Kategorie:Wärmebehandlung von Stahl

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Auf die Skikante wirken starke Belastungen. Deswegen sind besondere Eigenschaften des Stahls gefordert, welche man mit einer Wärmebehandlung erreichen kann. Hierdurch ist eine bessere Verankerung (Verschraubung) im Ski gewährleistet. Die Verschleißfestigkeit sowie die Elastizität der Kante werden ebenfalls verbessert.

Zum Einsatz für die Profilkante kommen Kohlenstoffstähle mit ca. 0,6% Kohlenstoff. Ab einem Kohlenstoffgehalt des Stahls von 0,2% ist ein Härten bzw. Vergüten möglich. Mit den vergüteten Kanten kann eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber Beschädigungen (Steinberührung) erzielt werden. Zu beachten ist, dass eine zu hohe Härte der Skikante auch negative Aspekte mit sich bringt. Besonders schlecht wirkt sich dies auf das anschließende Schleifen aus.

Je nach Wärmebehandlungsverfahren können die gewünschten Eigenschaften des Stahls verbessert werden. Eine gelungene Übersicht der wesentlichen Verfahren bietet das Wiki der Berufsschule Winsen.

Durch das Härten von Stählen wird die Zugfestigkeit, Härte und Dauerbruchfestigkeit erhöht. Das Vergüten verbessert zudem die Elastizität. Mit dem Härten und Vergüten kann die Kante also ihre erforderten Eigenschaften erhalten. Deshalb befasst sich der folgende Beitrag mit diesen Verfahren.

Im ersten Teil werden die physikalischen Hintergründe erläutert, um anschließend die eigentlichen Verfahren zu beleuchten. Zum Abschluss findet sich ein Versuch, den die geneigte Lehrperon in der winterlichen Umgebung von seinen Schülern durchführen lassen kann.

Kristallgittertypen von Stahlwerkstoffen

Innerer Aufbau von Metallen - metallische Bindung-

Metallatome geben Elekronen der äußeren Schale ab und bilden positiv geladene Ionen, sie sind in Abb. 1 als Kugeln zu erkennen. Die abgegebenen Elektronen befinden sich im Raum zwischen den Atomrümpfen und bilden das sogenannte Elektronengas. Zwischen Elektronen und Atomrümpfen wirken Anziehungskräfte. Sie bewirken die metallische Bindung.

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Abb. 1: Metallische Bindung (Bargel/Schulze, S.1)

Die Atome stoßen sich gegenseitig ab, werden aber von den Elektronen zusammengehalten. Beide entgegengesetzte Kraftwirkungen bewirken einen gleichmäßigen Abstand zwischen den einzelnen Atomrümpfen. Dies hat zur Folge, dass sie sich räumlich geordnet plazieren. Es entsteht ein Kristallgitter. In Abb. 2 ist exemplarisch ein einfaches Raumgitter abgebildet. Es verdeutlicht die durchgehend gleiche Anordnung der Atomrümpfe.

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Abb. 2: Einfaches kubisches Raumgitter (Bargel/Schulze, S.2)

Bei Stahlwerkstoffen sind zwei Kristallgittertypen von besonderer Bedeutung, das kubisch raumzentrierte und das kubisch flächenzentrierte Kristallgitter. Diese werden untenstehen näher erläutert.


Kubisch raumzentriertes Kristallgitter

Die Metallatome ordnen sich in Form eines Würfels an. An jeder der acht Ecken befindet sich ein Atom. In der Mitte des Würfels ist ein weiterer Atomrumpf platziert.

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Abb. 3: Kristallgittertypen (Dillinger, S. 247)

Eisen Kohlenstoff Diagramm (EKD)

Für die Wärmebehandlung sind sind vier Gefügearten von besonderer Bedeutung (Abb. 7)

  1. Ferrit + Perlit
  2. Perlit
  3. Perlit+Korngrenzzementit
  4. Austenit, (Eisen im kfz-Kristallgitter)

Das Eisenkohlenstoffdiagramm (Abb. 6) bietet eine Zuordnung der Gefügearten zu Kohlenstoffgehalt und Temperatur des Stahls.


Bei langsamer Temperaturänderung ändern sich die Gefüge gemäß des EKD. Bei schneller Abkühlung hingegen treten Besonderheiten auf, welche für das Härten ausgenutzt werden. Diese werden nachfolgend erläutert.

