Anwendungsbeispiele

Härtbarkeit

Die beim Abkühlen aus dem Austenitgebiet z.B. beim Härten auftretenden Härteänderungen, führen zum Begriff der Härtbarkeit. Unter "Aufhärtbarkeit" wird dabei die höchste, durch Abschrecken erzielbare Oberfläche verstanden. Sie stellt sich ein, wenn praktisch 100% Martensit im Gefüge vorliegen. Dieser Härtewert ist vom Kohlenstoffgehalt des Stahles, genauer vom C-Gehalt, der im Austenit gelöst ist, abhängig (Bild 14). Davon zu unterscheiden ist die sogenannte Einhärtbarkeit. Sie ist gemeint, wenn in der Umgangssprache von "Härtbarkeit" die Rede ist. Sie beschreibt die Härteänderung über den gesamten Querschnitt eines Werkstückes. Diese hängen u.a. stark vom Legierungsgehalt, von der Austenitkorngröße und den Härtebedingungen des Stahles ab.

Aus diesen Erklärungen geht hervor, dass das ZTU- Schaubild für kontinuierliche Abkühlung zusammen mit den Abkühlungskurven (Bilder 8-12) die Härtbarkeit der Stähle umfassend beschreiben. Meist bedient man sich in der Praxis eines weniger aufwendigen Verfahrens, bei dem man sich auf die Ermittlung der Härtewerte beschränkt und auf die Feststellung der Gefügezusammensetzung verzichtet. Dabei wird davon ausgegangen, dass in den meisten Anwendungsfällen ein Gefüge mit 50% Martensit als Mindestgrenzwert der Einhärtung angesehen werden kann.

Bild 14 (Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.)
Abhängigkeit der Härte vom Kohlenstoffgehalt für Gefüge mit
verschiedenem Martensitgehalt (nach Gerber und Wyss)

Zur Prüfung der Härtbarkeit dient der Stirnabschreckversuch nach Jominy (DIN EN ISO 642), bei welchem eine Probe von 100 mm Länge und 25mm Durchmesser von der Stirnseite her mit einem Wasserstrahl abgeschreckt wird. (Bild 15)

Nach dem Abschrecken wird an der seitlich angeschliffenen Mantelfläche die Härte in Abhängigkeit vom Abstand von der Stirnfläche gemessen und in einem Schaubild dargestellt. Das Verfahren ergibt dank einheitlicher Prüfbedingungen nur geringe Streuungen in den Ergebnissen. Bild 16 zeigt Stirnabschreckhärtekurven (Jominy-Kurven) verschieden legierter Stähle mit ca. 0,3% C, die den Einfluss der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung auf den Härteverlauf kennzeichnen.

Bild 15 (Zur Vergrößerung, bitte auf das jeweilige Bild klicken.)
Stirnabschreckversuch nach Jominy

Bild 16
Mittlere Kurven aus Stirnabschreck- Härtbarkeitsversuchen eines höher legierten, eines leicht legierten und eines unlegierten Stahles mit etwa 0,3% Kohlenstoff

Wegen des etwa gleichen C-Gehalts besitzen sie alle die gleiche Aufhärtbarkeit; die Kurven beginnen am linken Bildrand mit der gleichen Härte. Chargeneinflüsse, wie sie beispielsweise durch Schwankungen der chemischen Zusammensetzung innerhalb der zulässigen Analysenspanne eines Stahls entstehen, werden durch ein Härtbarkeitsstreuband gekennzeichnet.

