Häufige Mängel bei der Wärmebehandlung und deren Verhinderung

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Unzulässige Härte: Zwischen der Härte von Metallmaterialien und ihrer statischen Zugfestigkeit sowie ihrer Ermüdungsfestigkeit besteht eine bestimmte empirische Beziehung. Zudem gibt es einen gewissen Zusammenhang zwischen der Härte und den Verarbeitungseigenschaften des Metalls – wie seiner Formbarkeit bei Kaltverformung, seiner Schneidbarkeit sowie seinen Schweißeigenschaften； Da die Härteprüfung das Werkstück nicht beschädigt, der Test einfach durchzuführen ist und die Ergebnisse übersichtlich sind, wird sie weit verbreitet als wichtigster Qualitätskontrollindikator für Werkstücke nach Wärmebehandlung verwendet. Bei vielen Werkstücken ist sie sogar die einzige technische Anforderung. Mangelhafte Härte ist einer der häufigsten Defekte bei der Wärmebehandlung. Es zeigt sich hauptsächlich durch Faktoren wie unzureichende Härte, zu langsame Abkühlung beim Härtungsprozess, Oberflächendekarbierung, unzureichende Härtbarkeit des Stahls, zu viel verbleibender Austenit nach der Härtung sowie unzureichende Tempering-Behandlung. Das Phänomen, dass bei gehärteten Werkstücken in bestimmten Bereichen eine geringere Härte auftritt, wird als Weichpunkt bezeichnet. Die umgebenden Strukturen in den weichen Bereichen bestehen meist aus Martensit sowie aus einer Mischung aus Trostit, der entlang der ursprünglichen Austenit-Grenzen verteilt ist. Weiche Stellen oder Unebenheiten in der Härte entstehen in der Regel durch eine ungleichmäßige Erhitzung beim Härtungsprozess oder durch eine ungleichmäßige Abkühlung. Bei der Erwärmung ist die Temperatur im Ofen ungleichmäßig. Hauptgründe für diese ungleichmäßige Erwärmung sind eine zu niedrige Erwärmungstemperatur oder eine zu kurze Aufbewahrungszeit. Eine ungleichmäßige Abkühlung entsteht hauptsächlich dadurch, dass an der Oberfläche der Werkstücke während des Abkühlvorgangs Blasen des Abkühlmediums haften, das Abkühlmedium verschmutzt ist (zum Beispiel durch Öltröpfchen im Wasser) oder das Abkühlmedium nicht ausreichend umgerührt wird. Außerdem ist die Struktur des Stahls zu grob, es besteht eine erhebliche Segregation. Große Karbide oder große Mengen an freiem Ferrit können ebenfalls dazu führen, dass die Härtung ungleichmäßig verläuft und weiche Stellen entstehen. Weiche Stellen: Der Zweck der Härtung bei Erhitzung ist es, während des Härtungsprozesses eine Strukturveränderung im Werkstück herbeizuführen. Dazu muss es auf die richtige Temperatur erhitzt werden und es muss eine ausreichende Dauer der Wärmebeibehaltung geben. Niedrige Erhitzungstemperaturen sowie unzureichende Aufbewahrungszeiten verhindern eine vollständige Umwandlung des ursprünglichen Perlitgefüges in Austenit. Zudem ist die Zusammensetzung des entstandenen Austenits ungleichmäßig. Dadurch entsteht nach der Härtung kein vollständig martensitisches Gefüge – mit dem Ergebnis, dass an den Werkstücken nach der Härtung weiche Stellen entstehen. 