Härten

Das Ziel des Härtens ist eine höhere Zugfestigkeit und Härte des Stahls. Es umfasst insgesamt vier Arbeitsschritte (Abb. 8).

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Abb. 8: Zeit - Temperaturverlauf (Fischer, 2008)

Erwärmen auf Härtetemperatur

Der Stahl wird bis über die Austenitisierungstemperatur erhitzt, ab hier wandelt sich das kubisch raumzentrierte Kristallgitter in das kubisch flächenzentrierte um. Dies ist die Linie zwischen den Punkten G, S und K im Eisen-Kohlenstoffdiagramm. Die Härtetemperatur liegt meißt 40°C über diese Linie.

Halten auf Härtetemperatur

In dieser Zeit wandelt sich das Gefüge vollständig in Austenit um. Das Eisen liegt später vollständig in der kubisch flachenzentrierten Form vor. Die Atome aus der Mitte des Würfels wandern auf die Flächen.

Die Kohlenstoffatome irren nun in der Schmelze umher. Einige dieser C-Atome finden nun Platz im Inneren der Kristallgitter. Denn es wird ihnen nicht mehr der Platz durch das Metallatom versperrt, wie es noch im krz-Gitter, bei niedrigen Temperaturen der Fall war.

Abschrecken

Bei langsamer Abkühlung würden das Gefüge nun eine Form gemäß des EKD annehmen. Die Metallatome des kfz-Gitters würden ganz normal von den Würfelflächen in das Inntere des Würfels wandern und ein krz-Gitter erzeugen.

Kühlt man jedoch sehr schnell ab, dann passiert beim Abschrecken etwas besonderes. Es entsteht ein anderes Gefüge, eines mit besonders hoher Härte und Festigkeit. Dieses nennt man Martensit, es entsteht nur beim Abschrecken von Austenit.

Wie bereits erwähnt benötigen befinden sich in einigen Würfeln des Kristallgitters C-Atome. Bei langsamer Abkühlung würden diese von ihrem Platz weichen um ihn den Metallatomen wieder zu überlassen. Bei der schnellen Abkühlung jedoch hat das C-Atom hierfür nicht die benötigte Zeit. Es bleibt im Kristallgitter stecken und verzerrt die Gitterstruktur. Hierdurch wird die Martensitbildung hervorgerufen.

Anlassen

Durch das Abschrecken ist der Werkstoff nicht nur hart, sondern ebenso spröde geworden. Durch die Martensitbildung sind innere Gefügespannungen entstanden, welche Härterisse und und einen Sprödbruch des Bauteils bewirken können.

Um diese Sprödigkeit zu beseitigen wird der gehärtete Stahl nun eine gewisse Zeit lang auf Anlasstemperatur gehalten. Diese entspricht bei unlegierten Stählen ca. 250°C bis 350°C.

Vergüten

Das Vergüten ist ist ein Verfahren, welches ähnlich dem des Härtens ist. Der einzige Unterschied besteht darin, dass zum Abschluss auf eine vergleichsweise hohe Temperatur angelassen wird (Abb.9). Hierdurch gewinnt man einen Teil der Zähigkeit zurück, welche beim Halten auf Härtetemperatur verloren ging.

Da Skikanten einer hohen, schlagartigen Belastung ausgesetzt sind, ist zu einer hohen Härte eine hohe Zähigkeit erforderlich. Deshalb muss vergütet werden. Die Anlasstemperaturen liegen zwischen 500°C und 700°C. Je nach höhe dieser Temperatur werden Zähigkeiten in unterschiedlicher Ausprägung erziehlt.Die zu erziehlende Zähigkeit (Bruchdehnung) steht in einer Abhängigkeit zur Härte (hier durch Re u. Rm veranschaulicht) und Anlasstemperatur. (Siehe Abb. 10)

Versuch zur Wärmebehandlung

In diesem Versuch wird zuerst der Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit aufs Härten untersucht. Als zweites Erfolgt eine Begutachtung des Kohlenstoffgehaltes.

Das genaue methodische Vorgehen soll an dieser Stelle nicht exakt festgeschrieben werden. Der Versuch ist so gestaltet, dass die Lehrperson den Ablauf, sowie die Wahl der Sozialform etc. auf die spezifische Klassensituation abstimmen kann.

