Wärmebehandlungsprüfung

Warum ist die Überprüfung der Wärmebehandlung wichtig?

Stahl erhält seine besonderen Eigenschaften durch die grundlegende Gitterstruktur, Umformprozesse und wärmebehandlungsinduzierte mikrostrukturelle Veränderungen. Eine erfolgreiche Wärmebehandlung, sei es eine diffusionsbasierte Gleichgewichtsphasenumwandlung oder eine genau zeit- und temperaturgesteuerte Phasenumwandlung ist für die meisten technischen Komponenten in anspruchsvollen Anwendungen zwingend erforderlich.

Die Wärmebehandlung erfolgt in der Mitte des gesamten Werkstückherstellungsprozesses. Eine fehlerhafte Wärmebehandlung macht alle Prozesse vor und nach der Wärmebehandlung nutzlos. Um Nacharbeiten und Ausschuss zu vermeiden, muss die Qualität der Wärmebehandlung z.B. vor Schleifprozessen überprüft werden.

Wie wirken sich unterschiedliche Wärmebehandlungsprozesse auf die Materialeigenschaften aus?

Härten und Anlassen

Die Härtbarkeit ist ein Maß für die Fähigkeit von Stahl, Martensit (oder Bainit) beim Abschrecken zu bilden. Als Einheit für die Härtbarkeit wird die Tiefe gemessen, in der eine bestimmte Härte erreicht werden kann, wenn die Oberfläche abgeschreckt wird. Härte und Härtbarkeit sind nicht zu verwechseln. Härte ist ein Maß für die Fähigkeit des Materials, dem Eindringen eines anderen Körpers zu widerstehen.

Die Härtbarkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt im Stahl ab. Eine Legierung kann die erforderliche Abkühlungsgeschwindigkeit für die gewünschte Bildung von Martensit reduzieren. Abgeschreckter Martensit hat in der Regel starke Zugeigenspannungen und ist hart und spröde. Martensit kann sich in Nadeln, dünnen Platten oder Linsenform bilden. Anlassen reduziert Eigenspannungen und macht die Martensitmorphologie für mechanische Anwendungen günstiger. Reduzierte Härte ist ein Kompromiss für eine höhere Duktilität.

Nitrieren und Aufkohlen

Die Härte wird durch die Einbringung interstitiell gelöster Atome (Zwischengitteratome) in eine Stahlstruktur in einer kohlenstoff- oder stickstoffreichen Atmosphäre bei erhöhter Temperatur und Druck erhöht. Die erzielte Härte und Dicke der gehärteten Schicht sind kontrollierte Eigenschaften. Dabei entstehen Eigenspannungen durch Änderungen der Gitterabmessungen in der gehärteten Schicht.

Anlassen und spannungsreduzierende Wärmebehandlungen

Glühprozesse sind Hochtemperaturanwendungen zum Abbau von Spannungen, zur Normalisierung der Mikrostruktur und Korngröße nach der Umformung, zur Kontrolle der Korngröße durch Rekristallisation, zur Verringerung der Seigerungen und zur Homogenisierung der Eigenschaften.

Eigenspannungszustand und -textur werden reduziert, indem das Werkstück bei erhöhten Temperaturen gehalten wird, wodurch diffusionsbasierte Prozesse stattfinden und das Gefüge auf mikrostruktureller Ebene in Form von Versetzungen, Stapelfehlern, Zwillingsbildung und Korngrenzen entlastet wird. Die Härte wird reduziert, indem die in die Struktur eingebrachten Eigenspannungen gelöst werden.

Korngrößenkontrolle

Technische Materialien sind selten Einkristalle und die Korngröße hat signifikante Auswirkungen auf Festigkeit und Duktilität der Materialien. Bei Temperaturen oberhalb der Glühprozesse wächst die Korngröße und Rekristallisation tritt auf.

Häufige Wärmebehandlungsprobleme:

  • Randentkohlung
  • Zu geringes Aufkohlen
  • Unzureichende Atmosphärenqualität
  • Unzureichende Härtung
  • Falsche Anlasszeiten und -temperaturen
  • Kühlprobleme

Methoden zur Überprüfung der Wärmebehandlung

Röntgendiffraktion

Röntgendiffraktion ermöglicht die Messung des absoluten Eigenspannungswertes und des Restaustenitgehalts. Härtetiefenprofile können zerstörend mit der Röntgendiffraktion gemessen werden.

Röntgenstrahlen haben eine hohe Energie und eine kurze Wellenlänge im Vergleich zu sichtbarem Licht, was sie ideal für die Messung des Gitterebenenabstandes in kristallinen Materialien macht.

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Barkhausenrauschen-Analyse

Härte und Spannung beeinflussen direkt die Intensität des Barkhausenrauschens. Mit dem Barkhausenrauschen ist es einfach, den Erfolg des Wärmebehandlungsprozesses zu überprüfen und korrekt gehärtete Teile von falsch oder unzureichend gehärteten Teilen zu trennen.

Die Barkhausenrauschen-Analyse ist eine zerstörungsfreie Methode, bei der ein rauschähnliches Signal gemessen wird, das in einem ferromagnetischen Material durch ein angelegtes Magnetwechselfeld induziert wird.

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