Anlassen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem ein abgeschrecktes Werkstück auf eine geeignete Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur Ac₁ wiedererhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und dann mit einer bestimmten Geschwindigkeit abgekühlt wird, um die Zähigkeit des Materials zu erhöhen. Es ist ein entscheidender Prozess, der die Mikrostruktur und die Eigenschaften von Stahl in seinem Betriebszustand bestimmt.
Obwohl abgeschreckter Stahl (z. B. Stahl mit martensitischem Gefüge) eine extrem hohe Härte und Verschleißfestigkeit aufweist, hat er zwei Hauptprobleme: Erstens verbleibt eine große Menge an Restspannungen im Inneren, was leicht dazu führt, dass das Stahlteil reißt oder sich verformt; zweitens hat er eine extrem schlechte Zähigkeit und eine hohe Sprödigkeit, wodurch er keinen Stößen oder komplexen Belastungen standhalten kann. Durch Anpassen der Erhitzungstemperatur und der Haltezeit werden diese Probleme durch Anlassen gezielt angegangen, mit den folgenden spezifischen Zielen:
- Beseitigung von Eigenspannungen: Erhitzen gibt Stahlatomen einen gewissen Grad an Beweglichkeit, wodurch die Eigenspannungen abgebaut werden, die durch die schnelle Gefügeumwandlung während des Abschreckens (z. B. schnelles Abkühlen von Austenit zu Martensit) entstehen, und das Risiko von Rissen während der anschließenden Bearbeitung oder des Betriebs des Stahlteils verringert wird.
- Anpassen der mechanischen Eigenschaften: Die Eigenschaften von Stahl entsprechend den Anforderungen "anpassen". Für Anwendungen, die eine hohe Härte erfordern (z. B. Schneidwerkzeuge, Gesenke), kann das Niedrigtemperaturanlassen gewählt werden, um den größten Teil der abgeschreckten Härte zu erhalten; für Anwendungen, die eine hohe Zähigkeit erfordern (z. B. Wellen, Zahnräder), kann das Hochtemperaturanlassen verwendet werden, um die Zähigkeit deutlich zu verbessern und gleichzeitig die Härte zu reduzieren.
- Stabilisierung von Mikrostruktur und Abmessungen: Umwandlung der instabilen abgeschreckten Mikrostruktur (z. B. Martensit, Restaustenit) in eine stabilere (z. B. angelassener Martensit, Sorbite), wodurch Dimensionsschwankungen verhindert werden, die durch anhaltende Mikrostrukturveränderungen während des Langzeitbetriebs verursacht werden, und Präzision gewährleistet wird.
- Verbesserung der Bearbeitbarkeit: Reduzierung der Härte von abgeschrecktem Stahl, um die anschließende mechanische Bearbeitung wie Schneiden und Schleifen zu erleichtern (z. B. Werkzeugstahl wird nach dem Anlassen leichter zu schleifen).
- Stahlteile können nach dem Abschrecken nicht direkt verwendet werden und müssen umgehend angelassen werden.
- Anpassen der Härte, Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit des Werkstücks, um die Anforderungen an die Betriebsleistung zu erfüllen. Abgeschreckter Stahl hat im Allgemeinen eine hohe Härte und Sprödigkeit, und durch Anlassen kann seine Härte und Zähigkeit angepasst werden.
- Beseitigung oder Reduzierung von Restspannungen, die während des Abschreckens entstehen, um Verformungen oder Risse zu vermeiden.
- Stabilisierung von Mikrostruktur und Abmessungen, um Präzision zu gewährleisten. Die Mikrostruktur von abgeschrecktem Stahl besteht aus abgeschrecktem Martensit und Restaustenit, die beide metastabil sind und dazu neigen, sich in stabile Strukturen umzuwandeln (d. h. sich spontan in Ferrit und Zementit umzuwandeln). Diese Umwandlung kann zu Veränderungen der Größe und Form des Werkstücks führen. Durch Anlassen werden abgeschreckter Martensit und Restaustenit in stabilere Mikrostrukturen umgewandelt, wodurch sichergestellt wird, dass sich Größe oder Form während des Betriebs nicht verändern.
Der Anlassprozess umfasst vier Arten von Reaktionen: Zersetzung von Martensit; Ausscheidung, Umwandlung, Aggregation und Wachstum von Karbiden; Erholung und Rekristallisation von Ferrit; und Zersetzung von Restaustenit.
Wenn abgeschreckter Stahl unter 200°C erhitzt wird, beginnen sich feine ε-Karbide (FeₓC) aus Martensit auszuscheiden, wodurch die Übersättigung von Martensit reduziert und die Eigenspannungen teilweise abgebaut werden. Die Mikrostruktur, die aus diesen ultrafeinen ε-Karbid- und niedrig gesättigten α-Festlösungen besteht, wird als angelassener Martensit (Mₜₑₘₚ).
