Ausferritischer Stahl

Ausferritischer Stahl und bainitischer Stahl als erfolgreiche Lösungen im Vergleich zu den traditionellen vergüteten Stählen

Austempering beim Stahl: die effektive Lösung zur Verbesserung der Stahleigenschaften und zur Senkung der Behandlungskosten

Ist es sinnvoll, zwischen den beiden Arten von ausferritischem Stahl, ausferritisch und bainitisch, zu unterscheiden? Beide wurden als Alternative zur Vergütung der gleichen Stähle untersucht. Lassen Sie uns versuchen zu verstehen, wie sie sich unterscheiden.

Wie bei Gusseisen mit Kugelgraphit ist auch bei Stahl der erste Wärmebehandlungsschritt die Austenitisierung. Im Gegensatz zu Gusseisen mit Kugelgraphit entspricht jedoch bei der Austenitisierung von Stahl der Kohlenstoffgehalt in der Matrix genau der chemischen Zusammensetzung des Stahls selbst. Bei Gusseisen mit Kugelgraphit hingegen richtet sich der Kohlenstoff in der Matrix nach der Sättigungskurve bei der Austenitisierungstemperatur (Fe-C-Diagramm). Zwischen ausferritischem und bainitischem Stahl spielt das Silizium eine Schlüsselrolle.

Ausferritischer Stahl

Ein ähnlicher Effekt, wie er in der Matrix von Gusseisen mit Kugelgraphit zu beobachten ist, kann bei Stahl nur an der Außenfläche durch Einsatzhärtung erreicht werden. Wenn ein Stahlteil bei isothermer Temperatur in einem Salzbad gehalten wird (bei einer Temperatur oberhalb von Martensit Start – Ms), entwickelt sich eine ähnliche Reaktion wie bei Gusseisen mit Kugelgraphit, aber nur, wenn der Stahl eine ausreichende Menge Silizium enthält (z.B. 1,6-2% wie bei 60Si7 Stahl). Silizium erhöht nämlich die Beweglichkeit des Kohlenstoffs während des Austemperings und ermöglicht es ihm, eine chemische Verbindung mit Eisen zu vermeiden, d.h. es stabilisiert das mit Kohlenstoff angereicherte Austenitgitter und verhindert die Bildung von Karbiden. Dadurch ist es möglich, auch in Stahl eine ausferritische Struktur zu erreichen (Nadelferrit und kohlenstoffstabilisierter Austenit), wenn auch mit weniger Stabilität als bei Gusseisen mit Kugelgraphit aufgrund des geringeren Kohlenstoffgehalts in der Matrix.

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Ausferritischer Stahl ist besonders nützlich für Komponenten, die eine gute Verschleißfestigkeit, eine ausgezeichnete Zähigkeit und Schlagfestigkeit erfordern, wie z.B. landwirtschaftliche Geräte, die für den Einsatz in unwegsamem Gelände und unter dem Einfluss von Kies bestimmt sind (z.B. in landwirtschaftlichen Geräten, Klingen, Federn, Armbrüsten).

Statische Eigenschaften und Ermüdungseigenschaften

Experimentelle Daten von Zanardi Foundries zum ausferritischen Stahl 56SiCr7 (ausferritisch)

Acciaio austemperato 56SiCr7
Rm [N/mm²]
Rp 0,2 [N/mm²]
As [%]
HRc range
Valori guida
Kv 23°C
[J]
σA50% r.b liscio
[Mpa]
NATURALE
1080
650
11
33
5
600
BONIFICATO
1600
1350
8
50
8
630
AUSTEMPERATO (ausferritico)
1500
1200
9
50
30
650
BENCHMARK 42CrMo4 BONIFICATO
1100
850
14
35
60
440

Stärke [mm] t ≤ 25 mm
[1] Ermüdungseigenschaften, ermittelt im Rotationsbiegeversuch (R=-1) an bearbeiteten Proben mit einem Ø6,5 mm, die aus separat gegossenen Lynchburg Typ I-Proben gemäß ISO17804 gewonnen wurden. Konfiguration des Ermüdungsversuchs nach ISO1143; Berechnung der Ermüdungslebensdauer nach ASTM E739-91 und Hertzberg „q“; Ermüdungsgrenze nach der short staircase von Brownlee-Hodges-Rosenblatt-Methode.
[2] Ermüdungseigenschaften, die aus gegossenen Einzelradproben ermittelt wurden. Ermüdungstest gemäß ISO6336.