1– Feinnadelige Martensitstruktur 2– Gefestigter Trostit 3– Porphyrstruktur. Wenn das Medium zur Härtung nicht ausreichend umgerührt wird, wenn die Werkstücke sich im Medium nicht ausreichend bewegen oder wenn die Werkstücke in die falsche Richtung in das Medium eintreten, verzögert sich oft das Zerreißen der Dampfschicht an bestimmten Stellen der Werkstückoberfläche. Dadurch verringert sich die Abkühlungsgeschwindigkeit an diesen Stellen, was wiederum zu der Bildung von Hochtemperaturzersetzungsprodukten führt. Dies resultiert in weichen Stellen oder einer lokalen Verringerung der Härte. Die Wasserdampfschicht ist stabiler als Salzwasser, wodurch sich Weichpunkte leichter auf in Wasser abgekühlten Werkstücken bilden. Je höher die Temperatur von Wasser und Wasserlösungen ist, desto leichter entstehen Weichpunkte. Bei Kohlenstahl mit geringer Härteverfestigbarkeit entstehen bei größeren Querschnitten der Werkstücke leicht Weichstellen. Eine unreine Oberfläche der Werkstücke – beispielsweise durch Rost oder Kohlenstoffpartikel – kann ebenfalls dazu führen, dass die Härte nach der Härtung zu niedrig ausfällt. Unzureichende Härte – ein ungenügendes Erhitzen führt oft zu einer unzureichenden Härte der gehärteten Teile. Doch eine unzureichende Kühlung ist eine häufige Ursache für eine zu geringe Härte der Werkstücke. Eine zu lange Vorabkühlzeit des Werkstücks nach dem Herausnehmen aus dem Ofen bis zur Härtung, eine falsche Wahl des Kühlmittels oder eine zu hohe Temperaturkontrolle des Kühlmittels führen dazu, dass die Kühlkapazität unzureichend ist. Dadurch entsteht auf der Oberfläche des Werkstücks eine Oxidschicht oder Salzablagerungen. Zudem kann die Temperatur des Werkstücks nach der Härtung zu hoch sein, wenn es aus dem Kühlmittel herausgenommen wird. All das kann dazu führen, dass das überkühlte Austenit in der Region der Perlitumwandlung auf der C-Kurve zerfällt. Dadurch entstehen nicht-martensitische Strukturen wie Sorbit und Tornit, wodurch die Härte des Werkstücks nicht ausreicht. Ein großer Anteil an verbleibendem Austenit im Härtezustand ist eine wichtige Ursache für die unzureichende Härte der gehärteten Werkstücke. Die Menge an Restaustenit hängt von der chemischen Zusammensetzung des Austenits ab. Bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,5 %–0,6 % kann man in der gehärteten Struktur deutlich Restaustenit erkennen. Wenn der Kohlenstoffgehalt weiter erhöht wird, steigt die Menge an Restaustenit stark an. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 1,4 % beträgt der Anteil an Restaustenit (im Volumenprozentsatz) 30 %. Alle Legierungselemente, die auf Austauschbasis im Austenit gelöst sind, führen zu einer Erhöhung der Menge an verbleibendem Austenit. Bei geringer Menge an Restaustenit hat dies keinen wesentlichen Einfluss auf die Härte. Bei einer höheren Menge an Restaustenit führt dies zu einer Verringerung der Härte. Eine Restaustenitmenge von 20 % führt zu einer Verringerung der Härte nach dem Härtungsprozess um etwa 6,5 HRC. Mangelnde Weichpunkte und Härte bei Werkstücken, die durch Hochfrequenzhärtung bearbeitet wurden. Zu den Weichpunkten bei Werkstücken, die durch Hochfrequenzhärtung behandelt wurden, gehören sowohl lokale Bereiche an der Oberfläche, die nicht vollständig gehärtet sind, als auch Bereiche in tieferen Schichten, in denen die Härtedicke ungleichmäßig ist. Diese Härtefehler entstehen aufgrund von falscher Materialwahl, schlechter Ausgangsstruktur sowie unsachgemäßen Elektroparametern bei der Hochfrequenz-Härtung, unsachgemäßen Induktoren und Kühlsystemen. Die Hochfrequenzhärtung wird hauptsächlich bei Mittelkohlenstoffstahl sowie niederkohlenstoffigen, mittellegierten Stählen eingesetzt. Da bei der Hochfrequenzhärtung eine schnelle Erwärmung stattfindet, hat das Kohlenstoffatom in der Austenitstruktur keine Zeit, sich durch Diffusion gleichmäßig zu verteilen. Deshalb können bei Stählen, die Elemente wie Cr, Mo, W, V enthalten – Elemente, aus denen Carbide gebildet werden – aufgrund