Nachdem sich abgeschreckter Martensit in angelassenen Martensit umwandelt, schrumpft sein Volumen, wodurch der Druck auf den Restaustenit verringert wird. An diesem Punkt zersetzt sich Restaustenit unter Bildung einer bainitischen Struktur.
Diese Umwandlung ist in mittel- und hochkohlenstoffhaltigen Stählen relativ deutlich. Bei Kohlenstoffstählen und niedriglegierten Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,4 % ist die Menge an Restaustenit so gering, dass diese Umwandlung im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Daher bleibt die angelassene Mikrostruktur bei 200–300°C angelassener Martensit.
Wenn die Temperatur 250°C übersteigt, ist die Martensit-Zersetzung abgeschlossen und seine Tetragonalität verschwindet. ε-Karbide wandeln sich in feinen, stabilen Zementit (Fe₃C) um, und der größte Teil der Abschreck-Eigenspannung wird abgebaut. Anlassen zwischen 300–500°C erzeugt eine gemischte Mikrostruktur, die aus einer Ferritmatrix und einer großen Anzahl fein verteilter, körniger Zementite besteht, die als angelassener Troostit (Tₜₑₘₚ).
Wenn die Anlasstemperatur über 400°C erreicht, unterliegt lamellarer Ferrit einer Polygonisierung, während feine, körnige Fe₃C sphäroidisiert und aggregiert, um zu wachsen. Die Abschreck-Eigenspannung wird vollständig abgebaut. Anlassen zwischen 500–650°C führt zu einer Mikrostruktur, die aus einer polygonalen Ferritmatrix mit relativ großen, körnigen Zementiten besteht, die darin verteilt sind, und als angelassener Sorbit (Sₜₑₘₚ).
Das Anlassen wird in Niedrigtemperaturanlassen, Mitteltemperaturanlassen und Hochtemperaturanlassen eingeteilt, basierend auf dem Temperaturbereich.
- Anlasstemperatur: 150–250°C
- Mikrostruktur: Angelassener Martensit (Mₜₑₘₚ) — eine Mischung aus ultrafeinen ε-Karbid- und niedrig gesättigten α-Festlösungen. Unter einem Lichtmikroskop erscheint angelassener Martensit schwarz, während Restaustenit weiß erscheint.
- Zweck: Hohe Härte (typischerweise 58–64 HRC) und Verschleißfestigkeit des abgeschreckten Werkstücks beibehalten und gleichzeitig die Restabschreckspannung und Sprödigkeit reduzieren.
- Anwendungen: Hauptsächlich für die Wärmebehandlung von hochkohlenstoffhaltigen Werkzeugen, Schneidwerkzeugen, Messwerkzeugen, Gesenken, Wälzlagern, aufgekohltem Material und oberflächengehärteten Teilen.
- Anlasstemperatur: 350–500°C
- Mikrostruktur: Angelassener Troostit (Tₜₑₘₚ) — eine Mikrostruktur aus feinkörnigem Zementit, der auf einer Ferritmatrix verteilt ist, die die martensitische Morphologie beibehält.
- Zweck: Hohe Elastizitätsgrenze, Streckgrenze und einen gewissen Grad an Zähigkeit erreichen; die meisten Eigenspannungen werden abgebaut, mit einer Härte von 35–45 HRC.
- Anwendungen: Hauptsächlich für die Wärmebehandlung von Federn, Uhrfedern, Schmiedegesenken und Schlagwerkzeugen.
- Anlasstemperatur: 500–650°C
- Mikrostruktur: Angelassener Sorbit (Sₜₑₘₚ) — eine Mikrostruktur aus körnigem Fe₃C, das auf einer polygonalen Ferritmatrix verteilt ist.
- Zweck: Ausgezeichnete umfassende mechanische Eigenschaften (ausgewogene Festigkeit, Plastizität und Zähigkeit) erhalten; Eigenspannungen werden vollständig abgebaut, mit einer Härte von 25–35 HRC. Da angelassener Sorbit gute umfassende mechanische Eigenschaften aufweist, wird die Kombination aus "Abschrecken + Hochtemperaturanlassen" üblicherweise als Abschrecken und Anlassen (QT) bezeichnet oder im weiteren Sinne einfach als "Anlassen".
- Anwendungen: Abschrecken und Anlassen werden hauptsächlich als abschließende Wärmebehandlung für verschiedene wichtige Konstruktionsteile (z. B. Pleuelstangen, Wellen und Zahnräder, die wechselnden Belastungen und hohen Anforderungen an die Ermüdungsbeständigkeit ausgesetzt sind) verwendet. Es wird auch häufig als Vorwärmebehandlung für oberflächengehärtete Teile, nitrierte Teile, Präzisionsschneidwerkzeuge, Messwerkzeuge und Gesenke verwendet.
