Karl Heeß - Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen

Wir danken den nachfolgend aufgeführten Personen, Verlagen, Instituten und Verbänden für die Genehmigung zur Veröffentlichung von Bildmaterial:

Herr Dr. Kyozo Arimoto

Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann

Frau Dr. R. Chatterjee-Fischer

Herr Prof. Tatsuo Inoue

Herr Maciej Korecki

Herr Prof. Young-Kook Lee

Herr Dr. Scott Mackenzie

Herr Anders Olofsson

Herr Dr. Rüdiger Rentsch

Herr E. Schreiber

Herr Pavel Šuchmann

Herr Yuuki Tanaka

Frau Eva Troell

Herr Dr. W. Schützenhöfer

Frau Eva Troell

Herr Youichi Watanabe

Herr Dr. Urs Wyss

ASM International Materials Park, OH 44073–0002

Carl Hanser Verlag GmbH & Co, Kolbergstraße 22, 81679 München

DGM Informationsgesellschaft

Edition Scriptar SA, Du Creux-De-Gyorsy, CH- 1093 La Conversion/Lausanne

Springer Verlag, Postfach 311340, 10643 Berlin

Springer Verlag New York, 175, 5. Avenue, NY 10010 (USA)

Springer Verlag, Sachsenplatz 4–6, A – 1201 Vienna

Veitsch-Radex Aktiengesellschaft, Magnesitstraße 2, A – 8700 Leoben

Verlag Stahleisen GmbH, Postfach 105164, 40042 Düsseldorf

Verlag Moderne Industrie, Justus von Liebig Straße 1, 86899 Landsberg

Vulkan Verlag GmbH, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen

Institutet för Metalforskning

Institute of Materials, 1 Carlton House Terrace, London SW1 Y5DB (UK)

Iron Steel Institute, 4 Grosvenor Gardens, London SW1 (UK)

Technische Hochschule Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg

School of Materials Science & Engineering, Shanghai Jiao Tong University

Wolfson Heat Treatment Center Aston University Birmingham, Aston Triangle Birmingham B47ET (United Kingdom)

Associazione Italiana Di Metallurgia

International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering

Austrian Society for Metallurgy and Materials

Croatian Society for Heat Treatment and Surface Engineering

Japanese Society for Heat Treatment

Nach der Festlegung einiger zentraler Begriffe sollen im Folgenden die für die Entstehung von Maß- und Formänderungen verantwortlichen Mechanismen sowie das für einige Wärmebehandlungsverfahren typische Maß- und Formänderungsverhalten dargestellt werden.

In der Norm „Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen – Begriffe“ (DIN EN ISO 4885:2018-07) wird Verzug als „jede Änderung der Form oder der ursprünglichen Maße eines Eisenwerkstücks, die während einer Wärmebehandlung auftritt“, definiert. Die Begriffe Maß- und Formänderung hingegen sind nicht enthalten. Nach Einschätzung der Autoren kann aber eine Monographie, die sich mit dieser Thematik befasst, nicht auf eine Definition dieser Begriffe verzichten. Daher soll in dieser Arbeit unter „Maßänderung“ gemäß der DIN 17014 in der Ausgabe von 1975 „die Änderung der Maße eines Werkstückes ohne Formänderung“ verstanden werden. In Anlehnung an /Ber77/ soll unter Formänderung „die Veränderung von Winkelbeziehungen und Krümmungen am Bauteil“ verstanden werden. Der Begriff „Verzug“ soll hingegen rein umgangssprachlich verwendet werden, um anzudeuten, dass von Maß- und/oder Formänderungen die Rede ist. Dabei wird bewusst auf die in der DIN EN ISO 4885:2018-07 verwendeten Einschränkungen „Eisenwerkstück“ und „während einer Wärmebehandlung“ verzichtet.

