Der Abschreckprozess von unterem Bainit

I. Grundprinzip des Härtens von unterem Bainit

II. Prozessschritte und Parameter des Härtens von unterem Bainit

1. Austenitisierungsstufe (Erwärmen und Halten)

• Zweck: Um Karbide im Stahl vollständig aufzulösen und eine gleichmäßige, feine austenitische Struktur zu erhalten, die die Grundlage für die anschließende Umwandlung bildet.
• Prozessparameter:
  • Austenitisierungstemperatur: Bestimmt durch die Stahlzusammensetzung, im Allgemeinen 30~50°C über Ac3 (für hypoeutektoide Stähle) oder zwischen Ac1 und Ac3 (für hypereutektoide Stähle, um Netzwerkkarbide zu vermeiden). Zum Beispiel:
    • Mittelkohlenstoffstähle (z. B. 45er Stahl): 820~860°C;
    • Mittelkohlenstoff-Niedriglegierungsstähle (z. B. 40Cr): 840~880°C;
    • Hochkohlenstoffstähle (z. B. T8-Stahl): 780~820°C (um grobe Körner durch Überhitzung zu verhindern).
  • Haltezeit: Bestimmt durch die Werkstückdicke und die Belastbarkeit, um die Austenithomogenisierung sicherzustellen. Typischerweise 1~3 Stunden (kürzer für kleine Werkstücke, bis zu 30 Minuten; länger für große Werkstücke), wobei Unterhitze (unvollständige Austenitisierung) oder Überhitzung (grobe Körner, was zu Leistungsminderung führt) vermieden werden.

2. Schnellkühlstufe (Vermeidung von Perlit-/Oberbainitzonen)

• Zweck: Um das austenitisierte Werkstück schnell auf den unteren Bainit-Umwandlungstemperaturbereich (200~350°C) abzukühlen und eine vorzeitige Umwandlung in den Perlit- (500~600°C) oder Oberbainit- (350~500°C) Zonen zu verhindern, wodurch eine "gerichtete" Umwandlung von Austenit in unteren Bainit sichergestellt wird.
• Prozessparameter:
  • Kühlmedium: Muss eine ausreichende Abkühlgeschwindigkeit (über der kritischen Abkühlgeschwindigkeit des Stahls) liefern. Häufige Medien sind:
    • Geschmolzene Salze (z. B. Nitrat-Nitrit-Bäder, mit niedrigen Schmelzpunkten und einfacher Temperaturkontrolle);
    • Mineralöle (geeignet für kleine Werkstücke, mit etwas langsamerer Abkühlung als geschmolzene Salze);
    • Polymerlösungen (z. B. Polyvinylalkohollösungen, mit einstellbarer Kühlleistung).
  • Kühlendpunkt: Kühlen Sie das Werkstück schnell auf 200~350°C ab (die spezifische Temperatur wird durch die ZTU-Kurve des Stahls bestimmt; z. B. 250~300°C für niedriglegierte Stähle).

3. Isotherme Umwandlungsstufe (Kernschritt)

• Zweck: Halten Sie die eingestellte niedrige Temperatur, um Austenit vollständig in unteren Bainit umzuwandeln (Restaustenit minimieren).
• Prozessparameter:
  • Isotherme Temperatur: Normalerweise 200~350°C (charakteristischer Bereich für unteren Bainit). Niedrigere Temperaturen erzeugen feinere untere Bainitlamellen, wodurch Festigkeit und Härte erhöht, aber die Umwandlung verlangsamt wird (was längeres Halten erfordert); höhere Temperaturen (nahe 350°C) können zu teilweisem oberen Bainit führen, wodurch die Zähigkeit verringert wird.
  • Isotherme Zeit: Bestimmt durch die ZTU-Kurve des Stahls, um die vollständige Austenitumwandlung sicherzustellen. Beispiele:
    • 40Cr-Stahl bei 280°C: ~2~4 Stunden;
    • 60Si2Mn-Federstahl bei 250°C: ~3~5 Stunden.
  • Beurteilungskriterien: Gefügeinspektion (unterer Bainit erscheint als dunkle nadelartige/lamellare Strukturen ohne Perlit oder Martensit) oder empirische Formeln (z. B. Zeit um 0,5~1 Stunde pro 10 mm Dicke verlängern).

4. Nachisothermes Abkühlen

• Nach dem isothermen Halten kann das Werkstück an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt werden (keine weitere schnelle Abkühlung erforderlich). Austenit hat sich bereits vollständig in unteren Bainit umgewandelt, so dass das Abkühlen an der Luft die Martensitbildung oder andere unerwünschte Strukturen vermeidet und Spannungsrisse durch übermäßige Abkühlgeschwindigkeiten verhindert.

III. Geeignete Stahlsorten

• Mittelkohlenstoffstähle: 45, 50 usw.;
• Mittelkohlenstoff-Niedriglegierungsstähle: 40Cr, 42CrMo, 35CrMo usw.;
• Federstähle: 60Si2Mn, 50CrVA usw.;
• Wälzlagerstähle: GCr15 (Austenitisierungstemperatur kontrollieren, um grobe Körner zu vermeiden).

IV. Leistungseigenschaften und Anwendungen

• Leistungsvorteile: Unterer Bainit hat eine Härte von HRC45~55 (ähnlich wie Martensit), aber eine 2~3-mal höhere Schlagzähigkeit (αk) als Martensit (z. B. 40Cr nach dem Härten von unterem Bainit hat αk≥80J/cm² gegenüber 30~50J/cm² für martensitische Härtung), mit ausgezeichneter Dauerfestigkeit und Verschleißfestigkeit.
• Anwendungen: Teile, die ein "Festigkeits-Zähigkeits-Gleichgewicht" erfordern, wie z. B. Zahnräder, Antriebswellen, Pleuelstangen, Federn und Lagerringe.

V. Wichtige Prozesspunkte und Vorsichtsmaßnahmen

1. Austenitisierungskontrolle: Übermäßig hohe Temperaturen verursachen grobe Austenitkörner und aufgerauten unteren Bainit, wodurch die Zähigkeit verringert wird; niedrige Temperaturen führen zu unvollständiger Austenitisierung, wobei Restkarbide die Umwandlungsgleichmäßigkeit beeinträchtigen.
2. Abkühlgeschwindigkeit: Muss schnell durch die Perlit-Zone (500~600°C) gehen; andernfalls bildet sich Perlit, wodurch die Festigkeit drastisch reduziert wird (Medien mit geeigneter Kühlleistung auswählen, z. B. Salzschmelzbäder, um sicherzustellen, dass die Raten die kritischen Werte überschreiten).
3. Isotherme Parameter: Befolgen Sie die ZTU-Kurven für Temperatur und Zeit strikt—Abweichungen verursachen übermäßigen Restaustenit (reduzierte Härte) oder teilweisen oberen Bainit (reduzierte Zähigkeit).
4. Werkstückgeometrie: Bei großen oder komplexen Teilen die Erhitzungs-/Abkühlgeschwindigkeiten kontrollieren, um Spannungsrisse zu vermeiden (gestuftes Erhitzen oder Vorkühlen auf höhere Temperaturen vor dem isothermen Halten verwenden).