des höheren Phasenübergangspunkts beim Einsatz der Hochfrequenzinduktionshärtung weiche Stellen sowie Uneinheitlichkeiten in der Härte entstehen. Bei der Auswahl von Stählen für die Hochfrequenzhärtung sollte daher darauf geachtet werden, dass der Gehalt dieser Elemente einen bestimmten Grenzwert nicht überschreitet. Die Art, die Form, die Größe sowie die Verteilung der Karbide im Stahl haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualität von Werkstücken, die durch Hochfrequenzgehärtung bearbeitet werden. Wenn im Stahl netzartige Karbide vorhanden sind oder die Karbidgrößen zu groß und ungleichmäßig verteilt sind, können Defekte wie uneinheitliche Härte sowie zu geringe Härte entstehen. Daher wird die Hochfrequenzhärtung stark vom vorherigen Wärmebehandlungsprozess beeinflusst; die beste Ausgangsstruktur für die Hochfrequenzhärtung ist der abgekühlte Sorbit, der durch Vergütung entsteht. Wenn die Hochfrequenz-Induktionsspule ungleichmäßig ist, kann dies ebenfalls zu einer unzureichenden Härte des bearbeiteten Materials führen. Ebenso können eine falsche Sprühwinkelwahl, eine unangemessene Größe sowie Anzahl der Sprühöffnungen oder deren ungünstige Positionierung – oder sogar Verstopfungen der Sprühöffnungen – dazu führen, dass das Material nach der Hochfrequenz-Härtung nicht ausreichend hart wird oder dass weiche Stellen entstehen. Eine unzureichende Härte sowie viele Weichstellen bei vergüteten Werkstücken entstehen meist durch ungenügende Vergütung, Dekarbung während der Härtung, zu niedrige Härtetemperatur, unzureichende Abkühlungsgeschwindigkeit, zu viel verbleibendes Austenit an der Oberfläche, übermäßiges Ändern der Härte, schmutzige Werkstückoberflächen, ungleichmäßige Vergütung oder ungleichmäßige Abkühlung. Die mechanischen Eigenschaften von Legierungen aus Nicht-Eisen-Metallen sind unzulässig. Die am häufigsten in der Industrie verwendeten Nicht-Eisen-Metalle sind Aluminium, Kupfer, Magnesium, Titan sowie ihre Legierungen. Die Wärmebehandlung von Nichteisenmetallen erfolgt nach denselben Prinzipien wie bei Stahl, weist jedoch ihre eigenen Besonderheiten auf. Zum Beispiel spielt die äquialektische Umwandlung eine wichtige Rolle bei der Wärmebehandlung von Stählen, kommt aber bei Nicht-Eisenmetallen nur selten vor ； Die Martensitumwandlung ist das wichtigste Mittel, um Stahlmaterialien zu verstärken. Mit Ausnahme einiger Kupfer- und Titanlegierungen können jedoch andere Metalle in der Regel nicht durch Martensitumwandlung gestärkt werden. Die gängigen Wärmebehandlungsverfahren für Nichteisenmetalle sind Homogenisierungsanodisierung, Recrystallisierungsanodisierung, Entspannungsanodisierung, Lösungsmittelbehandlung und Alterungsbehandlung. Die Lösungszähigung ist die am häufigsten und wichtigste Wärmebehandlungsmethode zur Verstärkung von Nicht-Eisen-Metallen. Bei der Wärmebehandlung von Nicht-Eisen-Metallen muss besonderes Augenmerk auf die folgenden Aspekte gelegt werden: Nicht-Eisen-Metalle sind reaktiv und haben strenge Anforderungen an die Heizumgebung. Zum Beispiel sollte die Erhitzungsumgebung von Titanlegierungen in der Regel ein Vakuum oder eine leicht oxidierte Atmosphäre sein ； Um Oxidation zu vermeiden, werden Magnesiumlegierungen in der Regel in einer Schutzatmosphäre aus Schwefeldioxid oder Kohlendioxid erhitzt ； Um Wasserstoffbruch zu vermeiden, muss Kupfer in einer neutralen oder schwach oxidierenden Atmosphäre thermisch behandelt werden. Um ein maximales Lösungseffekt zu erzielen, liegen die Lösungstemperaturen