Vergütungsstahl

Unter dem Begriff Vergütungsstahl fasst man eine Gruppe an legiertem und unlegiertem Baustahl zusammen, welcher sich hervorragend zum Vergüten – d.h. zum Härten und Anlassen in einem Temperaturbereich ab 430 °C – eignet. In der Regel liegt der Anteil von Kohlenstoff bei dieser Art Stahl zwischen 0,20 % – 0,65 %, wobei er aber – je nach Werkstoffart – stark variieren kann. Darüber hinaus beeinflusst der Kohlenstoffgehalt im Vergütungsstahl einerseits die Schweißbarkeit andererseits die im Zuge des Vergütungsprozesses erreichbare Vergütefestigkeit.

Ebenso wie bei anderen Werkstoffarten auch, können die Eigenschaften von Vergütungsstählen durch das gezielte Hinzufügen von Legierungen beeinflusst werden. Hierfür werden die Gehalte von Nickel, Molybdän, Chrom oder Mangan besonders in Hinblick auf den Verwendungszweck abgestimmt. Des Weiteren verfügt Vergütungsstahl im Vergleich zu anderen Stahlsorten über nur wenige Anteile an Phosphor und Schwefel, was den Reinheitsgrad im Hinblick auf nichtmetallische Einschlüsse erhöht und für ein gleichmäßigeres Material sorgt.

Der Vergütungsstahl zeichnet sich besonders dadurch aus, dass er über eine hohe Zähigkeit, Zugfestigkeit, Härte und Dauerfestigkeit sowie Streckgrenze verfügt. Auf diese Eigenschaften von Vergütungsstahl kann unter anderem konkret Einfluss genommen werden, um den unterschiedlichen Anforderungen von verschiedenen Bauteilen zu entsprechen.

Die Wärmebehandlung von Vergütungsstahl

Vergütungsstahl lässt sich durch Härten mit anschließendem Anlassen wärmebehandeln bzw. vergüten. Bei diesem Vergütungsverfahren soll gezielt Einfluss auf die Härte und Zähigkeit des Stahls genommen werden. Hierfür ausschlaggebend sind beispielsweise die Härtetemperatur, die Anlasstemperatur und Anlassdauer sowie das Abschrecken. Das Anlassen bewirkt, dass die Spannungen, die während des Härtens in dem Vergütungsstahl entstehen und dadurch zu Rissbildungen führen können, minimiert werden. Durch ein Normalglühen vor dem Vergüten, können hohe Werte in der Zähigkeit erreicht werden, da hierbei ein feinkörniges Gefüge entsteht.

Darüber hinaus sollte darauf geachtet werden, dass das Anlassen sehr penibel erfolgt. Denn Überschreitung oder Unterschreitung der Temperatur können dazu führen, dass die Eigenschaften des Vergütungsstahls derart stark beeinflusst werden, dass dieser seine Zähigkeit verliert.

Durchvergüten – Verteilung der Festigkeitseigenschaften des Vergütungsstahls über den gesamten Querschnitt

Ein weiteres Verfahren für die Wärmebehandlung von Vergütungsstahl ist das Durchvergüten. Ziel dieses Vorgangs ist es, die Festigkeitseigenschaften des Materials über den gesamten Querschnitt möglichst gleichmäßig zu verteilen. Neben der Erhöhung der Festigkeit bzw. der Härte von Vergütungsstahl bringt der Prozess der Durchvergütung einerseits eine verbesserte Kerbschlagzähigkeit, andererseits auch eine höhere Dauerschwingfestigkeit des Materials mit sich. Generell lässt sich lediglich ein legierter Vergütungsstahl zum Durchhärten verwenden. Besonders geeignet für das Verfahren der Durchvergütung ist ein Werkstoff mit einer Chrom-Legierung, da diese die besten Ergebnisse bei der Einhärtung bzw. Durchhärtung erzielt. Ebenso geeignet ist ein Vergütungsstahl, der über einen Molybdän-Zusatz verfügt, da Molybdän die Anlassbeständigkeit sowie Warmfestigkeit von Stahl verbessert. Im Gegensatz dazu sollte das Durchvergüten bei der – meist preiswerteren – Variante mit Mangan vermieden werden da es hierbei zu einem ungleichmäßigen Gefüge sowie Seigerungen im Stahl kommen kann.

