Isothermes Glühen von Stahl – Prozess, Temperatur, Mikrostruktur und Anwendung

Isothermes Glühen von Stahl Es handelt sich um ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Stahl nach dem Erhitzen auf die Austenitisierungstemperatur auf eine geeignet gewählte Umwandlungstemperatur abgekühlt und anschließend isotherm gehalten wird, bis das gewünschte Gefüge erreicht ist. Nach Abschluss der Grundumwandlung kann der Stahl auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden.
Im Kontrast zu vollständiges GlühenBei der isothermen Glühung, bei der die Austenitumwandlung durch sehr langsame, kontinuierliche Abkühlung erfolgt, wird das Material kontrolliert auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Dies ermöglicht eine bessere Kontrolle des Umwandlungsprozesses, ein gleichmäßigeres Mikrogefüge und – bei geeigneten Stahlsorten – eine Verkürzung der Verarbeitungszeit.
Das Verfahren wird vor allem für legierte Stähle, Werkzeugstähle und andere Stahlsorten angewendet, bei denen ein herkömmliches Glühen mit sehr langsamer Abkühlung zu zeitaufwändig wäre oder die Erzielung der erforderlichen Struktur erschweren würde.

Was ist isothermes Glühen?

Das Wesentliche des Verfahrens besteht darin, die Abkühlung nach der Austenitisierung von der eigentlichen Austenitumwandlung zu trennen. Sobald das gewünschte austenitische Gefüge erreicht ist, wird der Stahl nicht sehr langsam auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Temperatur wird vielmehr auf ein Niveau gesenkt, bei dem eine kontrollierte Austenitumwandlung stattfinden kann, und anschließend wird das Material für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
Begriff "isotherm" Das bedeutet, dass der Hauptteil der Umwandlung stattfindet, während das Material bei annähernd konstanter Temperatur gehalten wird.
Temperatur und Haltezeit müssen für die jeweilige Stahlsorte ausgewählt werden. Diese werden durch Faktoren wie chemische Zusammensetzung, kritische Temperaturen, Austenit-Umwandlungskinetik, geforderte Eigenschaften und die Größe des Werkstücks bestimmt.

Zweck des isothermen Glühens

Das Hauptziel des isothermen Glühens ist es, durch die Austenit-Umwandlung bei einer geeignet gewählten Temperatur ein kontrolliertes und möglichst homogenes Mikrogefüge zu erzielen.
Das Verfahren kann verwendet werden, um:

• Reduzierung der Stahlhärte vor der Weiterverarbeitung
• Verbesserung der Bearbeitbarkeit geeigneter Stahlsorten,
• Erzielung einer homogeneren Mikrostruktur über den gesamten Querschnitt des Elements,
• Vorbereitung des Materials für die weitere Wärmebehandlung,
• Kontrolle der Austenit-Umwandlungsprodukte
• Dies verkürzt die Verarbeitungszeit im Vergleich zur sehr langsamen Abkühlung beim klassischen Vollglühen, insbesondere bei einigen legierten Stählen.

Isothermer Glühprozess

Ein typischer isothermer Glühprozess kann in vier grundlegende Phasen unterteilt werden: Austenitisierung, Abkühlung auf die Umwandlungstemperatur, isothermes Halten und abschließende Abkühlung.

1. Erhitzen und Austenitisieren

Stahl wird auf die für die Stahlsorte und den erforderlichen Austenitisierungsgrad geeignete Temperatur erhitzt. Während des Erhitzens finden Umwandlungen statt, die zur Bildung von Austenit führen.
Die Austenitisierungstemperatur lässt sich nicht als einheitlicher Wert für alle Stähle definieren. Sie hängt vom Kohlenstoffgehalt, den Legierungselementen, der Ausgangsstruktur und den kritischen Temperaturen des Materials ab.