vieler Legierungen aus Nicht-Eisen-Metallen in der Nähe der Temperatur der Phasengrenze. Um Überhitzung und Verbrennen zu vermeiden, muss die Ofentemperatur sowie die Zeit des Erhitzens und Aufbewahrens streng kontrolliert werden. Überhitzung und Übererhitzung: Beim Erhitzen von Metallen oder Legierungen im Zuge der Wärmebehandlung kann es aufgrund zu hoher Temperaturen dazu kommen, dass die Kristalle sehr groß werden. Dadurch nehmen die Eigenschaften des Materials erheblich ab – dieses Phänomen wird als Überhitzung bezeichnet ； Wenn die Erhitzungstemperatur der Schmelzlinie des festen Zustands nahekommt, bezeichnet man das Phänomen der Oxidation an den Kristallgrenzen sowie des beginnenden Schmelzens als Übererhitzung. Überhitzung: Zu den Symptomen der Überhitzung gehören grobe Kornstrukturen im Strukturstahl, grobe Martensitstrukturen, zu viel Restaustenit, Widmanstättenstruktur. Bei Hochgeschwindigkeitsstählen treten netzartige Karbide auf. Ebenso kommt es zur Entstehung einer eutektischen Struktur (Leydener Struktur). Zudem können naphthalinartige Bruchflächen entstehen. Bei martensitischem Edelstahl ist außerdem zu viel Ferrit vorhanden. Bei Messinglegierungen führt das Entziehen von Zink dazu, dass die Oberfläche grau wird. Nach der Säuberung zeigt die Oberfläche ein unregelmäßiges Aussehen. Das typische Überhitzungsgebiet ist in Abbildung 2 dargestellt. Je nach Schwierigkeit, mit der überhitzte Strukturen durch normale Wärmebehandlungsverfahren beseitigt werden können, lassen sie sich in stabile Überhitzungen und instabile Überhitzungen einteilen. Im Allgemeinen können überhitzte Strukturen durch normale Wärmebehandlung beseitigt werden; solche Strukturen bezeichnet man als instabile Überhitzungen. Stabile Überglühtes Material bezeichnet das Überglühte Material, das durch gewöhnliches Normalisieren, Ändern und Härtung nicht vollständig beseitigt werden kann. Ein wichtiges Merkmal der Überhitzung ist die Vergrößerung der Korngrößen. Dadurch sinkt die Zugfestigkeit, die Zähigkeit sowie die Stoßzähigkeit des Stahls – gleichzeitig steigt die Temperatur, bei der der Stahl brüchig wird. Eine weitere wichtige Eigenschaft der Überhitzung ist die Vergrößerung der Martensitkörner nach der Härtung. Dies verringert die Stoßzähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung, erhöht außerdem die Neigung zur Verformung sowie zum Rissbildung bei der Härtung. Zu den Defekten des überhitzten Stahls gehören außerdem Widmanstättenstruktur, naphthalinartige Bruchflächen sowie steinartige Bruchflächen. All das führt nicht nur zu einer Verringerung der mechanischen Eigenschaften des Stahls, sondern macht ihn auch anfälliger für Risse bei der Härtung. Um eine Überhitzung zu vermeiden, müssen geeignete Wärmebehandlungsverfahren richtig festgelegt und umgesetzt werden. Die Ofentemperatur sowie die Dauer der Wärmebehandlung müssen streng kontrolliert werden. Übliche Überhitzungserscheinungen können durch mehrfaches Anlassen oder Normalisieren beseitigt werden. Bei schwereren Fällen von Überhitzung, wie beispielsweise steinartigen Bruchmustern, lässt sich die Überhitzung nicht durch Wärmebehandlung beseitigen. In solchen Fällen sind hohe Dehnungstemperaturen in Kombination mit Anlassen erforderlich, um die Überhitzung zu beseitigen. Überhitzung: Bei Überhitzung treten lokale Schmelzen an den Kristallgrenzen auf, es entstehen Faserräume. Die Oberfläche von Aluminiumlegierungen wird schwarz und bläulich, außerdem zeigen die Bruchflächen eine