Einsatzhärtender Stahl.

- Oct 01, 2020-

Einsatzhärtender Stahl

Ein zäher Kern und ein harter Fall sind die gewünschten Eigenschaften von einsatzgehärteten Stahlbauteilen. Diese Kombination von Eigenschaften bietet Verschleißfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit an der Oberfläche sowie Schlagfestigkeit im Kern. Dies wird erreicht, indem die Oberfläche des Bauteils aufgekohlt und dann das Teil abgeschreckt und angelassen wird. Zu den aufgekohlten Bauteilen gehören Zahnräder aller Art, Nockenwellen, Universalgelenke, Antriebsritzel, Verbindungskomponenten, Achsen und Lauben. Alle diese Bauteile müssen Verschleiß und Ermüdung widerstehen, von Natur aus zäh sein und dennoch bearbeitbar sein.

Typische Anwendungen sind

  • Transport:Einsatzgehärtete Komponenten werden in jedem motorgetriebenen Fahrzeug benötigt, egal ob es sich um ein kleines Auto, einen Rennwagen, einen LKW oder ein Seeschiff handelt.

  • Energiegewinnung:Zahnräder und große Komponenten müssen zyklischen Belastungen und Verschleiß in Wasserkraftwerken, Windkraftanlagen, Propellerantrieben von Bohrinseln und Dampfturbinengetrieben von Kraftwerken standhalten.

  • Allgemeiner Maschinenbau:Allgemeiner Maschinenbau: Zu den Anwendungen in diesem Bereich gehören Schmiedepressen, Metallwalzgeräte, Werkzeugmaschinen; Antriebsstränge von Bergbaumaschinen und Hochleistungsgetrieben; Erdbewegungsmaschinen und Hochleistungskrane. Verschleißfestigkeit und gute Dauerfestigkeit sind immer Schlüsselmerkmale der für diese Anwendungen verwendeten einsatzgehärteten Stähle.

Case-hardened gear examples

Alles, was sich bewegt, benötigt einsatzgehärtete Zahnräder

Während der Aufkohlung wird das Bauteil in einem kohlenstofffreisetzenden Medium auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Stahl vollständig austenitisch ist. Die Löslichkeit von Kohlenstoff ist in Austenit viel höher als in Ferrit, wodurch Kohlenstoff durch die Stahloberfläche gelangen und in das Bauteil diffundieren kann. Durch Aufkohlen kann der Kohlenstoffgehalt der Oberfläche um bis zu 0,7% erhöht werden. Durch die Steuerung der Temperaturzeit kann die Tiefe, in die der Kohlenstoff diffundiert, und damit die Dicke des „Gehäuses“ gesteuert werden. Es ermöglicht auch, dass der Kohlenstoffgehalt des Kerns bei etwa 0,25% bleibt. Ein wichtiges mikrostrukturelles Ziel bei der Aufkohlung ist ein stabiler, gleichmäßig feinkörniger Austenit. Eine gleichmäßige Austenitkorngröße führt nach der Wärmebehandlung zu einer geringen Verformung, während eine feine Austenitkorngröße die Ermüdungsbeständigkeit und Zähigkeit verbessert.

Durch Abschrecken von der Aufkohlungstemperatur und anschließendes Tempern des Bauteils entsteht ein kohlenstoffreicher Martensit mit hoher Härte und Verschleißfestigkeit in der Nähe der Oberfläche. Der ungebrannte Kern behält seine ursprünglichen guten Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften.

Die Auswahl geeigneter Legierungselemente ermöglicht eine präzise Kontrolle der Härtbarkeit von der Oberfläche bis zum Kern. (In Abbildung 1 finden Sie ein Beispiel für eine Jominy-Kurve zur Beurteilung der Härtbarkeit.) Der geeignete Stahl hängt von der Größe des zu behandelnden Teils ab, da im Kern eine starke, zähe und angelassene Martensitstruktur erzeugt werden soll.