2. Abkühlen auf die isotherme Haltetemperatur

Nach Abschluss der Austenitisierung wird der Stahl auf eine geeignet gewählte Temperatur abgekühlt, bei der die grundlegende Umwandlung von Austenit stattfindet.
Dieser Schritt muss so durchgeführt werden, dass das Auftreten unerwünschter Umwandlungen beim Übergang zur isothermen Haltetemperatur minimiert wird. Die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit hängt von den Umwandlungseigenschaften der jeweiligen Stahlsorte ab.

3. Isothermer Widerstand

Sobald die erforderliche Temperatur erreicht ist, wird das Material dort für eine ausreichende Zeit gehalten, damit die beabsichtigte Austenit-Umwandlung stattfinden kann.
Dieser Schritt unterscheidet das Verfahren vom klassischen Vollglühen. Anstatt die Umwandlung mit einem kontinuierlichen, sehr langsamen Temperaturabfall durchzuführen, wird ein Temperaturbereich genutzt, in dem die Umwandlung kontrolliert ablaufen kann.

4. Abschließende Abkühlung

Nach Abschluss der erforderlichen Umwandlung wird das Material auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Da die primäre Austenitumwandlung bereits während des isothermen Haltens abgeschlossen ist, hat die weitere Abkühlungsmethode eine andere Bedeutung als die direkte Abkühlung aus dem Austenitbereich.
Die genaue Methode der Endkühlung sollte anhand der für die jeweilige Güteklasse und die Abmessungen des Bauteils geeigneten Technologie bestimmt werden.

Isotherme Glühtemperatur

Beim isothermen Glühen muss zwischen folgenden Punkten unterschieden werden: Austenitisierungstemperatur od isotherme HaltetemperaturDies sind zwei unterschiedliche Prozessparameter.
Die Austenitisierungstemperatur muss so gewählt werden, dass die gewünschte Austenitstruktur erreicht wird. Anschließend wird das Material auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt, die für die erforderliche Umwandlung geeignet ist.
Daher sollte ein einzelner Wert, wie beispielsweise 600–700 °C, nicht als universelle „isotherme Glühtemperatur“ verwendet werden. Ein solcher Bereich kann in bestimmten Technologien auftreten, die geeignete Temperatur hängt jedoch von der Stahlsorte und ihrem Umwandlungsprozess ab.

Die Bedeutung von CTPi-Diagrammen beim isothermen Glühen

Die Wahl der Parameter für das isotherme Glühen steht in engem Zusammenhang mit der Kinetik der Austenitumwandlung. Sie sind besonders nützlich. CTPi – Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramme für isotherme Umwandlungen, die den Zusammenhang zwischen Temperatur, Haltezeit und dem Verlauf der Umwandlungen von unterkühltem Austenit aufzeigt.
Anhand der Tabelle können Sie unter anderem Folgendes ermitteln:

• die Temperatur, bei der eine bestimmte Umwandlung beginnt,
• die Zeit, die benötigt wird, um die Transformation in Gang zu setzen,
• die Zeit, die zum Fertigstellen benötigt wird,
• Temperaturbereich der Bildung spezifischer Austenit-Umwandlungsprodukte.

CTPi-Diagramme gelten spezifisch für eine bestimmte Stahlsorte und einen bestimmten Materialzustand. Daher sollten isotherme Glühparameter nicht direkt von einer Stahlsorte auf eine andere übertragen werden.

Was geschieht mit Austenit während des isothermen Glühens?

Der beim Erhitzen gebildete Austenit wird beim Abkühlen unter seinen Stabilitätsbereich zu einem unterkühlten Gefüge. Wird der Stahl auf der geeigneten Temperatur gehalten, setzen Umwandlungen ein, die zur Bildung neuer Gefügekomponenten führen.
Die Art des entstehenden Gefüges hängt von der isothermen Haltetemperatur und den Umwandlungseigenschaften der jeweiligen Stahlsorte ab. Im perlitischen Umwandlungsbereich kann sich ein ferritisch-perlitisches Gefüge bilden, dessen Morphologie von der Umwandlungstemperatur abhängt.
Je niedriger die Umwandlungstemperatur im perlitischen Bereich ist, desto feiner kann im Allgemeinen das resultierende perlitische Gefüge sein. Diese Veränderung der Mikrostruktur beeinflusst wiederum die Härte, Festigkeit und Bearbeitbarkeit des Werkstoffs.