Eine weitere Vergütungsvariante ist die isothermische Umwandlung – u.a. auch als Zwischenstufenvergüten bekannt. Hierfür wird ein austenitisches Gefüge auf eine Temperatur gebracht, die zwischen dem Beginn der Martensitbildung und dem Haltepunkt der Abkühlung liegt. Anschließend muss diese Temperatur gehalten werden, was den isothermen Vorgang beschreibt. Der Austenit verändert sich komplett in der Zeit, in der der Vergütungsstahl auf dieser Temperatur gehalten wird. Hieran anschließend kann das Material auf Raumtemperatur abgekühlt werden.

Um die Härtbarkeit von Vergütungsstahl zu messen, wird in der Regel der Stirnabschreckversuch verwendet. Dieser ist auch unter dem Begriff Jominy-Versuch bekannt. Durchgeführt wird der Stirnabschreckversuch, indem ein Stahlzylinder mit festgelegten Maßen auf die jeweilige Härtetemperatur erhitzt wird. Anschließend wird das Material mit Wasser abgeschreckt. Hierzu sollte die Temperatur des Wasserstrahls ca. 20 °C betragen. Daraufhin folgt an einer Seite des Zylinders in zuvor festgelegten Abständen eine Messung der Materialhärte.

Schweißbarkeit von Vergütungsstahl

Bei zunehmendem Kohlenstoff- und Legierungsanteil neigt Vergütungsstahl zur Aufhärtung der Schweißzone was generell die Schweißbarkeit einschränkt. Bei der Aufhärtung kann es zu Spannungen in der Schweißnaht wie auch in der erhitzten Zone kommen, weswegen viele Vergütungsstähle nicht für die sogenannte Schmelzschweißung geeignet sind. Durch ein Vorwärmen und Nachwärmen – diese Vorgänge sind bei fast jedem Werkstoff dieser Werkstoffgruppe unabdingbar –  ist das Schweißen von Vergütungsstahl dennoch möglich. Bei fast jedem Vergütungsstahl sind das Widerstandsschweißen und das Abbrennstumpfschweißen durchführbar.

Einwandfrei schweißbar sind u.a. Werkstoffe mit Mangan- und Mangan-Silizium-Legierungen von ca. 0,35 %. Bei Werkstücken mit einer großen Wandstärke oder bei Werkstoffen mit einem höherem Kohlenstoffgehalt – wie z. B. 37MnSi7 – sollte die Vorwärmtemperatur von 250 °C auf ca. 450 °C erhöht werden. Wenn anschließend keine weitere Verarbeitung des Werkstückes erfolgt, ist ein anschließendes Anlassen des Werkstücks erforderlich. Aus der Schweißhitze heraus bietet sich nachfolgend eine Anlassglühung bei einer Temperatur zwischen 680°C – 720 °C an.

Die Chrom-Molybdän-legierten Werkstoffe der Vergütungsstahl-Gruppe sind tendenziell nicht für die herkömmlichen Schweißverfahren geeignet, lediglich bei der Güte 25CrMo4 sowie dem 30CrMoV9 ist das Schweißen möglich. Sobald das Werkstück geschweißt wurde, soll eine Anlassung ohne Zwischenabkühlung bei 680°C – 720 °C durchgeführt werden.

Ausnahmen stellen u. a. der Chrom-Nickel-Molybdän-, der Mangan-Vanadium- und der Chrom-Nickel-legierte Vergütungsstahl dar, da das Schweißen hier nicht zu empfehlen ist. Auch die Tellur- und Blei-legierten Werkstoffe der einzelnen Vergütungsstahl-Gruppen sind lediglich bedingt schweißbar.