Standard einsatzhärtende Stähle
DIN - DESAE / ASTM% Legierungsgehalt
CCrMo.Andere
MnCr Steel
20MnCr551200.17-0.221.0-1.31,1-1,4 Mn
CrMo Steel
20MoCr4
0.17-0.230.3-0.60.40-0.50
20CrMo586200.18-0.231.1-1.40.20-0.30
NiCrMo Steel
20NiCrMo 6-4
0.16-0.230.6-0.90.25-0.351,4-1,7 Ni
18CrNiMo7-6
0.15-0.211.5-1.80.25-0.351,4-1,7 Ni
14NiCrMo13-4
0.11-0.170.8-1.10.10-0.253,0-3,5 Ni
17NiCrMo 6-5
0.14-0.200.8-1.10.15-0.251,2-1,5Ni

Tabelle 1: Standard einsatzhärtende Stähle

Molybdän (0,15 - 0,50%) wird zum Aufkohlen von Stählen verwendet, um die Härtbarkeit des kohlenstoffarmen Kerns zu erhöhen und gleichzeitig das kohlenstoffreiche Gehäuse zu zähmen. Es ist besonders effektiv bei großen Querschnitten wie bei Windkraftanlagen. Molybdän wird während der Aufkohlung nicht oxidiert, so dass es nicht zu vermehrten Oberflächenrissen und Abplatzungen kommt. Dies bedeutet auch, dass es nicht durch Reaktion verloren geht, sondern in der Legierung vorhanden bleibt, um ein wirksames Härten zu gewährleisten.

Windkraft - ein Haupttreiber für die Entwicklung von Aufkohlungsstahl

Zahnräder, die in großen Windkraftanlagen verwendet werden, sind extremen Belastungen an den Flanken und Zehen ihrer Zähne ausgesetzt, insbesondere wenn plötzliche Änderungen der Windgeschwindigkeit oder harte Stopps auftreten. Ein hartes Gehäuse und ein zäher Kern führen zu einem verschleißfesteren Getriebe, das hohe Stoßbelastungen aufnehmen kann. Windturbinengetriebe sind so konstruiert, dass mechanische Geräusche für einen leisen Betrieb minimiert werden. Die Getriebegeräusche nehmen jedoch während der Lebensdauer aufgrund des Abriebs der Zahnoberflächen zu. Durch Erhöhen der Oberflächenhärte und der Abriebfestigkeit von Zahnrädern werden somit Getriebegeräusche verringert. In dieser Hinsicht ist die Kombination aus hartem Gehäuse und hartem Kern von aufgekohlten Zahnrädern von Vorteil. Die niedriglegierten Stähle, die im Allgemeinen für Einsatzhärtungsprozesse verwendet werden (z. B. 20MnCr5), sind nicht anwendbar, wenn eine lange Lebensdauer und eine hohe Zähigkeit erforderlich sind. Hochleistungs-NiCrMo-Aufkohlungsstähle bieten eine tiefe Härtungsfähigkeit und eine hohe Ermüdungsbeständigkeit. Derzeit ist der Grad 18CrNiMo7-6 der Standardgetriebestahl für Windmühlengetriebe. Im Hinblick auf die weitere Optimierung der Aufkohlungsstähle für große und stark belastete Zahnräder können folgende Prioritäten definiert werden:

  • Erhöhte Kernzugfestigkeit und Zähigkeit

  • Höhere Dauerfestigkeit sowohl im Kern als auch im Gehäuse

  • Verbesserte Härtbarkeit

  • Geringe Verzerrung beim Abschrecken

  • Verbesserte Eigenschaften bei erhöhten Betriebstemperaturen.