Mikrostruktur nach isothermer Glühung

Es gibt keine einheitliche Mikrostrukturcharakteristik für jeden isothermen Glühprozess. Der Effekt hängt von der Stahlzusammensetzung, der Austenitisierungstemperatur, der Abkühlgeschwindigkeit bis zur Umwandlungstemperatur sowie der Haltezeit und -temperatur ab.
Wenn der Prozess eine perlitische Umwandlung beinhaltet, kann das Ziel darin bestehen, ein einheitliches ferritisch-perlitisches Gefüge zu erzielen. Die Eigenschaften eines solchen Gefüges hängen unter anderem vom Grad der Perlitfragmentierung und dem Anteil der einzelnen Gefügekomponenten ab.

Einfluss von Parametern auf den Effekt des isothermen Glühens

Isothermes Glühen und vollständiges Glühen

Beide Prozesse können mit einer Austenitisierung beginnen, unterscheiden sich aber in der Art und Weise, wie die Austenitumwandlung durchgeführt wird. vollständiges Glühen Das Material wird sehr langsam abgekühlt, üblicherweise im Ofen, und die Veränderungen erfolgen während des kontinuierlichen Temperaturabfalls.
Bei der isothermen Glühung wird das austenitisierte Material auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt und dort gehalten, um die Umwandlung zu durchlaufen.

Isothermes Glühen und Normalisieren

während normalisierender Stahl Nach der Austenitisierung wird das Material an der Luft abgekühlt. Das charakteristische isotherme Glühen, bei dem der Prozess bei einer bestimmten Temperatur gestoppt wird, um eine kontrollierte Umwandlung zu erreichen, wird ausgelassen.
Normalglühen dient primär der Standardisierung und Verfeinerung des Gefüges und der Erzielung spezifischer mechanischer Eigenschaften. Isothermes Glühen hingegen ermöglicht eine präzisere Steuerung der Austenitumwandlungsbedingungen.

Isothermes Glühen und sphäroidisierendes Glühen

Das Kugelglühen dient primär dazu, Zementit oder anderen Carbiden eine geeignete, nahezu kugelförmige Gestalt zu verleihen. Es ist besonders wichtig für hochkohlenstoffhaltige Stähle, Wälzlagerstähle und Werkzeugstähle.
Die isotherme Glühung hingegen nutzt die Austenitumwandlung, die beim Halten bei einer bestimmten Temperatur auftritt. Ziele und Mechanismen der beiden Verfahren unterscheiden sich daher, obwohl beide zur Vorbereitung von Stahl für die Weiterverarbeitung eingesetzt werden können.

Isothermes Glühen und isothermes Härten

Isothermes Glühen sollte nicht mit isothermer Härtung verwechselt werden. Bei beiden Verfahren wird das Material auf einer bestimmten Temperatur gehalten, aber der Zweck der Behandlung, der Bereich der Umwandlungstemperaturen und die erforderliche Endmikrostruktur sind unterschiedlich.
Isothermes Glühen zielt unter anderem darauf ab, ein für die Weiterverarbeitung geeignetes Gefüge zu erzielen und häufig die Härte zu reduzieren. Isothermes Härten hingegen nutzt einen sorgfältig ausgewählten Zyklus, um das für diese Art der Härtung charakteristische Gefüge und die Eigenschaften zu erreichen.

