Table Of ContentDieter Kohtz - Warmebehandlung metallischer Werkstoffe
WarlTIebehandlung
lTIetallischer Werkstoffe
Grundlagen und Verfahren
Dieter Kohtz
VDlVERLAG
Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme
Kohtz, Dieter:
Warmebehandlung metallischer Werkstoffe : Grundlagen und
Verfahren / Dieter Kohtz. - Diisseldorf : VDI-VerI., 1994
ISBN-13: 978-3-540-62165-2 e-ISBN-13: 978-3-642-46835-3
DOl: 10.1007/978-3-642-46835-3
© VDI-Verlag GmbH, Dusseldorf 1994
Aile Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder voll
standigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der
Ubersetzung, vorbehalten.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nieht zu der Annahme,
daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als
frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dtirften.
DIN-Normen und VDI-Richtlinien geJten jeweils in ihrer neuesten Fassung, selbst
wenn ggfs. anders zitiert.
Herstellung: PROserv, Berlin
Satz: Fotosatz-Service Kohler OHG, Wtirzburg
Druck: Saladruck, Berlin
Binderei: Ltideritz & Bauer, Berlin
Vorwort
Wahrend meiner Lehrtatigkeit im Fach Werkstoffkunde und Techno
logie an der FH Kiel im Fachgebiet Maschinenbau habe ich immer der
Warmebehandlung der Metalle besonderen Wert beigemessen, weil
gerade sie geeignet ist, das etwas abstrakte, vielfach als trocken emp
fundene metallkundliche Grundlagenwissen verstandlich und interes
sant zu machen. Dabei fiel mir auf, daB in den zahlreichen guten Fach
btichem tiber Werkstoffkunde dem Gebiet der Warmebehandlung ein
nach meiner Vorstellung zu geringer Raum gewidmet war. Lange Zeit
war das Buch "Warmebehandlung von Stahl, GuBeisen und Nieht
eisenmetallen" von Sttidemann die einzige dem Bedarf der FH etwa
angepaBte vertiefende Literatur. Ais dieses Buch vergriffen war, reifte
der Plan, daftir einen Ersatz zu schaffen. Das Ergebnis ist das vorlie
gende Buch. Es ist in erster Linie als Lehrbuch fUr Studierende des
Maschinenbaues und der Werkstofftechnik vor all em an Fachhoch
schulen konzipiert. Doch auch berufsorientierten Studierenden der TV
mag es von Nutzen sein. Dartiber hinaus solI es aber dem praktisch
tatigen Ingenieur, sowohl im Bereich der Konstruktion und Entwick
lung als auch in der Fertigung eine Nachschlagehilfe sein, die ohne
zuviel wissenschaftlichen Ballast sagt, welche Warmebehandlungen
an welchen Werkstoffen anwendbar sind, und welche Ergebnisse sie
bringen.
Beim Erarbeiten des Manuskriptes wurde mir klar, daB zwei ange
strebte Ziele nieht erreichbar sind: Weder laBt sieh dieses umfangrei
che Thema mit seinen Einzelheiten vollstandig auf der vorgesehenen
Seitenzahl darstellen, noch erreicht man eine ltickenlose Systematik
der Anordnung des Inhaltes. So sind z.B. bestimmte Themen, die
mehrere Verfahren betreffen, wie etwa die Probleme richtiger Harte
priifung, nur bei einem Verfahren behandelt worden und knnnten des
halb an anderer Stelle vermiBt werden. Bei der Stoffauswahl habe ich
versucht, etwa den gegenwartigen Stand der Technik zu erfassen. Des
halb habe ich auf das Wiedergeben des Inhaltes von DIN-Normen
groBen Wert gelegt. Die benutzten Normen sind im Text mit ihren
Nummem angegeben, urn das Suchen im Literaturverzeiehnis zu
ersparen.
v
Da das Bueh mit Formeln eher beseheiden umgeht, sind verwendete
Zeiehen im Text erkHirt, soweit sie nieht als allgemein bekannt vor
ausgesetzt werden konnen. Auf Abklirzungen wurde naeh Mogliehkeit
verziehtet. Die Abklirzung SEW steht flir Stahl-Eisen-Werkstojjblatt,
haufig Vorstufe einer DIN-Norm. Ein Formelzeichen soIl hier erklart
werden, das eigentlich fester Bestand sein sollte, aber in kaum einem
Faehbueh benutzt wird. Flir den in der Werkstoffkunde standig be
nutzten Masseanteil ist naeh DIN 1310 der B uchstabe w festgelegt:
wi=mJm
wobei i flir die betreffende Komponente steht.
Ohne Hilfe hatte das Buch nieht entstehen konnen. Flir wertvolle
Unterstiitzung, sei es dureh Hinweise nach kritiseher Durehsicht des
Manuskriptes, sei es durch die Uberlassung von Unterlagen und Bil
dern, moehte ich herzlich danken den Herren Dipl.-Ing. W. Wegner,
Dr. J. Maier, Dipl.-Phys. E. Illgen, Dipl.-Phys. T. Meurer, Prof. Dr. M.
