Werkzeugwerkstoffe - Härten und Vergüten

Temperatureinfluss führt grundsätzlich zur Schwingung der Atome im Kristallgitter um ihre Gleichgewichtslage. Herrschen in Rand und Kern unterschiedliche T, so gibt es aufgrund der unterschiedlichen Schwingungen auch unterschiedliche Dehnungen und Spannungen.

Übersteigen die Spannungen die Warmstreckgrenze Re, so kommt es zu bleibender plastischer Verformung (Verzug).

Wird die Zugfestigkeit Rm überschritten, so sind auch Aufheizspannungsrisse möglich.

Bei der Phasenumwandlung während der Erwärmung werden Atome durch Diffusion umgruppiert. Ist die Erwärmungsgeschwindigkeit sehr hoch, so läuft die Diffusion zu langsam ab. Daher ist eine höhere Temperatur notwendig, damit die notwendige Diffusionsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Folge: die Umwandlung ist zu höherer Temperatur verschoben.

Bei mittleren Temperaturen liegen im inhomogenen Austenit noch Restcarbide vor, die die Bewegungen der Korngrenzen behindern --> nur moderates Kornwachstum

Bei höheren Temperaturen sind im homogenen Austenit alle Restcarbide aufgelöst, so dass deren die Korngröße stabilisierende Wirkung entfällt --> deutliche Kornvergröberung

Der gewünschte Ungleichgewichtszustand (Martensit) muss durch schnelles Abkühlen eingestellt werden.

Durch zu schnelles Abkühlen kann Verzug oder Rissbildung herbeigeführt werden.

--> Grundsatz: Abkühlen so schnell wie nötig, aber so langsam wie möglich.

• Zwangsbewegung des flüssigen Mediums (Umwälzpumpen, Einstellung einer starken Strömung)
• Bewegung des Werkzeuges (Schwenken mit Kran/Kette) 
• Mehrfaches Lüften/Tauchen

Lattenmartensit (niedrig legiert, C<0,4%)

Schlagartiges Wachstum von einzelnen Latten, vollständige Umwandlung des Austenits

Plattenmartensit (höher legiert, >C)

Martensitplatten teilen den Austenit in immer feinere Bereiche, Volumenver-größerung durch Martensit erzeugt Druckspannungen, die Restaustenit stabilisieren

Die Härtbarkeit ist eine Kombination aus Aufhärtung (Ansprunghärte) und Einhärtung (Durch-härtung).

Aufhärtung hängt fast nur vom C-Gehalt ab. Einhärtung wird durch die Legierungselemente beeinflusst.

Aufgrund von Entmischungen kommt es in Bereichen mit geringem C-Gehalt zum Wachstum von Ferritkeimen. Bei der Bildung des oberer Bainits bei ca. 400°C wird der Kohlenstoff auf den Lattengrenzen des Ferrits angereichert und führt dort zu Zementitbändern.

Bei ca. 300°C entsteht unterer Bainit. In seinen Platten werden Zementitteilchen orientiert ausgeschieden und sind deutliche kleiner als die Zementitbänder des oberen Bainits. Gegenüber Martensit bleibt weniger C in Zwangslösung und die Härte niedriger.

Martensit:

Scherumwandlung bewirkt Erhöhung der Versetzungsdichte

Eingelagerter Kohlenstoff (gelöste Atome) erhöhen Mischkristallhärte

Bainit:

Scherumwandlung bewirkt Erhöhung der Versetzungsdichte

Eingelagerter Kohlenstoff (gelöste Atome) erhöhen Mischkristallhärte

Ausgeschiedene kleine Carbide sorgen für Ausscheidungshärtung (unterer Bainit)

Weil Ausscheidungen passieren, ist der Verzerrungszustand aber geringer als beim Martensit

--> Härte niedriger

Härte in der Reihenfolge abnehmender Werte:

Martensit --> unterer Bainit --> oberer Bainit

• Es muss ein hoher C-Gehalt vorhanden sein
• Aufgrund von Entmischungen ist C nicht gleichmäßig verteilt. Der im Austenit gelöste C führt aufgrund seiner Fehlanpassung zu einem inneren Druck im Kristallgitter, so dass das Umklappen in krz verhindert wird
• Höherer C-Gehalt verschiebt Umwandlung zu tieferer Temperatur, Mf liegt dann z.T. unterhalb von Raumtemperatur

• Da der Rand schneller abkühlt als der Kern, möchte dieser stärker schrumpfen. Da der Schrumpfprozess durch die geringere Volumenabnahme im Kern behindert wird, resultieren daraus Zugspannungen für den Rand und Druckspannungen für den Kern.

• Wüstit
• Wüstit ist nicht stöchiometrisch zusammengesetzt, sondern weist ein Metalldefizit auf, so  dass permanent Metallatome aus dem Inneren im Wüstit eingelagert werden. Aus diesem Grund wächst die sich bildende Oxidschicht nun sehr viel schneller

• Steigende Härtetemperatur bedeutet eine höhere Austenitisierungstemperatur
• Dadurch ist der Anteil an gelösten C größer und der C-Anteil im Austenit steigt an à C wird stabilisiert und M_S sinkt
• Höhere Härtetemperatur geringere Martensit-Starttemperatur