Isothermes Glühen von legierten Stählen

Bei legierten Stählen ist das isotherme Glühen von besonderer Bedeutung, da die Anwesenheit von Elementen wie Chrom, Molybdän, Nickel oder Mangan die Kinetik der Umwandlungen von unterkühltem Austenit erheblich verändern kann.
Die verlängerte Zeit, die für den Beginn und den Abschluss der Umwandlung bei kontinuierlicher Abkühlung benötigt wird, kann das klassische Vollglühen zeitaufwändig machen. Ein geeignet ausgelegter isothermer Prozess ermöglicht eine kontrolliertere Umwandlung.

Isothermes Glühen von Werkzeugstählen

Bei Werkzeugstählen ist der Zustand des Materials vor der Bearbeitung und der anschließenden Härtung entscheidend. Durch eine geeignete Glühbehandlung lässt sich die Härte reduzieren und präzise Schneidvorgänge ermöglichen.
Das bedeutet jedoch nicht, dass isothermes Glühen für jeden Werkzeugstahl die beste Methode ist. Für viele hochkohlenstoffhaltige Werkzeugstähle ist isothermes Glühen besonders wichtig. sphäroidisierendes GlühenDenn die Eigenschaften des Materials vor der Aushärtung werden auch durch die Form und Verteilung der Carbide bestimmt.

Der Einfluss des isothermen Glühens auf die Bearbeitbarkeit

Durch sachgemäßes isothermes Glühen lässt sich die Bearbeitbarkeit des Materials verbessern, indem eine gleichmäßigere Mikrostruktur und eine angemessene Härte erzielt werden.
Es sollte jedoch nicht davon ausgegangen werden, dass eine Minimierung der Härte automatisch optimale Bearbeitbarkeit gewährleistet. Zu weicher und duktiler Stahl kann zu ungünstiger Spanbildung, Kantenaufbau und verminderter Oberflächenqualität führen. Daher sollte das optimale Mikrogefüge für die jeweilige Stahlsorte und das nachfolgende Bearbeitungsverfahren ausgewählt werden.

Der Einfluss der Elementgröße auf den isothermen Prozess

Die Abmessungen eines Bauteils sind insbesondere beim Übergang von der Austenitisierungstemperatur zur isothermen Haltetemperatur von Bedeutung. Da die Oberfläche des Bauteils schneller abkühlt als sein Kern, erfordert die Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im gesamten Volumen großvolumiger Bauteile einen sorgfältig ausgelegten Prozess.
Beginnt während der Abkühlung ein Teil des Querschnitts seine Umwandlung, bevor die isotherme Haltetemperatur erreicht ist, kann das resultierende Mikrogefüge inhomogen sein. Daher muss bei der Prozessanwendung neben der Stahlsorte auch die Masse und Geometrie des Bauteils berücksichtigt werden.

Vorteile des isothermen Glühens

• die Möglichkeit einer präziseren Steuerung der Austenitumwandlungsbedingungen,
• Möglichkeit, ein homogenes Mikrogefüge zu erhalten,
• Bei geeigneten Stählen kann die Prozesszeit im Vergleich zu sehr langsamer Abkühlung verkürzt werden.
• die Möglichkeit, Eigenschaften zu erzielen, die für die weitere Bearbeitung günstig sind,
• Eignung für die Bearbeitung einiger Legierungs- und Werkzeugstähle,
• die Fähigkeit, die Mikrostruktur an nachfolgende Produktionsstufen anzupassen.

Nachteile und Grenzen des isothermen Glühens

• die Notwendigkeit, Temperatur und Haltezeit für die jeweilige Stahlsorte präzise auszuwählen.
• höhere Anforderungen an die Temperaturkontrolle als bei einfachen Glühprozessen.
• Einschränkungen im Zusammenhang mit großen Querschnitten der Elemente und Unterschieden in den Abkühlungsraten von Oberfläche und Kern,
• das Risiko, während der Abkühlung auf eine isotherme Temperatur eine unerwünschte Umwandlung auszulösen,
• die Notwendigkeit, die Kinetik der Umwandlungen einer bestimmten Stahlsorte zu kennen,
• Das Verfahren ist nicht für jede Stahlsorte optimal.