Es-Souni, Dipl.-Ing. H. Werning, Dipl.-Ing. R. Streib und Dipl.-Ing.
M. Koch. Dem VDI-Verlag danke ich flir sein Entgegenkommen bei
der Terminplanung und flir eine gute Zusammenarbeit.
Dieter Kohtz
1993
VI
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Bedeutung der Wlinnebehandlungsverfahren . 1
1.2 Grundbegriffe der Wlinnebehandlung . . . . 1
1.3 Metallkundliche Grundlagen . . . . . . . . . 5
1.3.1 Legierungen, Phasen, Zustandsschaubilder . 5
1.3.2 Zustandsschaubild Eisen-Kohlenstoff .... 14
1.4 Grundlagen des Umwandlungshlirtens von
Eisen-Kohlenstoff-Legierungen ...... . 17
1.4.1 Umwandlung des Austenits bei beschleunigter
Abkiihlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.2 ZTU- Schaubilder. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.3 Wesentliche Kenndaten des Hlirtevorganges . . 26
1.4.4 Vorglinge beim Wiedererwlinnen des Martensits . 29
1.4.5 Priifen der Hlirtbarkeit. . . . . . . 30
1.4.6 Abkiihlmittel . . . . . . . . . . . . 34
1.5 Aushlirten (Ausscheidungshlirten) 37
1.5.1 Metallkundliche Voraussetzungen 37
1.5.2 Vorgang des Aushlirtens . 39
1.6 Eigenspannungen ........ . 42
2 Warmebehandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . 51
2.1 Werkstoffunabhlingige Gliihverfahren (Gliihen I. Art). 51
2.1.1 Diffusionsgliihen. . . . . 51
2.1.2 Spannungsarmgliihen . . 53
2.1.3 Rekristallisationsgltihen . 60
2.1.4 Weichgliihen . . . . 66
2.1.5 Losungsbehandeln . 68
2.1.6 Grobkomgliihen . . 71
VII
2.2 Werkstoffspezifische Gltihverfahren (Gltihen II. Art) 72
2.2.1 Normalgltihen .............. . 72
2.2.2 Weichgltihen von Stahl . . . . . . . . . . 75
2.2.3 Behandeln auf bestimmte Eigenschaften 76
2.2.4 Gltihen auf kugelige Carbide ...... . 78
2.2.5 Weichgltihen von GuBeisen . . . . . . . . 80
2.2.6 Warmebehandlung von TemperguB (Tempem) . 83
2.2.7 Warmebehandlung in kontrollierter Atmosphare . 85
2.3 Vergtiten und Bainitisieren von Stahl 88
2.3.1 Kurzbeschreibung der Verfahren . 88
2.3.2 Verwendete Werkstoffe 90
2.3.3 Verfahrensablauf . . . . . . . . . . 99
2.4 Thermochemische Oberflachenharteverfahren 112
2.4.1 Einsatzharten............... 112
2.4.1.1 Kurzbeschreibung des Einsatzhartens . . . 112
2.4.1.2 Werkstoffe fUr das Einsatzharten. . . . . . 113
2.4.1.3 KenngroBen einsatzgeharteter Werkstticke 115
2.4.1.4 Aufkohlen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
2.4.1.5 Temperatur-Zeit-Verlaufe beim Einsatzharten 139
2.4.2 Nitrieren und verwandte Verfahren 145
2.4.2.1 Ubersicht . . . . . . . . . . . . . . 145
2.4.2.2 Kurzbeschreibung des Nitrierens. . 146
2.4.2.3 Werkstoffe fUr das Nitrieren . . . . 146
2.4.2.4 Entstehung und Struktur der Nitrierschichten 148
2.4.2.5 Eigenschaften und PrtifgroBen nitrierter Werkstticke 150
2.4.2.6 Nitrierverfahren . . . . . . . . . . . . 158
2.4.2.7 Verfahrensauswahl . . . . . . . . . .. ...... 164
2.4.3 Weitere thermochemische Verfahren . 166
2.4.3.1 Ubersicht . . 166
2.4.3.2 Borieren . . . 166
2.4.3.3 Aluminieren 167
2.4.3.4 Chromieren . 167
2.4.3.5 Silicieren . . 168
2.4.3.6 Titanieren . . 168
2.4.3.7 Diffusionsverzinken 169
2.5 Randschichtharten . 169
2.5.1 Kurzbeschreibung des Randschichthartens 169
2.5.2 Werkstoffe fUr das Randschichtharten . . . 171
VIII
2.5.3 Eigenschaften und PriifgroBen randschichtgeharteter
Werkstiicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l72
2.5.4 Randschichtharteverfahren . . . . . . . . . . . 176
2.6 Durchgreifendes Harten von Werkzeug- und
Walzlagerstahlen . . . . . . . . . . . . . . . 184
2.6.1 Uberblick .................. . 184
2.6.2 Harten von unlegierten Kaltarbeitsstahlen 189
2.6.3 Harten von legierten Kaltarbeitsstahlen . 191
2.6.4 Harten von Warrnarbeitsstahlen . . . . . . 196
2.6.5 Harten von Schnellarbeitsstahlen ..... 199
2.6.6 Harten von nichtrostenden, martensitischen Stahlen . 203
2.6.7 Harten von Walzlagerstahlen . 204