Aus den Ergebnissen der Stirnabschreckhärteprüfung eines Stahles lassen sich auch Voraussagen über den Härtverlauf in anderen Körpern regelmäßiger Form und Größe aus gleichen Werkstoffen ableiten, da dem Abstand von der abgeschreckten Stirnfläche einer Stirnabschreckhärteprobe jeweils eine bestimmte Abkühlungsgeschwindigkeit zugeordnet werden kann. Diese Zuordnung gilt für die üblichen Einsatz- und Vergütungsstähle, weil diese Stahlgruppen annähernd gleiche physikalische Eigenschaften - Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung - besitzen. Da bei einer gegebenen Stahlgüte gleiche Abkühlungsgeschwindigkeiten von der Austenitisierungstemperatur immer bestimmte Umwandlungsvorgänge bewirken und zu bestimmter Gefügeausbildung und Härtewerten führen, so müssen auch den Härtewerten auf der Stirnabschreckhärtekurve gleiche Härtewerte an Stellen mit äquivalenter Abkühlungsgeschwindigkeit auf anderen Körpern zugeordnet werden können. So ist es möglich, die aus dem Stirnabschreckhärteversuch an der Probe ermittelten Härtewerte auf Stellen gleicher Abkühlungsgeschwindigkeiten im Rundmaterial zu übertragen und den Härteverlauf in diesen Querschnitten zu bestimmen.

Zur praktischen Anwendung wurden für Wasser- und Ölhärtung Diagramme entwickelt, welche die Abkühlungsgeschwindigkeit in einzelnen Querschnittsstellen von Rundstäben in Abhängigkeit vom Durchmesser kennzeichnen. Diese Diagramme sind als transparente Deckblätter zu den Härtbarkeits- Streubändern bzw. Stirnabschreckkurven ausgebildet. Es ist damit möglich, für eine beliebige Querschnittstelle des gehärteten Rundstabes die Härte aus der Stirnabschreckkurve zu bestimmen und den Härteverlauf über den Querschnitt anzugeben.

Anwendungsbeispiele:

Es soll der Härteverlauf über den Querschnitt eines Rundstabes von 100mmØ nach Wasserhärtung aus dem Härtbarkeitsstreuband des Vergütungsstahles 34 Cr 4 bestimmt werden.

Man legt das Deckblatt für Wasserhärtung auf das Härtbarkeitsstreuband von 34 Cr 4. Die Schnittpunkte der 100 mm - Horizontalen mit den 4 Kurven des Deckblattes werden festgestellt (Pkt. 1-4 im Bild 18b). Die durch diese Schnittpunkte verlaufenden Vertikalen schneiden das Streuband an je 2 Punkten und zwar die untere Grenzkurve in den Punkten 1´ bis 4´ und die obere in 1" bis 4". Diese Punkte entsprechen folgenden Härtewerten:

Hieraus ergibt sich die in Bild 18a wiedergegebene Härteverteilung über den Querschnitt Ø 100 mm für den Härtbarkeitsbereich einer betreffenden Stahlqualität (im vorliegenden Beispiel 34 Cr 4). Da die Härtbarkeitskurve einer Schmelze innerhalb des Streubandes der Qualität liegen muss, so muss auch die zugehörige Kurve für den Härteverlauf innerhalb der beiden Grenzkurven des Bildes 18a liegen.

2. Bestimmung der maximalen Rundstahlabmessung für den Stahl 34 Cr 4 bei der mittels Wasserhärtung noch Durchhärtung erzielt wird.

Aus Schaubild 14 ist für den C-Gehalt einer Schmelze mit 0, 34% Kohlenstoff jene Härte abzulesen, die einem Gefügeanteil von 50% Martensit entspricht. In unserem Beispiel sind dies 40 HRC. Man überträgt das Diagramm für Wasserhärtung (Bild 17, links) in das Diagramm des Härtbarkeitsstreuband,  des betreffenden Stahles.

Bei 40 HRC wird das Streuband in 2 Punkten 1 und 2 geschnitten. Die Vertikalen durch diese Punkte schneiden die Abkühlkurve für den Kern in den Punkten 1´ und 2´. Sie entsprechen einem Rundstabdurchmesser von 40 bis 85 mm (Punkte 1" und 2" in Bild 19), wobei diese Punkte die Grenzwerte dieses Streubereiches angeben. Für eine Schmelze, deren Härtbarkeit an der unteren Grenze liegt, ergibt sich somit ein maximaler Stabdurchmesser von 40mm Ø, bei hoher Härtbarkeit max. 85mm Ø.

Bild 19