Stahl ist ein äußerst wichtiges Material auf globaler Ebene. Durch die Kombination von Eisen und Kohlenstoff erhalten wir eine außergewöhnlich widerstandsfähige Legierung, die Gebäude, Autotanks und die allgemeine Infrastruktur bildet. Eine der Eigenschaften dieses Materials ist seine Härte, d.h. seine Widerstandsfähigkeit gegen Verformungen, die durch Beulen, Schläge oder Verschleiß verursacht werden. Denken Sie daran, dass Stahl seine eigene Härte hat, die nicht immer ausreichend für bestimmte Aktionen ist. Um dieses Problem zu lösen, wurden Methoden zur erheblichen Steigerung der Härte und anderer Eigenschaften von Stahl entwickelt. Die Methoden, über die wir sprechen, beziehen sich auf das Härten von Stahl. Warum sollte man ein Kühlspray verwenden? Welche Methode hat die beste Abkühlgeschwindigkeit? Kann es zu dauerhaften Verformungen des gehärteten Elements kommen? Über die Technik selbst, ihre Vorteile und Auswirkungen schreiben wir unten!
Was ist Stahlhärtung?
Oberflächenhärtung von Stahl findet normalerweise am fertigen Produkt und nicht am Rohstoff statt. Bei der CNC-Bearbeitung ist die Stahlhärtung ein Endbearbeitungsprozess, der am Werkstück durchgeführt wird. Dies liegt daran, dass das Härten eines gesamten Stahlblocks nicht wirtschaftlich ist, da ein großer Teil davon während der Bearbeitung entfernt wird. Auch gehärteter Stahl ist schwieriger zu bearbeiten, da die Härte des Werkstücks das Eindringen des Werkzeugs erschwert.
Innenkonstruktionen aus Stahl und ihre Härte
Denken wir daran, dass Stahl je nach Anwendung eine unterschiedliche Zusammensetzung haben kann. Was ihn auszeichnet, ist seine innere Struktur. Mit steigendem Bedarf an stärkeren Metallen wird das Härten von Stahl notwendig. Stahl in seiner grundlegendsten Form hat eine relativ geringe Festigkeit und Härte. Dank der Möglichkeit, seine Struktur zu modifizieren, können wir jedoch eine stärkere Version davon erstellen. Das Härten von Stahl erhöht seine Härte und Festigkeit. In Bezug auf seine innere Struktur sollten die folgenden Konzepte vorgestellt werden:
Martensit
Dies ist die härteste Form der inneren kristallinen Struktur von Stahl, in der eine martensitische Umwandlung stattfindet. Schnelles Abkühlen von austenitischem Eisen erzeugt Martensit. Aufgrund der blitzschnellen Abkühlung wird Kohlenstoff in der festen Lösung eingeschlossen, was zu einer Verhärtung des betreffenden Teils führt. Martensit hat eine nadelförmige Mikrostruktur, die wie linsenförmige Platten oder Platten aussieht, die die Körner der Mutterphase trennen, immer in Kontakt, aber nie sich kreuzen.
Austenit
Austenit ist nach Martensit die zweithärteste Stahlstruktur im inneren Bereich. Es bezieht sich auf eine Eisenlegierung namens Gamma-Eisen. Es tritt normalerweise unter 1500°C und über 723°C auf.
Perlit
Perlit unterscheidet sich von Martensit dadurch, dass die Perlitstruktur durch langsames Abkühlen gebildet wird. Es handelt sich um ein geschichtetes System aus Ferrit und Zementit. Bei einer Temperatur von 723ºC wandelt sich Gamma-Eisen von seiner FCC-Struktur in Alpha-Eisen um, wobei Eisenkarbid (Zementit) aus der Lösung verdrängt wird.
Welche Methoden zur Stahlhärtung gibt es?
Es gibt verschiedene Methoden zur Stahlhärtung. Besonders hervorzuheben sind folgende Techniken:
- thermisch (z.B. isothermisches Härten),
- mechanisch,
- chemisch
- Kombination von zwei oder mehr davon.
Der thermische Härtungsprozess ist die häufigste Methode zur Härtung von Stahl. Es umfasst normalerweise drei grundlegende Schritte, einschließlich Erhitzen des Stahls, Halten bei einer bestimmten Temperatur und Abkühlen. Der erste Schritt besteht darin, das Metall auf eine Temperatur zu erhitzen, die hoch genug ist, um interne strukturelle Veränderungen zu verursachen. Es erleichtert auch die Arbeit am Metall, z.B. die Änderung seiner Form. Verschiedene Methoden zur Härtung von Stahl sind:
Kaltbearbeitung
Wie härtet man Stahl kalt aus? Kaltbearbeitung verändert oft die Eigenschaften von Stahl oder Metall. Diese Methode des Stahlhärtens verformt das Metall einfach bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes. In diesem Fall nehmen Eigenschaften wie die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Härte zu, während die Plastizität und Verformbarkeit des Materials abnehmen. Während etwa 90% der Energie in Form von Wärme während der Kaltbearbeitung verstreut wird, wird der Rest im kristallinen Netzwerk gespeichert, wodurch seine innere Energie erhöht wird.
