieser Vorgang wird nach dem Abschrecken der Probe durchgeführt, um die Sprödigkeit der Probe zu verringern. Bei diesem Schritt wird Edelstahl erneut auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und anschließend kontrolliert abgekühlt. Dabei geht es vor allem darum, die Härte der Probe zu erhalten und die Sprödigkeit zu verringern. Dieser Prozess ist für die Edelstahlsorten 416 von entscheidender Bedeutung, um ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit sicherzustellen. Die abgeschreckte Probe wird typischerweise zwischen 550 °C und 600 °C erneut erhitzt, wobei die Härte erhalten bleibt und gleichzeitig die Sprödigkeit verringert wird. Eine Überschreitung dieses Bereichs kann die Härte der Probe beeinträchtigen. Bei Anwendungen, bei denen sowohl Festigkeit als auch Zähigkeit äußerst erwünscht sind, spielt dieser Schritt, dh das Anlassen, eine wichtige Rolle.

Weitere Informationen finden Sie unter folgendem Link:

https://youtu.be/_iqV7e1-BFY?si=rb5218nhKgn5xGIN

Ausglühen

Ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem rostfreier Stahl auf eine Temperatur oberhalb seines kritischen Bereichs erhitzt wird und anschließend eine Luftkühlung erfolgt, indem die Probe aus dem Ofen gebracht wird, was beim Glühen anders ist. Die Einweichzeit ist sowohl beim Glühen als auch beim Normalisieren gleich. Der einzige Unterschied liegt in der Abkühlgeschwindigkeit, die die Mikrostruktur in beiden Prozessen verändert. In diesem Fall wird eine grobe Kornstruktur erhalten. Um beispielsweise die Struktur von Edelstahl 420 zu optimieren, wird das Material auf 870 °C bis 900 °C erhitzt, gefolgt von einer kontrollierten Luftkühlung, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und Bearbeitbarkeit führt.

Hautalterung

Altern ist ein anderer Name für Ausscheidungshärtung, bei der rostfreier Stahl über einen längeren Zeitraum auf eine niedrigere Temperatur erhitzt wird. Der Prozess führt zur Bildung feiner Partikel im Stahl, die Härte und Festigkeit fördern. Dies ist ein entscheidender Schritt bei der Wärmebehandlung von rostfreien Stählen 304 und trägt zu verbesserten mechanischen Eigenschaften bei. Unten ist die Tabelle, die den Temperaturbereich für die Alterung verschiedener Edelstahlsorten zeigt: [7]

Tabelle 2: Edelstahlsorten mit ihrem Alterungstemperaturbereich:

Spannungsarmglühen

Das Verfahren dient dazu, Eigenspannungen zu minimieren, ohne die Materialeigenschaften wesentlich zu verändern. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, durchlaufen die zu verschweißenden oder zu bearbeitenden Bauteile zunächst diesen Prozess. Zweitens verbessert dieser Wärmebehandlungsprozess nach dem Entspannen die Dimensionsstabilität und minimiert den Verzug. Wenn 410-Edelstähle Temperaturen ausgesetzt werden, die typischerweise zwischen 600 °C und 700 °C liegen, und anschließend ein kontrollierter Abkühlungsprozess erfolgt, werden die bei früheren Herstellungsprozessen angesammelten Eigenspannungen reduziert, ohne die Materialeigenschaften wesentlich zu verändern. Eine Abweichung von diesen genauen Bedingungen birgt das Risiko einer unzureichenden Stresslinderung.

Einsatzhärten

Es gibt viele industrielle Anwendungen, bei denen eine hardwarebeständige Oberfläche, das sogenannte Gehäuse, sowie ein weicher und robuster Kern zum Einsatz kommen. Es gibt zahlreiche Methoden oder Prozesse, die zur Einsatzhärtung jedes Metalls führen können. Die wichtigsten Methoden der Oberflächenhärtung sind jedoch folgende:

1. Aufkohlung

2. Nitrieren

3. Carbonitrieren oder Cyanidieren

4. Induktionshärten

5. Flammhärten

Die ersten drei Methoden erfordern eine Änderung der chemischen Zusammensetzung, während die letzten beiden Methoden keine Änderung der chemischen Zusammensetzung erfordern. es handelt sich vielmehr um flache Härtungsmethoden.

