{{{sourceTextContent.title}}}

Verständnis des Jominy Endabschrecktests

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Der Jominy-Endabschreckversuch wird verwendet, um die Härtbarkeit eines Stahls zu messen, was ein Maß für die Fähigkeit des Stahls ist, unter bestimmten Bedingungen in die Tiefe zu härten. Dieser Artikel behandelt die grundlegenden Konzepte der Härtbarkeit und den Jominy-Test.

{{{sourceTextContent.description}}}

Kenntnisse über die Härtbarkeit von Stählen sind notwendig, um die geeignete Kombination aus legiertem Stahl und Wärmebehandlung auszuwählen, um thermische Spannungen und Verformungen bei der Herstellung von Bauteilen unterschiedlicher Größe zu minimieren. Der Jominy-Endabschreckversuch ist die Standardmethode zur Messung der Härtbarkeit von Stählen. Dies beschreibt die Fähigkeit des Stahls, durch Abschrecken in die Tiefe gehärtet zu werden. Die Härtbarkeit hängt von der chemischen Zusammensetzung des Stahls ab und kann auch durch vorherige Verarbeitungsbedingungen, wie beispielsweise die Austenitisierungstemperatur, beeinflusst werden. Es ist nicht nur notwendig, die grundlegenden Informationen aus der Prüfung zu verstehen, sondern auch festzustellen, wie die aus der Jominy-Prüfung gewonnenen Informationen verwendet werden können, um die Auswirkungen des Legierens in Stählen und der Stahlmikrostruktur zu verstehen.

Härtbarkeit

Härtbarkeit ist die Fähigkeit des Stahls, sich teilweise oder vollständig von Austenit in einen Bruchteil des Martensits in einer bestimmten Tiefe unter der Oberfläche umzuwandeln, wenn er unter einer bestimmten Bedingung von hoher Temperatur abgekühlt wird. Eine Abschreck- und Temperierbehandlung nutzt diese Phasenumwandlung zum Härten von Stählen. Das Anlassen des Martensitgefüges verleiht dem Stahl eine gute Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit. Ohne Anlassen ist Martensit hart, aber spröde.

Um einen Stahl für ein Bauteil auszuwählen, das wärmebehandelt wird, ist es wichtig, seine Härtbarkeit zu kennen. Sowohl das Legieren als auch das Gefüge beeinflussen die Härtbarkeit, so dass der richtige Stahl und die richtige Abschreckgeschwindigkeit gewählt werden kann. Die vorherige Verarbeitung des Stahls wirkt sich auch auf das Gefüge aus und sollte berücksichtigt werden.

Das Härten von Stählen kann unter Berücksichtigung der Tatsache verstanden werden, dass sich die Austenitphase des Stahls beim Abkühlen von hohen Temperaturen entweder in Martensit (Abb. 1a) oder in eine Mischung aus Ferrit und Perlit (Abb. 1b) umwandeln kann.

Die Ferrit/Perlit-Reaktion beinhaltet eine Diffusion, die Zeit braucht. Die Martensitumwandlung beinhaltet jedoch keine Diffusion und ist im Wesentlichen augenblicklich. Diese beiden Reaktionen sind wettbewerbsfähig, und Martensit wird erhalten, wenn die Abkühlrate schnell genug ist, um die langsamere Bildung von Ferrit und Perlit zu vermeiden. Bei legierten Stählen wird die Ferrit/Perlit-Reaktion weiter verlangsamt, so dass Martensit mit langsameren Abkühlraten erhalten werden kann. Die Transformation in eine andere mögliche Phase (Bainit) kann in ähnlicher Weise verstanden werden.

Die Härtbarkeit beschreibt die Fähigkeit des Stahls, unter bestimmten Bedingungen in die Tiefe zu härten. So kann beispielsweise ein Stahl mit hoher Härtbarkeit unter relativ langsamer Abkühlung, wie beispielsweise eine Ölabschreckung, in einen hohen Martensitanteil von mehreren Millimetern Tiefe übergehen. Im Vergleich dazu kann ein Stahl mit geringer Härtbarkeit auch bei recht schneller Abkühlung, wie z.B. einer Wasserabschreckung, nur bis zu einer Tiefe von weniger als 1 mm einen hohen Martensitanteil bilden.

Für die Herstellung großer hochfester Bauteile (z.B. große Extruderschnecken für das Spritzgießen von Polymeren, Kolben für Steinbrecher, Minenwellenstützen und Flugzeugunterwagen) und kleiner, hochpräziser Bauteile (z.B. Druckgießformen, Bohrer und Pressen zum Stanzen von Münzen) sind hochfeste Stähle erforderlich.

Die langsameren Abkühlraten, die für hochharte Stähle verwendet werden können, können thermische Spannungen und Verformungen reduzieren. Stähle mit geringer Härtbarkeit können für kleinere Bauteile wie Meißel und Schere oder für oberflächengehärtete Bauteile wie Zahnräder verwendet werden, wenn der Wunsch besteht, eine Ferrit/Perlit-Mikrostruktur im Kern zu erhalten, um die Zähigkeit zu verbessern. Der Jominy-Endabschreckversuch ist die Standardmethode zur Messung der Härtbarkeit von Stählen[1]

Angaben zur Prüfung

Der Prüfling ist ein 100 mm (4 Zoll) langer Zylinder mit 25,4 mm (1 Zoll) Durchmesser (Abb. 2a). Die Stahlprobe wird normalisiert (um Gefügeunterschiede aufgrund der vorangegangenen Warmumformung zu beseitigen) und anschließend bei einer Temperatur von 800-925°C (1470-1700°F) austenitziert. Der Prüfling wird schnell auf die Prüfvorrichtung (Abb. 2b) übertragen, die den Stahl abschreckt, indem sie einen kontrollierten Wasserstrahl auf ein Ende des Prüflings spritzt (Abb. 2c). Die Abkühlrate variiert entlang der Länge der Probe, von sehr schnell am abgeschreckten Ende, wo das Wasser auf die Probe trifft, bis hin zu langsameren Geschwindigkeiten, die der Luftkühlung am anderen Ende entsprechen.