Lösungsglühen der Legierung
Diese Technik besteht darin, Legierungselemente zum Grundmetall hinzuzufügen, um eine feste Lösung zu erzeugen. Ab diesem Zeitpunkt härtet das Metall aufgrund der Anwesenheit von Legierungsatomen im Netzwerk des Grundmetalls aus. Der Größenunterschied zwischen den Atomen der gelösten Substanz und des Lösungsmittels beeinflusst die Wirksamkeit fester Lösungen. Wenn die Atome der gelösten Substanz größer sind als die Atome des Lösungsmittels, entsteht ein Kompressionsfeld. Auf der anderen Seite, wenn die Atome des Lösungsmittels größer sind als die Atome der gelösten Substanz, gibt es ein Zugspannungsfeld. Gelöste Atome, die das Netzwerk in eine viereckige Struktur verdrehen, führen zu einer schnellen Aushärtung.
Härten und Anlassen
Mit dieser Methode wird Stahl auf eine kritische Temperatur über dem Austenitbereich erhitzt, darin gehalten und dann schnell abgekühlt oder häufiger in Wasser, Öl oder geschmolzenem Salz gehärtet. Bei untereutektoidem Stahl liegt die Erhitzungstemperatur 30-50ºC über der Austenitlösungslinie. Bei übereutektoidem Stahl ist die Temperatur höher als die eutektoidale Temperatur. Das Härten führt zu einer martensitischen Umwandlung, die den Stahl erheblich härter macht. Leider müssen wir bedenken, dass gehärteter Stahl sehr spröde ist und wir auf dieses Element der Metalloberfläche achten müssen.
Induktionshärten und Flammhärten
Dies ist eine Variante der Wärmebehandlung von Oberflächen, bei der das Element schnell erhitzt wird, um Schäden im Inneren des Materials zu verhindern. Das Material härtert dann schneller aus. Auf diese Weise entsteht an der Oberfläche ein hoher Martensitgehalt.
Diffusionshärten (Nitrieren)
Dies hängt mit Veränderungen in der Zusammensetzung der Oberflächenzone zusammen. Feine Partikel werden gestreut, was es einem ausgewählten Gas ermöglicht, zu reagieren und in den Stahl zu diffundieren. Während dieses Prozesses wird der Stahl einer Wärmebehandlung unterzogen, um eine getemperte martensitische Struktur zu erreichen. Anschließend wird das Element einer Ammoniakatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 550°C für 12-36 Stunden ausgesetzt. Geringe Mengen an Legierungselementen wie Al oder Cr erhöhen die Bildung fein dispergierter Nitride, was die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit erheblich verbessert. Diese Nitridzusammensetzung übertrifft Martensit in Bezug auf Härte erheblich.
Karburierung
Dies bezieht sich auf das Aussetzen von Stahl gegenüber einer Atmosphäre, die Kohlenstoff bei hohen Temperaturen enthält. Die Kohlenstoffatmosphäre kann aus hochwertiger Kohle oder zersetzt Erdgas erzeugt werden. Kohlenstoffatome diffundieren unter die Oberfläche des Metalls und bilden eine hochkohlenstoffhaltige Schicht, die dann gehärtet wird, um eine harte, verschleißfeste martensitische Oberfläche zu bilden.
Wie testet man die Härte von Stahl?
Obwohl das normale Härten die Härte des Stahls beeinflussen kann, ist es noch wichtig, die maximale Härtetiefe und die Methoden zur Untersuchung der Härtung zu kennen. Härte hat keine festgelegte Maßeinheit. Stattdessen wird sie durch eine Indexnummer beschrieben. Es gibt verschiedene Härteprüfungen, und die Metrik, die zur Beschreibung der Härte eines Materials verwendet wird, hängt von dem angewendeten Test ab. Einige typische Härteprüfungen sind:
- Brinell-Härteprüfung - In diesem Test wird eine Stahlkugel mit bekanntem Durchmesser als Belastung auf die Oberfläche des Materials aufgebracht.
- Vickers-Härteprüfung - Bei Vickers-Härteprüfungen basiert die Belastung auf einer quadratischen Diamantpyramide. Die Belastung wird für etwa 30 Sekunden auf die Oberfläche des Materials aufgebracht. Die Spur der Pyramide wird berechnet und dann zur Berechnung der Härte des Metalls verwendet.
Stahlsorten, die gehärtet werden können
Derzeit gelten die beliebtesten Stahlsorten für das Härten als:
- Kohlenstoffstahl
- Legierungsstahl,
- Edelstahl
- Werkzeugstahl
Die Hauptbestandteile von Stahl sind Eisen und Kohlenstoff. Die Eigenschaften jeder Sorte werden jedoch durch verschiedene Mengen von Kohlenstoff und anderen Legierungselementen bestimmt. Der Kohlenstoffgehalt in jedem Stahl bestimmt seine Härtbarkeit und maximale erreichbare Härte. Dies gilt insbesondere für das Härten, da Kohlenstoff die Bildung von Martensit begünstigt.
Zusammenfassung
Die Stahlhärtung ist ein notwendiges Element zur Verstärkung des Materials, das in der Natur verbessert werden muss. Denken Sie jedoch daran, dies auf professionelle Weise und gemäß den oben genannten Richtlinien durchzuführen.