Unter diesem Link erhalten Sie eine kurze Erläuterung zu den einzelnen Einsatzhärtearten:

https://youtu.be/K2mpVqY7nRQ?si=LQt9x6jUHVe97FcT

Lösungsbehandlung

Bei der Lösungsbehandlung handelt es sich um einen Prozess der Wärmebehandlung der Probe, bei dem eine homogenisierte Mikrostruktur im Edelstahl erzeugt wird. Der Prozess beseitigt Inkonsistenzen in der Mikrostruktur und verbessert gleichzeitig die Gesamteigenschaften. Dieses Verfahren ist normalerweise auf austenitische Edelstähle wie 304 anwendbar. [9] 

Das Erhitzen des Materials auf Temperaturen zwischen 1010 °C und 1120 °C gewährleistet die Homogenisierung der Mikrostruktur und die Beseitigung von Inkonsistenzen. Anschließend wird der Stahl schnell abgekühlt. Dabei ist zu bedenken, dass eine Abweichung von diesen genauen Bedingungen zu Schwankungen der mechanischen Eigenschaften führen kann. Die Lösungsbehandlung ist für Anwendungen, die Festigkeit und Zuverlässigkeit erfordern, von entscheidender Bedeutung.

Ausscheidungshärtung

Die Ausscheidungshärtung ist eine weitere Wärmebehandlungsmethode, die für die Erhöhung der Festigkeit von Edelstahl durch die Ausscheidung feiner Partikel im Material verantwortlich ist. Diese Methode ist auf 17-4ph-Edelstahl anwendbar, bei dem eine kontrollierte Ausscheidung erforderlich ist, um hervorragende mechanische Eigenschaften sicherzustellen. Dazu wird das Material einer Alterung bei Temperaturen zwischen 480 °C und 620 °C unterzogen. Dadurch wird die Bildung feiner Partikel im Stahl erleichtert und die Festigkeit erhöht. Diese Temperaturbedingungen sind vorherrschend, da sie die Niederschlagsrate und -stärke bestimmen. Eine Abweichung von den Temperaturen beeinträchtigt die Eigenschaften der Legierung, insbesondere die mechanischen.

Aufkohlen

Dies ist eine der ältesten und zugleich kostengünstigsten Methoden der Oberflächenhärtung. Meistens werden 0.20 % Kohlenstoff oder weniger in eine Atmosphäre eingebracht, die eine erhebliche Menge an (CO)Kohlenmonoxid enthält. Die Temperatur zum Aufkohlen beträgt normalerweise 1700℉. Bei dieser Temperatur findet folgende Reaktion statt:

Fe + 2CO → Fe (c) + CO ₂

Wobei Fe(c) der Kohlenstoff ist, der sich im Austenitbereich auflöst. Der maximale C-Prozentsatz, der sich bei 1700℉ auflösen könnte, ist im Eisencarbid-Diagramm an der ACM-Linie angegeben. Daher entsteht unmittelbar an der Oberfläche eine Schicht mit hohem Kohlenstoffgehalt, dh etwa 1.2 %. Da der Kern einen niedrigen Kohlenstoffgehalt hat, beginnen die Kohlenstoffatome, die ein Gleichgewicht erreichen wollen, nach innen zu diffundieren.

Nitrieren

Der Prozess der Aushärtung in einer Umgebung aus Ammoniakgas. Die Wirksamkeit dieses Prozesses hängt mit der Nitridbildung im Stahl durch Reaktion zwischen Stickstoff und bestimmten Legierungselementen zusammen. Obwohl alle Stähle bei geeigneten Temperaturen und einer bestimmten Atmosphäre Eisennitride bilden können, werden die besseren Ergebnisse mit Stählen erzielt, die die wichtigsten Nitridbildner, also Aluminium, Chrom usw., enthalten. Der Stickstoff sollte in naszierender oder atomarer Form vorliegen, da molekularer Stickstoff nicht reagieren würde.