Um diese Ziele zu erreichen, müssen mehrere Quellen der Verschlechterung von Eigentum angegriffen werden. Die intergranulare Oxidation in der aufgekohlten Schicht kann einen Ermüdungsbruch auslösen und die Ermüdungsfestigkeit des Zahns verringern. Es verursacht auch eine weiche Zone nahe der Oberfläche der aufgekohlten Schicht. Die Beseitigung von Anomalien in der Oberflächenstruktur ist daher ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung von Zahnrädern mit hoher Dauerfestigkeit. Das Erhöhen der Anlasstemperatur verbessert die Zähigkeit, erfordert jedoch einen erhöhten Anlaufwiderstand, um die Festigkeit nicht zu verlieren. Der erste Ansatz zur Implementierung dieser Verbesserungen besteht darin, die chemische Zusammensetzung des Stahls anhand der folgenden Richtlinien anzupassen:

  • Verhindern Sie intergranulare Oxidation → Reduzieren Sie Si, Mn und Cr.

  • Härtbarkeit verbessern → Mo erhöhen.

  • Zähigkeit verbessern → Ni und Mo erhöhen.

  • Korngröße verfeinern und homogenisieren → Nb-, Ti-, Al- und N-Mikrolegierungszusätze ausgleichen.

  • Korngrenzen stärken → P und S reduzieren.

Die Gehäusehärte kann weiter erhöht werden, indem eine Dispersion von ultraharten Mo- und Nb-Carbiden gebildet wird. Dies bietet eine bessere mechanische Unterstützung für das aufgekohlte Gehäuse oder eine mögliche Beschichtung mit harter Oberfläche. Das einfache Erhöhen des Kohlenstoffgehalts in großen Mengen würde natürlich auch die Härtbarkeit erhöhen, aber dieser Ansatz opfert die Zähigkeit.

1 zeigt die Auswirkung von Modifikationen der Zusammensetzung auf die Härtbarkeit eines 0,18% C-Referenzkohlungsstahls (18CrNiMo7-6). Die starke Wirkung der Zugabe von Carbidbildnern ist offensichtlich. In dieser Figur zeigt die durchgezogene Linie die Härtbarkeit des Referenzstahls. Das Erhöhen des Ni-Gehalts und das Verringern von Mo (untere gestrichelte Linie) erhöht die Kernzähigkeit durch Förderung der Bainitbildung, verringert jedoch die Gehäusehärte durch Erhöhen des Anteils an Restaustenit nach dem Aufkohlen. Das Legieren mit einer Kombination aus Mo- und speziellen Carbidbildnern (obere gestrichelte Linie) erhöht die Härte des Bauteils gleichmäßig und erhöht die Gehäusehärte über die Grundhärte von 0,18% C-Stahl (gepunktete Linie).

Jominy test results on two modified 18CrNiMo7-6 (solid line) steels

Abbildung 1. Jominy-Testergebnisse an zwei modifizierten 18CrNiMo7-6-Stählen (durchgezogene Linie) zeigen, wie Mo-Zusätze die Leistung von Windmühlengetrieben verbessern können.

Nachdem die aufgekohlte Komponente abgeschreckt wurde, wird sie getempert, um die Zähigkeit zu verbessern. Höhere Anlasstemperaturen führen zu einer höheren Zähigkeit mit einem entsprechenden Verlust an Härte und Festigkeit. Die Wahl der Anlasstemperatur muss daher diese widersprüchlichen Effekte ausgleichen.

Die Härte und Festigkeit des Gehäuses nimmt schnell ab, wenn Standard-Aufkohlungsstähle über 180 ° C angelassen werden. Aus diesem Grund beschränken kritische Anwendungen die maximalen Betriebstemperaturen auf 120 bis 160 ° C, und die Getriebekühlung wird wichtig. Durch eine signifikante Erhöhung des Mo-Gehalts und eine optionale Nb-Zugabe wird die Anlaufbeständigkeit des Stahls erheblich verbessert. 2 zeigt den Effekt der Zugabe von 2% Mo anstelle der Standard-0,25%. Der erhöhte Mo-Gehalt führt zu einer Oberflächenhärte von mehr als 700 HV (60 HRC), selbst nach dem Tempern bei 300 ° C.

Mo additions to quenched and tempered NiCrMo steel

Figure 2. Die Auswirkung von Mo-Zusätzen auf die Gehäusehärte eines vergüteten NiCrMo-Stahls.