graue, glanzlose Farbe. Bei Magnesiumlegierungen bilden sich Oxidgeschwülste an der Oberfläche. Überhitztes Material verschlechtert die Eigenschaften erheblich und führt leicht zu Wärmebehandlungsrisse. Daher ist Überhitzung ein unzulässiger Defekt bei der Wärmebehandlung. Sollte es zu Überhitzung kommen, können wertvolle Bauteile nur noch entsorgt werden. Deshalb muss in der Wärmebehandlung unbedingt verhindert werden, dass es zu Überhitzung kommt. Die Grad der Ballung ist unzulässig. In Autos, Traktoren sowie verschiedenen anderen Maschinen werden in großem Maße Standardteile und Befestigungselemente verwendet. Standardteile wie Achsen, Stifte und Stangen werden meist mit Automatenschneidmaschinen bearbeitet, während Befestigungselemente wie Schrauben, Muttern und Nieten in der Regel durch Kaltstempeln hergestellt werden. Um die Produktivität zu steigern und den Anforderungen der automatischen Bearbeitung sowie des Kaltstempelns gerecht zu werden, wird das Stahlmaterial vor der Verarbeitung entweder geläutert oder durch Ballungslegierung geläutert. Dabei muss der Grad der Ballung kontrolliert werden. Bei der automatischen Drehbearbeitung ist es notwendig, dass das Stahlmaterial gute Drehbarkeit aufweist. Die Dehnfähigkeit des Stahls sollte nicht zu hoch sein – andernfalls kann es dazu kommen, dass das Material am Werkzeug haftet. Zudem sollten die Späne kontinuierlich abgetrennt werden. Es ist daher wünschenswert, dass die Stahlstruktur aus flachen Perlitstrukturen besteht ； Die Kaltstanzverarbeitung erfordert, dass das Stahlmaterial gute Eigenschaften für den Kaltstanz aufweist – insbesondere eine gute Dehnfähigkeit – damit es beim Kaltstanz nicht reißt. Zudem soll die mikroskopische Struktur des Stahls aus kugelförmigem Perlit bestehen. Dafür gibt es die Branchenstandards JB/T5074-91 „Klassen der Sphärisierungsrate von Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt“, um die Sphärisierungsstufe zu bewerten. Nach der Bewertung des Grades der Sphärisierung der Karbide beträgt der Wert bei Stufe 1 0 – das bedeutet, dass das Perlit vollständig flachstrukturiert ist. Bei Stufe 6 liegt der Wert bei 100 % – das bedeutet, dass die Karbide in einem vollständig sphärischen Zustand sind. Für das Kaltstempeln wird in der Regel Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt der Klassen 4–6 benötigt. Für die Bearbeitung mit automatischen Maschinen wird Stahl mit niedrigem bis mittlerem Kohlenstoffgehalt der Klassen 1–3 benötigt. Eine unzureichende Ballung bei der Vorkaltbehandlung von Stählen mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt hat erhebliche Auswirkungen auf ihre Eigenschaften beim Kaltstempeln und automatischen Schneiden. Die Auswirkungen des Ballungsgrades auf die Eigenschaften beim Kaltstempeln sind in Tabelle 7 dargestellt. Es zeigt sich, dass bei Ballungsgraden 1–3 Risse auftreten können, wenn große Mengen des Stahls gekalt gestempelt werden. Bei Ballungsgraden 4–6 treten hingegen keine Risse auf. Daher sollte der Ballungsgrad von Stählen für das Kaltstempeln bei 4–6 liegen, um einwandfreie Ergebnisse zu erzielen. Praktische Erfahrungen aus der Massenproduktion zeigen, dass bei einer Ballungstemperatur der Stähle für die automatisierte Drehbearbeitung im Bereich von 1 bis 3 eine angemessene Oberflächenrauhigkeit der Bauteile erreicht wird. Zudem ist die Abnutzung der Säge normal, und die Produktivität bleibt hoch ； Wenn der Ballungsgrad über Stufe 3 liegt, ist eine Bearbeitung mit automatisierten Maschinen schwierig.