Isothermes Glühen – die wichtigsten Informationen

Isothermes Glühen Die Austenitisierung ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das die kontrollierte Umwandlung von unterkühltem Austenit nutzt, während Stahl auf einer gewählten Temperatur gehalten wird. Nach der Austenitisierung wird das Material auf die Umwandlungstemperatur abgekühlt, für die erforderliche Zeit auf dieser Temperatur gehalten und anschließend auf Umgebungstemperatur abgekühlt.
Im Vergleich zum vollständigen Glühen ermöglicht dieses Verfahren eine direktere Steuerung der Austenitumwandlungsbedingungen und kann bei geeigneten Stählen die Verarbeitungszeit verkürzen. Dies ist besonders wichtig für bestimmte legierte Stähle, bei denen die sehr langsame Abkühlung während des klassischen vollständigen Glühens zu lange dauern würde.
Die Austenitisierungstemperatur, die isotherme Haltetemperatur und die Umwandlungszeit müssen für jede Stahlsorte individuell gewählt werden. Das wichtigste Werkzeug zur Analyse solcher Umwandlungen sind CTPi-Diagramme, die den Zusammenhang zwischen Zeit, Temperatur und dem Verlauf der Umwandlung von unterkühltem Austenit darstellen.

Verfahren zur Wärme- und thermochemischen Behandlung von Stahl

Das Weichglühen ist nur eine von mehreren Prozessgruppen, die zur Modifizierung des Mikrogefüges und der Eigenschaften von Stahl eingesetzt werden. Je nach gewünschtem Effekt kommen auch Normalisieren, Spannungsarmglühen, Härten, Anlassen und thermochemische Verfahren wie Aufkohlen und Nitrieren zum Einsatz.

Methoden zur Wärmebehandlung von Stahl

• Normalisierender Stahl – Kornverfeinerung und Mikrostrukturvereinheitlichung.
• Spannungsarmglühen – Reduzierung der Eigenspannungen.
• Erweichung von Stahl – Verringerung der Härte und Verbesserung der Eignung für die Weiterverarbeitung.
• Vollständiges Glühen – Austenitisierung und langsame Abkühlung.
• Isothermes Glühen – Die Umwandlung erfolgt bei einer geeignet gewählten Temperatur.
• Kugelglühen – Sphäroidisierung – Veränderung der Morphologie von Zementit oder anderen Carbiden.
• Rekristallisationsglühen – Beseitigung der Auswirkungen von Quetschungen und Wiederherstellung der Plastizität.
• Homogenisierendes Glühen – Verringerung der Entmischung und Homogenisierung der Materialzusammensetzung.
• Härten und Wärmebehandlung – die Mikrostruktur und die Eigenschaften durch Härten und Anlassen zu formen.
• Härtestahl – kontrollierte Modifizierung der Stahleigenschaften nach dem Härten.
• Induktionshärten – Oberflächeninduktionserwärmung und schnelle Abkühlung.
• Flammhärten – Oberflächenhärtung nach lokaler Erwärmung mit einer Flamme.
• Übersättigung – Gewinnung einer übersättigten festen Lösung durch einen geeigneten thermischen Zyklus.
• Altern – kontrollierte Phasentrennung, die zu einer Materialverfestigung führt.

Verfahren zur thermochemischen Behandlung von Stahl

• Nitrieren von Stahl – Diffusionsanreicherung der Oberflächenschicht mit Stickstoff.
• Einsatzstahl – Diffusionsanreicherung der Oberfläche mit Kohlenstoff.
• Carbonitriding – gleichzeitige Anreicherung der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff.
• Nitrocarburierung / Nitrocarburierung – Anreicherung der Schicht vorwiegend mit Stickstoff und Kohlenstoff.
• Bohren – Diffusionssättigung der Oberfläche mit Bor.
• Diffusionsverchromung – Diffusionsanreicherung der Schicht mit Chrom.
• Diffusionsaluminieren – Diffusionsanreicherung der Schicht mit Aluminium.