A cosa serve un impianto di austempering?

Eine Anlage für Austempering-Wärmebehandlung ist eine Wärmebehandlungsanlage, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Härtungsphase bei einer Temperatur oberhalb des „Martensit-Startpunkt“ stattfindet, unterhalb derer die martensitische Umwandlung stattfindet.

Arten und Verwendung von Austempering-Wärmebehandlungsanlagen

Als allgemeines Kriterium gilt, dass das Temperiermedium nicht bindend ist, sofern es die Umwandlung des Materials auf die gewünschte Temperatur bewirkt. Es muss nämlich nicht nur die Forderung nach einer Umwandlung bei einer Temperatur oberhalb des „Martensit-Startpunkts“ erfüllt werden, sondern das Härtungsmedium muss auch eine Wärmeabfuhrkapazität aufweisen, die im Verhältnis zur Dicke des Gussstücks steht (Drastizität), damit die Umwandlungstemperatur nicht zu hoch ist, um die gewünschte Struktur zu erhalten.

Im Prinzip wurden Abschaltungen mit Hilfe von Sandfließbetten geplant und realisiert, allerdings nur für dünne Dicken der wärmebehandelten Gegenstände.

Das fast universell eingesetzte Abschreckmedium ist das Salzbad, das in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt wird, die sich durch das Verhältnis der Salzmenge zur Masse der Charge, die Bewegung des Bades und die mögliche Zugabe von Wasser in dynamischer Suspension im Salz auszeichnen.

Ein charakteristisches Element der Anlage ist die Art und Weise, wie die Charge von der Austenitisierungskammer in das Glühbad überführt wird, wobei besonders auf die Sicherheit und die Wiederholbarkeit der Arbeitsgänge geachtet wird.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der Anlage ist die Konfiguration des Austenitisierers (in einer Endogas/Stickstoff/Luft-Atmosphäre oder in einem Hochtemperatur-Salzbad). Das Salzbad-Austenitisieren erfordert besondere Sorgfalt, um eine Verunreinigung des Abschrecksalzes mit Austenitisierungssalz zu vermeiden.

Die Anlagen unterscheiden sich auch durch ihre Arbeitsweise, entweder kontinuierlich für große Chargen von Produkten mit geringer Größe und Dicke oder mit einem Ladekorb („Batch“) für den universellen Einsatz.

„Batch“-Anlagen können auch mit einer Variante mit nur einem Anschluss für den Einlass und den Auslass des Austenitisierers (typische Lösung) oder mit zwei Anschlüssen, einen für den Einlass und einen für den Auslass („push“), konfiguriert werden, wodurch mehr als eine Stufe für das Ansteigen und das Halten auf der Austenitisierungstemperatur bereitgestellt wird (geeignete Lösung für Prozesse mit einer kurzen Zeit in der Abschaltphase).

Batch-Austempering-Wärmebehandlungsanlage von Fonderie Zanardi

a) Vorwärmofen

Der Wärmebehandlungszyklus umfasst eine Vorwärmphase mit den Produkten der Erdgasverbrennung. Ziel dieser Phase ist es, die Feuchtigkeit aus der Charge zu entfernen und die Temperatur der Charge auf den Vorwärmwert zu homogenisieren.

b) Spülvorraum

Mit Hilfe des Transferwagens wird die Charge von der Vorwärmstation (links, in der Abbildung unten nicht eingezeichnet) zur Austempering-Wärmebehandlungsanlage transportiert.

Hinweg: von der Vorwärmung zum Spülvorraum und schließlich zur Austenitisierungskammer

Rückweg: von der Austenitisierungskammer in den Spülvorraum zur Salzbadabschreckung

Beim Überströmen des Salzes, stoppt die Ladung im Spülvorraum (linke und rechte Tür geschlossen) für die erforderliche Zeit, um den in der Kammer enthaltenen Sauerstoff zu verbrennen und um die Kammer mit Endogas zu sättigen. Danach öffnet sich die Tür rechts vom Spülvorraum und die Charge wird in die Austenitisierungskammer A geschoben.

Nach Abschluss der Austenitisierungsphase, wenn die Charge die gewünschten Bedingungen erreicht hat, öffnet sich die Tür rechts (in der Abbildung) des Spülvorraums, in den die Charge überführt wird. Dann wird die Tür geschlossen, das Endogas im Spülvorraum verbrannt und in der letzten Phase wird eine Wäsche unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt.

Dies ist aus Sicherheitsgründen erforderlich, da der Kontakt zwischen Endogas und Salzen verhindert werden muss.

Anschließend wird die Tür links (in der Abbildung) vom Spülvorraum geöffnet und die Ladung über das Salzbad geleitet.

c) Kammer für endogene Austenitisierung

Zwischen den beiden Phasen, in denen der Spülvorraum betroffen ist, findet die Austenitisierungsphase statt.

Die Austenitisierungskammer, die mit Strahlrohren betrieben wird, deren Verbrennungsluft durch die abgehenden Rauchgase vorgewärmt wird, ist mit Ventilatoren zur Umwälzung der Endgasatmosphäre ausgestattet.

Die Funktionsweise der Kammer und die Anordnung der Düsen im Ladekorb ist ein kritischer Aspekt des Verfahrens.

Die Temperatur muss nämlich mit der Gewissheit erreicht werden, dass die gesamte Charge bis zum Kern des Gussstücks die Austenitisierungstemperatur erreicht hat. Es ist zu bedenken, dass die Thermoelemente, von denen das Signal abgelesen wird, die Temperatur außerhalb des Ladungskorbs messen, aber nichts darüber aussagen, was im Kern der Düse in der mittleren Position passiert. Die Kontrolle dieses Zustands erfolgt durch die Überwachung der Prozessparameter und die Überprüfung der Ergebnisse an der Struktur der Gussteile in den verschiedenen Korbpositionen. 

Nach dem Eutektoid beginnt mit der Bildung von Austenit auch die Kohlenstoffdiffusionsphase von den Sphäroiden in die Metallmatrix.

Dieser Prozess wird bis zur Sättigung fortgesetzt, wobei die Charge für die erforderliche Zeit auf Austenitisierungstemperatur gehalten wird.

Die Kohlenstoffdiffusion und damit auch die für die Sättigung erforderliche Zeit hängen von der chemischen Zusammensetzung und der Größe der Sphäroide ab und können mit Hilfe der Differentialdilatometrie gemessen werden.

Eine längere Verweildauer bei der Austenitisierungstemperatur als für die Sättigung erforderlich führt zu Kornquellungseffekten, ein Ergebnis, das bei einigen interkritischen Sorten angestrebt wird.

d) Bad mit geschmolzenem Salz

Wie beim Härten von Stählen wird das Bauteil schnell in das Härtungsmedium getaucht, das aus einem Gemisch von Nitriten und Nitraten besteht und bei einer höheren Temperatur als dem „Martensit-Start“ geschmolzen wird.

Auf diese Weise werden die martensitische „Schnapp“-Umwandlung und entsprechende Spannungen vermieden.

Da Austenit bei der Temperatur des Salzbades nicht in seiner natürlichen „primären“ Form existieren kann, wie sie das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (Link 1.1.3.5) bei Temperaturen oberhalb des Eutektoids beschreibt, wird eine Umwandlungsreaktion von primärem Austenit (flächenzentriertes kubisches Gamma-Eisen) zu Ferrit (körperzentriertes kubisches Alpha-Eisen) ausgelöst, wobei überschüssiger Kohlenstoff aus dem Gitter ausgetrieben wird. Dieser freie Kohlenstoff entweicht in das Austenitgitter, das noch nicht durch Übersättigung reagiert hat, und stabilisiert sich dadurch in einer metastabilen Form bei Temperaturen unterhalb des Eutektoids.

Da die Reaktion bei Temperaturen stattfindet, die weit unter der eutektoiden Temperatur liegen, nimmt der Ferrit eine nadelförmige Gestalt an (Widmanstätten-Ferrit) und nicht eine Kornform, wie sie für die natürliche Abkühlung in der Form typisch ist.

Die resultierende Struktur ist daher eine Mischung aus nadelförmigem Ferrit und metastabilem Austenit, der durch Kohlenstoff überstabilisiert ist.

Die oben beschriebene Reaktion muss man sich „am Punkt“ vorstellen, d. h. in einem kleinen Volumen im Vergleich zum Abstand zwischen zwei Sphäroiden (oder zwei Lamellen).

Der Abstand zwischen zwei Graphitgruben ist ein weiteres Mittel zur Wärmebehandlung von Gusseisen, das bei Stählen nicht möglich ist. Der Abstand zwischen zwei dieser Elemente (z. B. zwei Sphäroiden) charakterisiert das Reaktionsmuster, das sich in unzähligen Fällen gleichzeitig wiederholt.

Der Raum zwischen zwei Sphäroiden muss als eine Reihe von kleinen Volumina betrachtet werden, von denen jedes durch seine eigene chemische Zusammensetzung gekennzeichnet ist, eine Auswirkung der chemischen Entmischung, die am Eutektikum bei der natürlichen Erstarrung in der Form entsteht.

Die lokale chemische Zusammensetzung bestimmt die lokale Kinetik der Reaktion (driving force). Die Reaktion verläuft schneller in der Nähe des Sphäroids und langsamer an den Korngrenzen (mittlerer Bereich zwischen zwei benachbarten Sphäroiden).

Aufgrund der lokalen Konzentration der Elemente ist das Volumen zu Beginn der Erstarrung dasjenige in der Nähe des Sphäroids (First To Freeze FTF), das Volumen am Ende der Erstarrung ist dasjenige am Kornrand (Last To Freeze LTF).

Die gleiche Zeitfolge wiederholt sich bei der Austempering-Wärmebehandlung, wobei die Reaktion in der Nähe des Sphäroids schneller (First To React) und am Kornrand langsamer (Last To React) verläuft.

Ein gut geführter Prozess führt zu einer korrekt verlaufenden Reaktion über den gesamten Entmischungsbereich: Im FTF muss die Struktur nach Erreichen des Gleichgewichts so lange stabil bleiben, wie es für das Erreichen des Gleichgewichts im LTF noch erforderlich ist, im LTFmuss das Gleichgewicht in einer Zeit erreicht werden, die mit der Stabilität der Struktur im FTF vereinbar ist.

Wird gegen diese Anforderungen verstoßen, kann der Werkstoff instabilen Austenit im LTF und/oder Sekundärkarbide im FTF enthalten, was die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt.

Die Struktur kann anhand dieser Anforderungen mit Hilfe der Wärmetönungsmethode und/oder eines Zugversuchs, bei dem die Parameter der Verschiebungsbewegungen gemessen werden, überprüft werden. 

Um ein geeignetes Gefüge zu erhalten, ist neben der Robustheit des Prozesses in der Austenitisierungsphase auch eine robuste Wärmebehandlungsanlage in der Härtungsphase erforderlich, die in der Lage ist, die Wiederholbarkeit der Betriebsparameter zu gewährleisten:

  • Verhältnis der Masse des Salzbades zu der der Ladung: Das Verhältnis der Masse des Salzbades zu der der Ladung muss groß genug sein, um den anfänglichen Anstieg der Badtemperatur in vernünftigen Grenzen zu halten;
  • Temperaturgleichmäßigkeit: Das Bad muss so gerührt werden, dass in allen Teilen der Charge eine gleichmäßige Temperatur erreicht wird;
  • Abschreckdynamik: Die Zugabe von Wasser in das Salz trägt zusammen mit der Bewegung des Bades zur Erhöhung der Abschreckdynamik bei, wodurch die Menge an Bindemitteln verringert wird, die erforderlich ist, um das Überschreiten der perlitischen Nase zu vermeiden, was sich aufgrund der Minimierung von Entmischungen wirtschaftlich und qualitativ positiv auswirkt.

Um ein geeignetes Gefüge zu erhalten, muss das Material in der Rohschmelze von guter Qualität sein, und die chemische Zusammensetzung muss so gewählt werden, dass die Perlitnase nicht überschritten wird, um segregative Effekte zu minimieren.

Die Austempering-Wärmebehandlungstemperatur (Salzbadtemperatur), die je nach Sorte (Härte) gewählt wird, muss mit der Austenitisierungstemperatur übereinstimmen, um eine ausreichende „driving force“ in dem LTF zu gewährleisten.

Wie oben beschrieben, muss die Zeit in der Austenitisierungskammer so bemessen sein, dass der Kohlenstoff vollständig in alle Dicken aller Gussstücke der Charge diffundiert.

In der Härtungsphase, muss die Austempering-Wärmebehandlungszeit im Salzbad so bemessen sein, dass die Stabilität des Austenits in der LTF gewährleistet ist, wobei eine zu lange Zeitspanne vermieden werden muss, die zur Bildung von Sekundärkarbiden führt (Eintritt in die zweite Stufe der FTF).

e) Behandlungskorb

Die Anordnung der Gussteile im Chargenkorb ist ein kritischer Aspekt des Verfahrens, der zur Homogenität der Temperaturverteilung in der Charge sowohl in der Austenitisierungs- als auch in der Härtungsphase beiträgt.

f) Waschmaschine

Die Waschmaschine hat die Aufgabe, die Gussstücke von allen Salzrückständen zu befreien und sie zu trocknen, um eine spätere Oxidation zu verhindern.