Versuchsmittel

  • Lötbrenner
  • Eimer mit Wasser
  • Hitzeschutzhandschuhe
  • Weichgeglühte Skikante oder einen dünnen Stab aus härtbarem Stahl.
  • Dünner Stab aus Baustahl, nicht härtbar (C-Gehalt < 0,2%).

Vorbereitung der Schüler

Die Lehrperson Teilt die Schüler nach zweckmäßigen Gesichtspunkten in Gruppen ein. Die Teilaufgaben können entweder von einer Schülergruppe vollständig erledigt werden, oder sie werden durch unterschiedliche Schülergruppen durchgeführt. Dies hätte den Vorteil, dass im Anschluss an den Versuch eine gegenseitige Auseinandersetzung über die Gruppengrenze hinweg erfolgen muss, um die Hintergründe des Beobachteten zu erfragen.

Vor Beginn hat der Lehrer eine Sicherheitsunterweisung durchzuführen.

Durchführung

Durchführung mit Skikante

Die Skikante wurde bereits weichgeglüht.

Sie wird von den Schülern nun mit dem Brenner auf Härtetemperatur gebracht und eine gewisse Zeit gehalten. Hierbei sind die Glühfarben aus dem Tabellenbuch zu beachten.

Anschließend wird die Kante in den Wassereimer getaucht. Durch Rührbewegungen wird ein besonders schnelles Abkühlen erziehlt. Anschließend wird versucht die Skikante zu biegen. Dies misslingt, die Skikante bricht.

Nun wird der Versuch wiederhohlt. Allerdings wird nun nicht schlagartig, sondern sehr langsam abgekühlt. Beim Abkühlvorgang wird immer wieder den Brenner kurz an die Kante gehalten. Nach dem Abkühlen lässt sich die Skikante nun biegen.

Durchführung mit Baustahl (C-Gehalt < 0,2%)

Nun wird versucht, den Stab aus gewöhnlichem Baustahl zu härten. Wie gewohnt wird der Stahl auf Härtetemperatur gebracht und anschließend abgeschreckt. Man könnte nun vermuten, dass der Stab ebenfalls sehr hart geworden ist. Dies allerdings ist nicht der Fall, er lässt sich biegen.

Beobachtung

Die Ergebnisse der einzelnen Versuchsschritte werden in einem Protokoll durch die Schüler festgehalten. Bei einem Aufsplitten der Gruppen erfolgt ein gegenseitiger Austausch, sodass jeder alle Versuchsergebnisse auf einem Blatt erfasst hat.

Lernfeldbezüge

Die hier aufgelisteten Lernfelder beziehen sich auf Ausbildungsberufe der Metalltechnik. Zu beachten ist, dass die ersten vier Lernfelder bei den meisten Metallberufen identisch sind.

Lernfeld 1: Fertigen von Bauelementen mit handgeführten Werkzeugen (Eisen- und Nichteisenmetalle, Eigenschaften metallischer Werkstoffe)

Lernfeld 2: Fertigen von Bauelementen mit Maschinen (Eigenschaften von Werkstoffen)

(Konstruktionsmechaniker) Lernfeld 8: Herstellen von Baugruppen aus Profilen (Profile aus unlegierten und legierten Stählen, Gefügeveränderung durch Wärmewirkungen)

(Metallbauer) Lernfeld 5: Herstellen von Blechbauten (Werkstoffeigenschaften)

(Metallbauer) Lernfeld 6: Herstellen von Konstruktionen aus Profilen (Profile aus unlegierten Stählen und legierten Stählen, Gefügeänderung durch Wärmeeinwirkung)

(Werkzeugmechaniker) Lernfeld 6: Herstellen technischer Teilsystemen des Werkzeugbaus (Härte, Festigkeit, Wärmebehandlungsverfahren, Wärmedehnung)

(Werkzeugmechaniker) Lernfeld 11: Herstellen der technischen Systeme des Werkzeugbaus (Eigenschaften von Werkstoffen, Wärmebehandlung- und Beschichtungsverfahren)

Fächerrelevanz für allgemeinbildende Schulen

Das Thema Wäremebehandlung lässt sich im Fach Technik allgemeinbildender Schulen verwenden. Der Lehrplan für die gymnasiale Oberstufe liefert hierzu bspw. Hinweise.

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