Härtbarkeit und Härtbarkeit von Stahl
- Härtbarkeit
Härtbarkeit bezieht sich auf die inhärente Eigenschaft einer Stahlsorte, die Tiefe der gehärteten Schicht (Martensit-Schicht) beim Abschrecken unter bestimmten Bedingungen zu erreichen.
Ob ein Stahlteil vollständig durchgehärtet werden kann, hängt von der kritischen Abkühlgeschwindigkeit (vk) des Stahls während des Abschreckens ab.
Messindikator: Ausgedrückt durch die effektive Härtungstiefe, die erreicht werden kann, wenn ein Standardprüfstück unter bestimmten Bedingungen abgeschreckt wird.
Härtungstiefe: Bezieht sich auf den Abstand von der Oberfläche eines Stahlteils zu der Stelle, an der die martensitische Struktur intern 50 % ausmacht. Je größer die Härtungstiefe, desto höher die Härtbarkeit; wenn die Härtungstiefe den Kern erreicht, ist das Werkstück vollständig durchgehärtet.
2. Einfluss der Härtbarkeit auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl
Die Härtbarkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Stahl. Wenn ein Werkstück vollständig durchgehärtet ist, sind seine Oberflächeneigenschaften gleichmäßig und konsistent, wodurch das volle Potenzial der mechanischen Eigenschaften des Stahls ausgeschöpft werden kann. Wenn es nicht vollständig durchgehärtet ist, gibt es Unterschiede in den Oberflächeneigenschaften; insbesondere nach dem Hochtemperatur-Anlassen ist die Zähigkeit des Kerns geringer als die der Oberflächenschicht.
Unter den gleichen Austenitisierungsbedingungen ist die Härtbarkeit der gleichen Stahlsorte identisch.
Für die Härtungstiefe gilt: Wasserabschrecken > Ölabschrecken; kleine Werkstücke > große Werkstücke.
3. Faktoren, die die Härtbarkeit beeinflussen
Die Härtbarkeit ist eine inhärente Eigenschaft von Stahl, unabhängig von äußeren Bedingungen des Stahls (wie Form, Größe, Oberfläche und Kühlmedium), aber eng mit seiner kritischen Abkühlgeschwindigkeit verbunden. Je kleiner die kritische Abkühlgeschwindigkeit, desto höher die Härtbarkeit des Stahls.
Alle Faktoren, die die kritische Abkühlgeschwindigkeit (oder die Position der C-Kurve) beeinflussen — wie chemische Zusammensetzung, Abschrecktemperatur und Haltezeit — beeinflussen die Härtbarkeit.
1）Chemische Zusammensetzung
- Kohlenstoffgehalt: Unter hypoeutektoidem Stahl, eutektoidem Stahl und hypereutektoidem Stahl hat eutektoider Stahl die kleinste kritische Abkühlgeschwindigkeit und die höchste Härtbarkeit unter den Kohlenstoffstählen. Die Härtbarkeit von hypoeutektoidem Stahl nimmt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt zu. Innerhalb des normalen Abschreck-Erwärmungs-Temperaturbereichs nimmt die Härtbarkeit von hypereutektoidem Stahl mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt ab.
- Legierungselemente: Alle Legierungselemente außer Kobalt verschieben die C-Kurve nach rechts, reduzieren die kritische Abkühlgeschwindigkeit und verbessern die Härtbarkeit.
2）Abschrecktemperatur und Haltezeit
Das Erhöhen der Erwärmungstemperatur und das Verlängern der Haltezeit können die Härtbarkeit von Stahl angemessen verbessern. Diese Methode führt jedoch zu Kornvergröberung, daher wird sie im Allgemeinen nicht angewendet.
4. Bestimmung der Härtbarkeit: Stirnabschreckversuch (Jominy-Stirnabschreckversuch)
5. Anwendungen der Härtbarkeit
1）Schätzung der Härtungstiefe
Während der Teilekonstruktion kann die bekannte Härtbarkeitskurve verwendet werden, um die effektive Härtungstiefe des Teils abzuschätzen.
2）Materialauswahl basierend auf der Härtungstiefe
Die effektive Härtungstiefe hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks.
Wenn das Werkstück vollständig durchgehärtet ist, kann nach dem Anlassen eine gleichmäßig verteilte Struktur über den gesamten Querschnitt erhalten werden, und seine mechanischen Eigenschaften sind ebenfalls konsistent.
Wenn nicht vollständig durchgehärtet, sind die mechanischen Eigenschaften des Kerns des Werkstücks geringer als die der oberflächengehärteten Schicht.
Wenn die Spannung des Werkstücks gleichmäßig über den Querschnitt verteilt ist und die mechanischen Eigenschaften auf dem Querschnitt konsistent sind, sollte Stahl mit hoher Härtbarkeit ausgewählt werden.
Für Teile, die Biege- oder Torsionsbelastungen ausgesetzt sind (wie Wellen), ist die Oberflächenspannung am höchsten, während die Kernspannung sehr gering ist, daher sollte Stahl mit schlechter Härtbarkeit ausgewählt werden.
Unter den gleichen Austenitisierungsbedingungen ist die Härtbarkeit der gleichen Stahlsorte identisch.
*Härte nach dem Abschrecken (Härtbarkeit für maximale Härte)
Unter normalen Abschreckbedingungen bezieht es sich auf die maximale Härte, die durch Erhalten einer martensitischen Struktur erreicht werden kann. Sein Haupteinflussfaktor hängt vom Kohlenstoffgehalt im Martensit ab und hat wenig mit Legierungselementen zu tun. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto höher die Härte nach dem Abschrecken.
Zum Beispiel hat niedriglegierter Kohlenstoffstahl eine recht gute Härtbarkeit, aber geringe Härte nach dem Abschrecken. Ein weiteres Beispiel ist hochlegierter Werkzeugstahl, der eine schlechte Härtbarkeit, aber eine hohe Härte nach dem Abschrecken aufweist.
Typischerweise werden mittellegierter Kohlenstoffstahl 40Cr und Kohlenstoffstahl 45 zum Vergleich verwendet. Ersterer enthält das Legierungselement Chrom, daher ist seine Härtbarkeit höher als die des letzteren; sein Kohlenstoffgehalt ist jedoch geringer als der des letzteren, was zu einer etwas geringeren Härte nach dem Abschrecken führt.
Hinweis: Stahl mit hoher Härtbarkeit hat nicht unbedingt eine hohe Härte nach dem Abschrecken, und umgekehrt.
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