Anwendungsbereiche für Vergütungsstahl

Vor allem für die Einsatzbereiche, in denen eine hohe Beanspruchbarkeit von einem Werkstück als Voraussetzung gilt, werden Werkstoffe aus der Gruppe des Vergütungsstahls verwendet. Auch Bauteile mit einer hohen Anforderung an die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Verschleißfestigkeit, die Zerspanbarkeit, die Kerbunempfindlichkeit sowie die Zugfestigkeit und Streckgrenze, werden aus Vergütungsstahl gefertigt. Beispiele hierfür sind u. a. Kurbelwellen, Nockenwellen, Exzenterwellen, Steuerungsteile, Getriebeteile, Schrauben, Antriebsachsen oder Bolzen, und Pleuelstangen. Dazu kommen Achsschenkel, Zahnräder, Ritzel und Federn. Darüber hinaus fallen Bauteile mit schwingender wie auch dynamischer Beanspruchung in das Einsatzgebiet von Vergütungsstahl. Genauso findet der Vergütungsstahl in Bereichen mit einer statischen Belastung große Verwendung. Des Weiteren setzen Anwendungsbereiche wie der Leichtbau und der Schwerbau, der Schiffsbau, der Werkzeugmaschinenbau, der Fahrzeugbau, der Maschinenbau, der Motorenbau wie auch der Automobilbau und die Baumaschinenindustrie auf diverse Werkstoffe des Vergütungsstahls. Ebenfalls aus Vergütungsstahl gefertigt werden diverse Pumpen, Schwerarmaturen, Pressen, Druckmaschinen und vieles mehr. Darüber hinaus können auch Konstruktionsteile mit einem hohen Anspruch an Eigenschaften wie die Zugfestigkeit aus Vergütungsstahl hergestellt werden. Ein Beispiel dazu wären Flugzeugfahrwerke. Außerdem werden Extruderwerkzeuge wie Schnecken, Zylinder, Spindeln, Heißdampfarmaturenteile, Bohrer und Richtwalzen, wie auch Gewindelehren und Führungen angefertigt. Der Anwendungsbereich rund um den Kesselbau und Apparatebau produziert ebenfalls Bauteile für den Druckbehälterbau, für Überhitzungsrohre, für Flanschen, für Vorschweißbunde und für Sammlersiede.

Auch die Schraubenfabrikation übernimmt einen großen Teil der Vergütungsstahlproduktion. Hier wird man im Hinblick auf den Anwendungsfall immer den Kompromiss zwischen hohen Warmfestigkeitswerten und möglichst geringer Versprödungsneigung suchen müssen. Bei Bolzen, Schrauben, Muttern, Rotoren, Scheiben, Dampfturbinenschaufeln und Gasturbinenschaufeln, dürfte man aus konstruktiven Gründen auf eine hohe Arbeitsfestigkeit, insbesondere einen hohen Streckgrenzwert nicht verzichten können.

Betrachtet werden muss jedoch die Dimension der Werkstücke, um herauszufinden, welcher Werkstoff für die gewünschte Anwendung verwendet werden kann. Zusätzlich muss die höchstmögliche Vergütbarkeit der Werkstoffe mit einbezogen werden, da diese bei der Auswahl des Vergütungsstahls u. a. eine Rolle spielt.

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Einsatzstahl

Baustahl, der unlegiert oder niedriglegiert ist und sich zum Einsatzhärten eignet, wird als Einsatzstahl bezeichnet. Charakteristisch für einen Einsatzstahl ist unter anderem der im Vergleich zu Vergütungsstahl niedrige Kohlenstoffgehalt, der max. 0,25% beträgt. Einsatzstahl wird vor der Oberflächenhärtung spanend oder spanungslos bearbeitet – erst  nach der Härtung erfolgt die Endbearbeitung, sprich Schleifen, Erodieren, Läppen oder Polieren. Durch die Aufkohlung kann jedoch die Randschicht der Werkstücke anschließend weiter gehärtet werden, während der Kern zäh bleibt und sich eine hohe Verschleißfestigkeit ergibt. Die Höhe der Kernhärte von einem Einsatzstahl wird durch die Höhe der Legierungselemente bestimmt. Sie erreichen unter anderem Randhärten von bis zu 62 HRC. Die Hauptanwendungsbereiche von Einsatzstahl liegen vor allem im Maschinenbau und Automobilbau, während einige Werkstoffe ebenfalls im Flugzeugbau, Getriebebau, Kunststoffformenbau, Schiffbau und Fahrzeugbau verwendet werden.