Carbonitrieren

Ein Prozess der Oberflächenhärtung, bei dem der Stahl in einer Gasatmosphäre erhitzt wird, die eine solche Zusammensetzung aus Stickstoff und Kohlenstoff enthält, dass diese gleichzeitig absorbiert werden. Der Prozess wird als Trockencyanidierung, Gascyanidierung usw. bezeichnet. Im Allgemeinen wird eine Mischung aus Anreicherungsgas, Trägergas und Ammoniak als Atmosphäre für die Karbonitrierung verwendet. Das als Trägergas verwendete Gemisch aus Stickstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff wird wie bei der Gasaufkohlung in einem Generator (endotherm) erzeugt.

Abb. 2: Zeit-Temperatur-Kurve für das Carbonitrieren

Induktionshärten

Dies ist die andere Methode, bei der der Stahl flach gehärtet wird. Bei dieser Art der Einsatzhärtung wird das Metallteil durch Induktion erhitzt und anschließend abgeschreckt. Um die Härte und Sprödigkeit des Teils zu erhöhen, durchläuft das abgeschreckte Metall eine martensitische Umwandlung. Ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften werden mit dieser Methode Bereiche eines Teils oder einer Baugruppe gezielt gehärtet.

Abb. 3: Induktionshärtungsprozess.

Die Tabelle zeigt die Auswirkungen des Vergleichs fortschrittlicher Wärmebehandlungsmethoden:

Tabelle 3: Vergleich fortschrittlicher Wärmebehandlungsmethoden

Im Folgenden sind die Öfen aufgeführt, die für Wärmebehandlungszwecke verwendet werden:

Phasenwechsel und Mikrostrukturanalyse

Die Wärmebehandlung wirkt sich direkt auf die Phasenänderungen im Edelstahl aus und hat einen starken Einfluss auf dessen Mikrostruktur. Austenitische zu martensitische Umwandlungen, Kornwachstum und die Entwicklung von Martensit oder Austenit spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Eigenschaften des Materials. Die Mikrostrukturanalyse ist für die Beurteilung der Wirksamkeit des Wärmebehandlungsprozesses unerlässlich und stellt das Erreichen der Wärmebehandlung sicher, indem sie die kristalline Anordnung überprüft.

Die Tabelle veranschaulicht den Einfluss des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts auf die Eigenschaften von Edelstahl:

Tabelle 5: Einfluss des Kohlenstoff- und Stickstoffgehalts auf die Eigenschaften von Edelstahl [16]

Der folgende Link veranschaulicht den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt von Edelstahl weiter:

Fazit

Der Wärmebehandlungsprozess beeinflusst die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften des Materials. Die in diesem Artikel besprochenen Methoden bieten einen klaren Überblick über die Ansätze, mit denen Edelstahl an bestimmte Anwendungen angepasst werden kann. Jede Methode spielt eine einzigartige Rolle bei der Verbesserung von Härte, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Das Verständnis dieser Methoden bietet eine solide Grundlage für die Arbeit mit Edelstahl. Ganz gleich, ob Sie in der Fertigung oder Forschung tätig sind oder sich einfach nur für die Wissenschaft hinter Edelstahl interessieren, dieser Artikel wird Ihnen als wertvolle Informationsquelle zur Kunst und Wissenschaft der Wärmebehandlung von Edelstahl dienen.

FAQ

Was passiert mit Edelstahl beim Erhitzen?

Es dehnt sich beim Erhitzen aus und behält aufgrund seiner einzigartigen Zusammensetzung seine Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen.

440c VS 416 Edelstahl-Wärmebehandlung

Für eine überragende Härte und Verschleißfestigkeit behandeln wir üblicherweise 440C-Edelstahl wärmebehandelt. Andererseits wird Edelstahl 416 für eine verbesserte Bearbeitbarkeit wärmebehandelt