Da in der Regel sowohl Änderungen in den Maßen als auch in Bezug auf Form, Richtung, Ort und Lauf auftreten, müssen die zugehörigen kennzeichnenden Größen ermittelt werden. Kriterien für die Beschreibung des Verzugs sind in DIN EN ISO 1101 zusammengefasst. Die Ermittlung der Geometrieelemente erfolgt durch geeignete Messvorschriften, die stark geometrieabhängig sind. Für die Innenbohrung von zylindrischen Ringen kann eine entsprechende Messvorschrift beispielsweise lauten:

Messe Kreise in verschiedenen Höhen. Ermittle einen mittleren Innenradius durch das Einpassen eines mittleren Zylinders unter Minimierung der Summe der Abweichungsquadrate zwischen Messung und dem Standardgeometrieelement Zylinder. Wiederhole diese Prozedur vor und nach der Wärmebehandlung. Die Differenz der Zylinderradien nach und vor der Wärmebehandlung ist dann die Änderung des Maßes „Innenradius“. Als Form kann in diesem Beispiel die Zylinderform herangezogen werden, dessen Toleranzzone durch zwei koaxiale Zylinder vom Abstand t begrenzt wird. Die Formänderung ergibt sich entsprechend aus der Differenz der Werte der Messungen nach und vor der Wärmebehandlung.

Bei der Ermittlung der Formabweichungen anhand der Kriterien nach DIN EN ISO 1101 ist zu beachten, dass die eigentliche Gestalt des Elementes nicht berücksichtigt wird. Dies kann zu Fehlinterpretationen des Verzugsverhaltens aus der Differenz der Formänderungen vor und nach der Wärmebehandlung führen, wenn der Verzug durch signifikante Änderungen der Gestalt bestimmt wird. Weiterführende Konzepte zur Analysen der Gestaltsänderung unter Berücksichtigung der Form und Richtung liegen vor /bspw. Sur08, Lüb12/.

Als Ursache von Maß- und Formänderungen sind heute zwei Ursachen bekannt, die sich durch die Begriffe

Volumenänderungen und

Verformungen

Bild 1.1:

Ursachen für Maß- und Formänderungen

charakterisieren lassen (Bild 1.1). In den folgenden beiden Abschnitten werden die zugehörigen Zusammenhänge diskutiert.

Volumenänderungen resultieren prinzipiell aus Dichte- und/oder Masseänderungen. Letzterer Fall tritt bei jeder thermochemischen Behandlung auf, da in deren Verlauf zusätzliche Atome in den oberflächennahen Bereich eingebracht werden. Natürlich tragen auch ungewollte Veränderungen wie bspw. eine Randschichtoxidation oder eine Entkohlung zu diesem Effekt bei. Diese gewollten oder ungewollten Randschichtmodifikationen führen neben der Masseänderung in der Regel auch zu Dichteänderungen.

Die Dichte wird aber auch durch Phasenumwandlungen und Ausscheidungsprozesse nachhaltig beeinflusst, die ihrerseits von der (lokalen) chemischen Zusammensetzung und dem prozessabhängigen Temperatur-Zeit-Pfad bestimmt werden. Weiterhin können Spannungen das Umwandlungsverhalten nachhaltig beeinflussen (bspw. /Ahr00/).

Bild 1.2 zeigt die Abhängigkeit der reziproken Dichte – dem spezifischen Volumen – vom Kohlenstoffgehalt /Lem59/. Diese Darstellung von Lement basiert auf röntgenographischen Messungen der Gitterkonstanten und enthält im Original eine Vielzahl weiterer Abschätzungen. An dieser Stelle wurde die Zahl der dargestellten Phasen bewusst begrenzt. So benötigt der Austenit das geringste Volumen pro Masseneinheit, er weist die höchste Dichte auf. Phasengemische aus Ferrit und Zementit und der Martensit benötigen mehr Volumen. Mit wachsendem Kohlenstoffgehalt steigt das spezifische Volumen für alle genannten Phasen näherungsweise linear an. Die Differenz zwischen den Geraden für Ferrit + Zementit und Martensit vergrößert sich dabei deutlich mit wachsendem C-Gehalt. Entsprechendes gilt für die Volumenänderung eines Bauteiles nach der martensitischen Härtung, das im Ausgangszustand aus Ferrit und Zementit bestand. Mit Hilfe von Bild 1.2 oder unter Verwendung der in /Lem59/ angegebenen Formeln können die resultierenden Volumenänderungen abgeschätzt werden.

Bild 1.2: