Kohlenstoffstahl

Der Zweck der Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl besteht darin, die mechanischen Eigenschaften von Stahl zu ändern, normalerweise Duktilität, Härte, Streckgrenze oder Schlagfestigkeit. Beachten Sie, dass die elektrische und thermische Leitfähigkeit nur geringfügig verändert sind. Wie bei den meisten Verstärkungstechniken für Stahl ist Youngs Modul (Elastizität) unberührt., Alle Behandlungen von Stahl Handel Duktilität für erhöhte Festigkeit und umgekehrt. Eisen hat eine höhere Löslichkeit für Kohlenstoff in der Austenitphase; Daher beginnen alle Wärmebehandlungen, außer Sphäroidisieren und Prozessglühen, mit dem Erhitzen des Stahls auf eine Temperatur, bei der die austenitische Phase existieren kann. Der Stahl wird dann mit einer moderaten bis niedrigen Rate abgeschreckt (Wärme herausgezogen), so dass Kohlenstoff aus dem Austenit diffundieren kann, das Eisencarbid (Zementit) bildet und Ferrit hinterlässt, oder mit einer hohen Rate, wobei der Kohlenstoff innerhalb des Eisens eingeschlossen wird, wodurch Martensit gebildet wird., Die Geschwindigkeit, mit der der Stahl durch die Eutektoidtemperatur (etwa 727 °C) gekühlt wird, beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der Kohlenstoff aus Austenit diffundiert und Zementit bildet. Im Allgemeinen wird durch schnelles Abkühlen Eisenkarbid fein dispergiert und ein feinkörniger Perlit erzeugt, und durch langsames Abkühlen entsteht ein gröberer Perlit. Das Abkühlen eines hypoeutektoiden Stahls (weniger als 0,77 Gew. – % C) ergibt eine lamellar-perlmuttartige Struktur von Eisenkarbidschichten mit α-Ferrit (fast reinem Eisen) dazwischen. Wenn es hypereutektoider Stahl ist (mehr als 0.,77 gew. – % C) dann ist die Struktur voll Perlit mit kleinen Körnern (größer als die Perlit Lamellen) von Zementit an den Korngrenzen gebildet. Ein eutektoider Stahl (0,77% Kohlenstoff) hat eine Perlitstruktur in den Körnern ohne Zementit an den Grenzen. Die relativen Mengen an Bestandteilen werden mit der Hebelregel ermittelt. Im Folgenden finden Sie eine Liste der möglichen Arten von Wärmebehandlungen:

Sphäroidisierender Sphäroidit bildet sich, wenn Kohlenstoffstahl über 30 Stunden auf ungefähr 700 °C erhitzt wird., Sphäroidit kann sich bei niedrigeren Temperaturen bilden, aber die benötigte Zeit nimmt drastisch zu, da dies ein diffusionsgesteuerter Prozess ist. Das Ergebnis ist eine Struktur von Stäben oder Zementitkugeln innerhalb der Primärstruktur (Ferrit oder Perlit, abhängig davon, auf welcher Seite des Eutektoids Sie sich befinden). Der Zweck ist, höhere Kohlenstoffstähle zu erweichen und mehr Formbarkeit zu ermöglichen. Dies ist die weichste und duktilste Form von Stahl. Vollglühen Kohlenstoffstahl wird auf etwa 40 °C über Ac3 erhitzt? oder Acm?, für 1 Stunde; Dies stellt sicher, dass sich der gesamte Ferrit in Austenit umwandelt (obwohl Zementit möglicherweise noch vorhanden ist, wenn der Kohlenstoffgehalt größer als das Eutektoid ist). Der Stahl muss dann langsam abgekühlt, im Bereich von 20 °C (36 °F) pro Stunde. Normalerweise ist es nur Ofen gekühlt, wo der Ofen mit dem Stahl noch im Inneren ausgeschaltet ist. Dies führt zu einer groben perlitischen Struktur, was bedeutet, dass die „Bänder“ von Perlit dick sind. Vollständig geglühter Stahl ist weich und duktil, ohne innere Spannungen, was oft für eine kostengünstige Umformung erforderlich ist. Nur sphäroidisierter Stahl ist weicher und duktiler., Prozessglühen Ein Verfahren zum Spannungsabbau in einem kaltgearbeiteten Kohlenstoffstahl mit weniger als 0,3% C. Der Stahl wird normalerweise 1 Stunde lang auf 550-650 °C erhitzt, manchmal jedoch auf Temperaturen bis zu 700 °C. Das Bild zeigt rechts den Bereich, in dem das Prozessglühen stattfindet. Isothermales Glühen Es ist ein Prozess, bei dem hypoeutektoider Stahl über die obere kritische Temperatur erhitzt wird. Diese Temperatur wird eine Zeit lang aufrechterhalten und dann auf unter die niedrigere kritische Temperatur reduziert und wieder aufrechterhalten. Es wird dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Methode eliminiert jeden Temperaturgradienten., Normalisierender Kohlenstoffstahl wird für 1 Stunde auf ungefähr 55 °C über Ac3 oder Acm erhitzt; Dies stellt sicher, dass sich der Stahl vollständig in Austenit umwandelt. Der Stahl wird dann luftgekühlt, was eine Kühlrate von ungefähr 38 °C (100 °F) pro Minute darstellt. Dies führt zu einer feinen perlitischen Struktur und einer gleichmäßigeren Struktur. Normalisierter Stahl hat eine höhere Festigkeit als geglühter Stahl; es hat eine relativ hohe Festigkeit und Härte. Abschrecken Kohlenstoffstahl mit mindestens 0,4 Gew. – % C wird auf normalisierende Temperaturen erhitzt und dann schnell abgekühlt (abgeschreckt) in Wasser, Sole oder Öl auf die kritische Temperatur., Die kritische Temperatur ist abhängig vom Kohlenstoffgehalt, ist aber in der Regel mit steigendem Kohlenstoffgehalt niedriger. Dies führt zu einer martensitischen Struktur; eine Form von Stahl, der einen supergesättigten Kohlenstoffgehalt in einer deformierten körperzentrierten kubischen (BCC) kristallinen Struktur besitzt, die richtig als körperzentriertes Tetragonal (BCT) bezeichnet wird, mit viel innerer Belastung. So ist gelöschter Stahl extrem hart, aber spröde, meist zu spröde für praktische Zwecke. Diese inneren Spannungen können Spannungsrisse an der Oberfläche verursachen., Gelöschter Stahl ist ungefähr dreimal härter (vier mit mehr Kohlenstoff) als normalisierter Stahl. Martempering (Marquenching) Martempering ist eigentlich kein Temperierverfahren, daher der Begriff Marquenching. Es ist eine Form der isothermen Wärmebehandlung, die nach einem anfänglichen Abschrecken, typischerweise in einem geschmolzenen Salzbad, bei einer Temperatur knapp über der „Martensit-Starttemperatur“angewendet wird. Bei dieser Temperatur werden Restspannungen innerhalb des Materials entlastet und aus dem zurückgehaltenen Austenit kann etwas Bainit gebildet werden, das keine Zeit hatte, sich in etwas anderes zu verwandeln., In der Industrie ist dies ein Verfahren zur Kontrolle der Duktilität und Härte eines Materials. Bei längerem Abschrecken erhöht sich die Duktilität mit minimalem Festigkeitsverlust; Der Stahl wird in dieser Lösung gehalten, bis sich die Innen-und Außentemperaturen des Teils ausgleichen. Dann wird der Stahl mit mäßiger Geschwindigkeit abgekühlt, um den Temperaturgradienten minimal zu halten. Dieser Prozess reduziert nicht nur innere Spannungen und Spannungsrisse, sondern erhöht auch die Schlagfestigkeit., Temperieren Dies ist die häufigste Wärmebehandlung, da die endgültigen Eigenschaften genau durch die Temperatur und den Zeitpunkt des Temperns bestimmt werden können. Beim Temperieren wird gelöschter Stahl auf eine Temperatur unterhalb der Eutektoidtemperatur erwärmt und anschließend abgekühlt. Durch die erhöhte Temperatur können sich sehr kleine Mengen Sphäroidit bilden, was die Duktilität wiederherstellt, aber die Härte verringert. Die tatsächlichen Temperaturen und Zeiten werden für jede Komposition sorgfältig ausgewählt., Austemperung Der Austemperierungsprozess ist der gleiche wie das Austempern, außer dass das Abschrecken unterbrochen wird und der Stahl im geschmolzenen Salzbad bei Temperaturen zwischen 205 °C und 540 °C gehalten und dann mit einer moderaten Geschwindigkeit abgekühlt wird. Der resultierende Stahl, Bainit genannt, erzeugt eine acikuläre Mikrostruktur im Stahl, die eine große Festigkeit (aber weniger als Martensit), eine größere Duktilität, eine höhere Schlagzähigkeit und eine geringere Verzerrung als Martensitstahl aufweist. Der Nachteil der Austemperation ist, dass sie nur bei wenigen Stählen verwendet werden kann und ein spezielles Salzbad erfordert.