Es ist zu beachten, dass die oben genannten Temperaturbereiche für Anlassprozesse für Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle gelten und nicht anwendbar für mittel- und hochlegierte Stähle mit hohem Legierungselementgehalt sind.
Die Schlagzähigkeit von abgeschrecktem Stahl ändert sich mit der Anlasstemperatur. Mit steigender Anlasstemperatur nimmt die Härte des Stahls tendenziell ab, während die Zähigkeit im Allgemeinen zunimmt. In den Temperaturbereichen von 250–400°C und 450–650°C treten jedoch zwei Minimalwerte auf. Dieses Phänomen wird als Anlassversprödung bezeichnet und in Niedrigtemperatur-Anlassversprödung und Hochtemperatur-Anlassversprödung unterteilt.
Dies bezieht sich auf die Sprödigkeit, die abgeschreckter Stahl aufweist, wenn er bei 250–400°C angelassen wird. Da die einmal gebildete Versprödung durch erneutes Erhitzen nicht beseitigt werden kann, wird sie auch als irreversible Anlassversprödung bezeichnet. Die Hauptursache ist, dass sich während des Anlassens in diesem Temperaturbereich Martensit zersetzt und Zementit an Korngrenzen ausscheidet, wodurch die Korngrenzenbruchfestigkeit verringert und die Kontinuität der Matrix zerstört wird. Fast alle Stähle weisen diese Art von Anlassversprödung auf, und es gibt derzeit keine wirksame Methode, um sie vollständig zu beseitigen. Daher wird abgeschreckter Stahl im Allgemeinen nicht im Bereich von 250–350°C angelassen.
Dies bezieht sich auf die Sprödigkeit, die abgeschreckter Stahl aufweist, wenn er nach dem Anlassen im Bereich von 450–650°C langsam abgekühlt wird. Die Zähigkeit kann wiederhergestellt werden, wenn der Stahl auf über 600°C wiedererhitzt und schnell abgekühlt wird, daher wird sie auch als reversible Anlassversprödung.
Diese Art von Versprödung tritt hauptsächlich in Konstruktionsstählen auf, die Legierungselemente wie Cr, Ni, Si und Mn enthalten. Ein Hauptmerkmal ist, dass schnelles Abkühlen (Ölkühlung) nach dem Anlassen keine Sprödigkeit verursacht, während langsames Abkühlen (Luftkühlung) dies tut. Wenn diese Stähle bei hohen Temperaturen angelassen werden müssen, werden sie üblicherweise auf über 600°C erhitzt und schnell abgekühlt. Natürlich verursacht schnelles Abkühlen von dieser Temperatur keine Härtung, da keine Austenitisierung stattfindet.
Im Allgemeinen werden legierte Konstruktionsstähle, um gute umfassende mechanische Eigenschaften zu erhalten, häufig in drei verschiedenen Temperaturbereichen angelassen: ultrahochfeste Stähle bei etwa 200–300°C; Federstähle um 460°C; und vergütete Stähle bei 550–650°C. Kohlenstoff- und legierte Werkzeugstähle, die eine hohe Härte und Festigkeit erfordern, werden im Allgemeinen bei Temperaturen von nicht mehr als 200°C angelassen. Legierte Konstruktionsstähle, Gesenkstähle und Schnellarbeitsstähle werden alle im Bereich von 500–650°C angelassen.
- Anlassen ist sinnlos für unbehandelten abgeschreckten Stahl; daher wird es in Verbindung mit dem Abschrecken als abschließender Wärmebehandlungsprozess verwendet.
- Um Verformungen oder Risse von abgeschreckten Teilen während der Lagerung zu verhindern, müssen Stahlteile unverzüglich nach dem Abschrecken angelassen werden.
- Unzureichendes Anlassen kann durch einen zusätzlichen geeigneten Anlassprozess kompensiert werden; wenn jedoch ein Überanlassen auftritt, sind alle vorherigen Bemühungen verschwendet, und das Teil muss erneut abgeschreckt werden.
- Anlassen ist keine Härtungsmethode; im Gegenteil, es beinhaltet das Wiedererhitzen von wärmebehandeltem, gehärtetem Stahl, um Spannungen abzubauen, das Material zu erweichen und die Plastizität zu verbessern.
- Die durch Anlassen verursachten Mikrostrukturveränderungen und Eigenschaftsmodifikationen hängen von der Temperatur ab, auf die der Stahl wiedererhitzt wird. Je höher die Temperatur, desto signifikanter die Auswirkungen. Daher hängt die Wahl der Temperatur in der Regel davon ab, inwieweit Härte und Festigkeit geopfert werden, um Plastizität und Zähigkeit zu gewinnen.
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