Die Austempering-Wärmebehandlung induzierte die Bildung sehr feiner Mikrostrukturen, die zu einer Steigerung der Materialfestigkeit um bis zu 180% bei gleicher Bruchdehnung im Vergleich zu demselben Stahl in seinem natürlichen Zustand und eine spürbare Erhöhung der Kerbschlagfestigkeit bei Raumtemperatur um bis zu 600% im Vergleich zu dem Material in seinem natürlichen Zustand, die selbst bei den niedrigsten Testtemperaturen (-20 und -40 °C) beobachtet wurde. Die erhaltenen Daten zeigen, dass Stähle mit hohem Siliziumgehalt eines Austemperings unterzogen werden können, die sowohl ihre Festigkeitseigenschaften als auch ihre Duktilität und Zähigkeit erhöht.

Was ist Bainit und wie unterscheidet es sich von Ausferrit?

Wenn der Siliziumgehalt im Stahl nicht ausreicht, um eine gute Mobilität des Kohlenstoffs zu gewährleisten, ist dieser gezwungen, sich chemisch mit dem Eisen zu verbinden und Karbide zu bilden. Das feine, gleichmäßige Gemisch aus Nadelferrit und Karbidlamellen wird Bainit genannt, benannt nach seinem Entdecker (Bain), der die beiden Phasen mangels hochauflösender Mikroskope nicht voneinander unterscheiden konnte. Bainit hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie Perlit, unterscheidet sich aber durch die geringere Größe der einzelnen Phasen, aus denen es besteht.

Bainitischer Stahl

Bainitischer Stahl wird für Komponenten verwendet, die eine gute Verschleißfestigkeit in Kombination mit Ermüdungsfestigkeit erfordern, z.B. Rasenmähermesser, Klammern und Klemmen, Schneid- und Mischmesser, Getriebezahnräder, Riffelbleche und Rasenbelüftungsspitzen (Sohlen, Schuhe, landwirtschaftliche Geräte).

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Acciaio austemperato 27MnB5
Rm [N/mm²]
Rp 0,2 [N/mm²]
As [%]
HRc range
Valori guida
Kv 23°C
[J]
σA50% r.b liscio
[Mpa]
NATURALE
800
6550
14
25
15
360
BONIFICATO
1100
750
14
30
40
-
AUSTEMPERATO (bainitico-martensitico)
1200
1000
12
40
60
430
BENCHMARK 42CrMo4 BONIFICATO
1100
850
14
35
60
440

Stärke [mm] t ≤ 25 mm
[1] Ermüdungseigenschaften, ermittelt im Rotationsbiegeversuch (R=-1) an bearbeiteten Proben mit einem Ø6,5 mm, die aus separat gegossenen Lynchburg Typ I-Proben gemäß ISO17804 gewonnen wurden. Konfiguration des Ermüdungsversuchs nach ISO1143; Berechnung der Ermüdungslebensdauer nach ASTM E739-91 und Hertzberg „q“; Ermüdungsgrenze nach der short staircase von Brownlee-Hodges-Rosenblatt-Methode.
[2] Ermüdungseigenschaften, die aus gegossenen Einzelradproben ermittelt wurden. Ermüdungstest gemäß ISO6336.

Die Studie bestätigte die Möglichkeit, eine hohe Festigkeits- und Zähigkeitsstruktur für 27MnCrB5-Stahl zu erhalten, der einer Austempering-Wärmebehandlung unterzogen wurde. Die erhaltenen Daten zeigen, dass Proben, die einer bainitischen Abschreckung unterzogen wurden, bessere Ergebnisse in Bezug auf Streckspannung, Zugfestigkeit, Härte und Kerbschlagfestigkeit aufweisen als Proben, die einer Vergütung unterzogen wurden. Im Vergleich zu demselben gehärteten und vergüteten Material konnte man folgendes erzielen:

  • bis zu 30% höhere Bruchfestigkeit
  • bis zu 50% höhere Kerbschlagfestigkeit sowohl bei niedriger als auch bei Raumtemperatur
  • bei bescheidener Reduzierung der Bruchdehnung

Fazit

Bei beiden Arten von ausferritischem Stahl, dem ausferritischen und dem bainitischen, kann das Austempering als Ersatz für die herkömmliche Vergütungshandlung eingesetzt werden, wodurch eine Verbesserung der Eigenschaften des Grundmaterials und eine Senkung der Behandlungskosten erreicht wird.

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