2.7 Beschichten mit Hartstoffen . . . . . . . . . . . . . 206
2.7.1 Ubersicht ....................... . 206
2.7.2 Chemisches Abscheiden aus der Gasphase (CVD) . 209
2.7.3 Physikalisches Abscheiden aus der Gasphase (PVD) 212
2.8 Verfahren des Aushartens . . . . . . . . 219
2.8.1 Ubersicht ................ . 219
2.8.2 Ausharten von Aluminiumlegierungen 220
2.8.3 Ausharten von Kupferlegierungen 246
2.8.4 Ausharten von Nickellegierungen 257
2.8.5 Ausharten von Titanlegierungen 264
2.8.6 Martensitaushartende Stahle . . . 273
2.9 Therrnomechanische Behandlungen . 278
2.9.1 Ubersicht ............. . 278
2.9.2 Norrnalisierendes Umforrnen .. . 279
2.9.3 Therrnomechanisches U mforrnen 280
2.9.4 Austenitforrnharten. . . . . . . . . 285
2.10 Beriicksichtigung von Warrnebehandlungsverfahren
bei der Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
2.10.1 Warrnebehandlungsgerechtes Gestalten von Bauteilen 287
2.10.2 Angaben in Zeichnungen 289
3 Literaturverzeichnis 291
4 Sachwortverzeichnis 295
IX
1 Grundlagen
1.1 Bedeutung der Warmebehandlungsverfahren
Aus der Praxis der technischen Verwendung metallischer Werkstoffe
sind Warmebehandlungsverfahren nicht wegzudenken, denn sie
ermoglichen:
- erhebliche durchgreifende Eigenschaftsverbesserungen von Halb
zeug und Werkstticken im Vergleich zum GuB- bzw. Warmumform
ausgangszustand, z. B. Erhohen von Festigkeit und Harte, Verbes
sem der Zerspanbarkeit und der Umformbarkeit, Vermindem von
Eigenspannungen, Verringem der Sprodbruchneigung u.a.
- ortliche Eigenschaftsanpassung an die Bauteilbeanspruchung durch
Verandem von Werkstoffzusammensetzung und oder GefUge
zustand,
- WerkstoJfeinsparungen durch verringerte erforderliche Bauteilquer-
schnitte.
Das Verstehen der Anwendbarkeit und der Grenzen von Warme
behandlungsverfahren sowie ihrer Fehlermoglichkeiten setzt griind
liches werkstofftechnisches Wissen voraus, das wegen seiner etwas
abstrakten Unzuganglichkeit nicht allzu verbreitet ist. Nur bei ausrei
chender Kenntnis der Moglichkeiten, die Warmebehandlungen bieten,
konnen Konstrukteure Werkstoffe optimal auswahlen und Bauteile
funktions-, werkstoff- und behandlungsgerecht gestalten.
Mit diesem Buch solI der Versuch untemommen werden, mehr Ver
standnis fUr Warmebehandlungen und damit auch fUr die Werkstoff
technik zu vermitteln und so schlieBlich zu wirtschaftlicherem Einsatz
von metallischen Werkstoffen zu gelangen.
1.2 Grundbegriffe der Warmebehandlung
In DIN 17014, Teil 1 "Warmebehandlung von Eisenwerkstoffen,
Begriffe" sind ungefahr 200 Warmebehandlungsbegriffe sowie etwa
I'
Erwarmen Hallen Abkuhlen ~1
Inneres
Zeil--
Bi1d 1.2-1. Schematische Darstellung elementarer Warmebehand1ungsschritte.
60 metaIlkundliche Begriffe aufgefiihrt und erkHirt. Trotz ihrer
Beschrankung auf Eisenwerkstoffe enthalt diese Norm eine ganze
Menge von aIlgemeinen Begriffen, die unabhangig vom Werkstoff flir
Warmebehandlungen giiltig sind, und von denen die wichtigsten vor
ab beschrieben werden soIlen.
Danach ist eine Warmebehandlung definiert als eine Folge von
Warmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstiick ganz
oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, urn eine
Anderung der Eigenschaften mit oder ohne Anderung des Gefliges
herbeizuflihren.
Elementare Warmebehandlungsschritte sind anhand von Bild 1.2-1
erlautert. Es bedeuten:
Warmen
Temperaturerh6hung in einem Werkstiick (Oberbegriff).
Anwarmen
Warmen bis zum Erreichen einer bestimmten Temperatur an der Ober
flache.
Durchwarmen
Warmen nach Erreichen einer bestimmten Temperatur an der Ober
flache bis zum Erreichen dieser Temperatur im gesamten Querschnitt.
Erwarmen = Anwarmen + Durchwarmen
Warmen eines Werkstiickes bis zum Erreichen der gewiinschten Tem
peratur im gesamten Querschnitt.
Die Unterscheidung zwischen An- und Durchwarmen ist deshalb
bedeutsam, weil infolge der mehr oder weniger hohen Warmeleit-
2