Gruppierung der Einsatzstähle in Abhängigkeit von ihrer Legierung

Man gruppiert die Einsatzstähle je nach Legierungen. Unterschieden wird unlegierter Einsatzstahl, Chrom- und Chrom-Mangan-legierter Einsatzstahl, Chrom-Molybdän-legierter Einsatzstahl, Nickel-Chrom-legierter Einsatzstahl sowie Chrom-Nickel-Molybdän-legierter Einsatzstahl. In der Regel ist der Anlieferzustand von Einsatzstahl entweder weichgeglüht, kurz G, oder behandelt – kurz BF oder BG. Der weichgeglühte Zustand bietet sich zur Weiterverarbeitung durch eine Kaltumformung an. In diesem Zustand ist der Einsatzstahl aufgrund seiner Weichheit zum Zerspanen ungeeignet.

Es gibt Einsatzstähle, die in Hinsicht auf eine bestimmte Festigkeit behandelt werden – BF –, und solche, die auf ein bestimmtes Gefüge hin behandelt werden – Zustand BG. Ein Einsatzstahl mit dem Zustand BG verfügt über ein Ferrit-Perlit-Gefüge. Dieser Zustand erfolgt durch ein Umwandlungsglühen mit geregelter Abkühlung im Anschluss daran. Diese Art von Einsatzstahl ist außerordentlich gut zum Zerspanen geeignet.

Der Prozess des Einsatzhärtens von Einsatzstahl

Die Behandlung, für die der Einsatzstahl zumeist benutzt wird, ist das Einsatzhärten. Dies beschreibt den Vorgang, der aus den Wärmebehandlungsverfahren Aufkohlen und Härten mit anschließendem Anlassen besteht. Optimierte Eigenschaften erhält man durch ein Kombinieren von Anlassen und Härten.

Aufgrund der niedrigen Kohlenstoffgehalte erhält man beim Härten von Einsatzstahl – bevor dieser aufgekohlt wurde – lediglich eine mäßige Aufhärtung. Durch das Aufkohlen jedoch wird der Randschicht des Werkstoffes Kohlenstoff zugeführt. Dies passiert, indem man den Einsatzstahl in eine kohlenstoffhaltige Atmosphäre gibt, die bspw. aus einem Pulver bzw. Granulat, einem Gas oder einem Salzbad bestehen kann. Für das Aufkohlen wird der Einsatzstahl in einem Temperaturbereich von 880° – 1050°C erhitzt bzw. geglüht. Die Wahl der Temperatur ist hierbei abhängig von dem jeweiligen Einsatzstahl. Mittels der hohen Temperaturen diffundiert der Kohlenstoff aus den äußeren Medien in den Stahl und reichert so den Kohlenstoffgehalt der Randschicht an. Es können Kohlenstoffgehalte von bis zu 0,8% erreicht werden. Abhängig vom Querschnitt bzw. der Abmessung, dem Werkstoff und den Anforderungen an das Werkstück kann die Tiefe der Härtung variieren. Es wird in der Regel zwischen drei Vorgehensweisen der Einsatzhärtung unterschieden: die Direkthärtung, Einfachhärtung und Doppelhärtung.

Die Direkthärtung erfolgt bei Feinkornstählen, die unempfindlich genug gegen Überhitzung sind, damit eine Grobkornbildung in der Randschicht vermieden werden kann. Darüber hinaus wird die Direkthärtung bei dem Einsatzstahl angewendet, der nicht zur Randüberkohlung neigt.

Für die Einfachhärtung werden im Regelfall gering legierte Einsatzstähle bevorzugt, für die eine komplette Kernrückfeinung nicht zwingend benötigt wird.

In Ausnahmefällen, in denen eine hohe Randhärte sowie eine hohe Kernzähigkeit gefordert werden, wird der Einsatzstahl der Doppelhärtung unterzogen.

Das Schweißen von Einsatzstählen

Einsatzstähle werden in der Regel vor dem Einsatzhärten bzw. vor dem Aufkohlen im weichgeglühten Lieferzustand geschweißt. Wichtig ist vor allem die Einhaltung der benötigten Schweißbedingungen. Es sollten nur Schweißzusätze eingesetzt werden, die sich von der Art her gleichen oder zumindest ähneln. Dadurch gilt es sicherzustellen, dass die Schweißnaht im Anschluss an die Wärmebehandlung zum Werkstück passt. Häufig verwendete Schweißverfahren bei Einsatzstählen sind unter anderem das Abbrennstumpfschweißen und das Schmelzschweißen.

Grundsätzlich lässt sich unlegierter Einsatzstahl problemlos schweißen. Lediglich bei dickeren Abmessungen ist ein Vorwärmen auf ca. 200°C notwendig. Bei den Einsatzstählen mit Cr-,Cr-Mn- und Cr-Mo-Zusätzen erfolgt das Vorwärmen bei Temperaturen von 200°C – 450°C – je nach Stärke des Materials. Im Anschluss an den Schweißvorgang sollte das Material möglichst ohne Zwischenabkühlen bei 680 – 720°C geglüht werden. Ein anschließendes Abkühlen sollte im Ofen erfolgen. Cr-Ni und Cr-Ni-Mo-legierter Einsatzstahl sollte bei einer Temperatur zwischen 250°C – 450°C vorgewärmt werden. Auch hier ist die Temperatur abhängig von Wandstärke und Legierung. Nachfolgend sollten auch diese Einsatzstähle einer Glühung bei 680°C – 720°C unterzogen werden. Abkühlen können sie entweder im Ofen oder an der Luft.

Nur bedingt zum Schweißen geeignet ist Einsatzstahl mit Blei- und Tellur-Legierung.

Beispiele für Einsatzstahl sind:

  • 20MnCr5
  • 16MnCr5
  • 17CrNiMo6
  • 15CrNi6

 

 

 

 

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unlegierter Werkzeugstahl W.-Nr. 1.1730

Werkstoff-Nr. 1.1730   C 45 W (Nach AFNOR =XC 45)

Die Bedeutung der unlegierten Werkzeugstähle hat in den letzten Jahren zugunsten
der legierten Werkzeugstähle abgenommen.

Sie beschränkt sich einerseits auf Handwerkszeuge mit dünnen, noch durchhärtenden Abmessungen. Andererseits lässt sich mit ihnen wegen ihrer schwachen Härtbarkeit eine harte, verschleißfeste Oberfläche bei zähem Kern erzielen, was z.B. für Kaltschlagmatrizen u.ä. günstig sein kann. Der Werkstoff ist gut zerspanbar und hat eine große Zähigkeit.

Anwendungsbeispiele sind Handwerkszeuge(Hämmer) und landwirtschaftliche Werkzeuge, Schaftmaterial für Schnellarbeits – und Hartmetallwerkzeuge.

Die Lieferfestigkeit beträgt min. 60 kp/ mm = 600 /N/mm², die erzielbare Härte 57 RC und die Arbeitshärte 46-56 RC

Richtanalyse

 

    C

SI

MN

0,47

0,25

0,70

Warmformgebung /Wärmebehandlung :

Weichglühen

Abkühlen

Glühhärte

Härten

Härte n.Abschrecken

680-710°C

Ofen

max.190HB

800-830°C in Wasser

57 HRC

   Anlassen

C 100 200 300 350
HRC 57 54 49 42
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