Die runde Probe wird dann auf gegenüberliegenden Seiten auf ihrer Länge bis zu einer Tiefe von mindestens 0,38 mm (0,015 Zoll) flach geschliffen, um entkohltes Material zu entfernen. Es ist darauf zu achten, dass das Mahlen die Probe nicht erwärmt, da dies zu einer Anlasshärtung führen kann, die den Stahl erweichen kann.

Die Härte wird in Abständen vom abgeschreckten Ende gemessen, typischerweise in Abständen von 1,5 mm (0,062 Zoll) für legierte Stähle und 0,75 mm (0,031 Zoll) für Kohlenstoffstähle, beginnend so nah wie möglich am abgeschreckten Ende. Die Härte nimmt mit zunehmendem Abstand vom abgeschreckten Ende ab. Hohe Härte tritt dort auf, wo sich volumenstarke Martensitanteile entwickeln. Eine geringere Härte deutet auf eine Umwandlung in Bainit- oder Ferrit/Perlit-Mikrostrukturen hin.

Die Härtemessung wird üblicherweise mit einem Rockwell- oder Vickers-Härtemessgerät durchgeführt.[1-3] Umrechnungstabellen stehen zur Verfügung, um die verschiedenen Härteskalen[4,5] bei Bedarf zu vergleichen, aber es sollte darauf geachtet werden, die richtigen Tabellen für Stahl zu verwenden. Die Härteprüfungen von Rockwell und Vickers verformen das Metall unterschiedlich, und die Ergebnisse werden durch Kaltverfestigung beeinflusst. Die Härtbarkeit wird durch eine Härtekurve für den Stahl (Abb. 3) oder allgemeiner durch Bezugnahme auf den Härtewert in einem bestimmten Abstand vom abgeschreckten Ende beschrieben.

Verwendung von Härtbarkeitswerten

Daten aus dem Jominy-Endabschreckversuch können verwendet werden, um festzustellen, ob ein bestimmter Stahl in verschiedenen Abschreckmedien für verschiedene Profildurchmesser ausreichend gehärtet werden kann. So entspricht beispielsweise die Kühlrate in einem Abstand von 10 mm (0,390 Zoll) vom abgeschreckten Ende der Kühlrate in der Mitte einer ölgehärteten Stange mit 28 mm (1,1 Zoll) Durchmesser. Die vollständige Umwandlung in Martensit in der Jominy-Probe an dieser Stelle zeigt an, dass ein Stab mit einem Durchmesser von 28 mm durchgehärtet (d.h. durch seine gesamte Dicke gehärtet) werden kann.

Für die Durchhärtung großer Bauteile ist eine hohe Härtbarkeit erforderlich. Diese Daten können mit Hilfe von CCT-Diagrammen (Continuous-Cooling Transformation)[6] dargestellt werden, die zur Auswahl von Stählen nach Bauteilgröße und Abschreckmedien verwendet werden (Abb. 4). Im Kern größerer Bauteile treten im Vergleich zur schnelleren Abkühlrate an der Oberfläche langsamere Abkühlraten auf. Im Beispiel in Abb. 3 wird die Oberfläche in Martensit umgewandelt, aber der Kern weist eine bainitische Struktur mit etwas Martensit auf. Häufig werden langsame Abschreckgeschwindigkeiten gewählt, um Verzug und Eigenspannung in Bauteilen zu reduzieren. Weitere Informationen zur Wärmebehandlung und zu den Eigenschaften von Stählen enthält Referenz 6.

Auswirkungen von Legierung und Mikrostruktur

Der Jominy-Endabschreckversuch misst die Auswirkungen des Mikrogefüges, wie Korngröße und Legierung, auf die Härtbarkeit von Stählen. Die wichtigsten Legierungselemente, die die Härtbarkeit beeinflussen, sind Kohlenstoff, eine Gruppe von Elementen wie Cr, Mn, Mo, Si und Ni sowie Bor.[7] Referenz 7 enthält weitere Informationen über die Mikrostruktur und Metallurgie von Stählen.

Kohlenstoff

Kohlenstoff steuert die Härte des Martensits; steigender Kohlenstoffgehalt erhöht die Härte von Stählen auf bis zu etwa

0.6 Gew.-% Kohlenstoff. Bei höheren Kohlenstoffwerten wird jedoch die kritische Temperatur für die Martensitbildung auf niedrigere Temperaturen gesenkt. Die Umwandlung von Austenit in Martensit kann dann unvollständig sein, wenn der Stahl auf Raumtemperatur abgeschreckt wird, was zu Restaustenit führt. Dieses Verbundmikrogefüge aus Martensit und Austenit führt zu einer geringeren Stahlhärte, obwohl die Härte der Martensitphase selbst noch hoch ist (Abb. 5).

Kohlenstoff erhöht auch die Härtbarkeit von Stählen, indem er die Bildung von Perlit und Ferrit verzögert. Die Verlangsamung dieser Reaktion fördert die Bildung von Martensit bei langsameren Abkühlraten. Der Effekt ist jedoch zu gering, um üblicherweise zur Kontrolle der Härtbarkeit verwendet zu werden. Darüber hinaus sind kohlenstoffreiche Stähle während der Wärmebehandlung verzugs- und rissbelastet und können im geglühten Zustand vor der Wärmebehandlung schwer zu bearbeiten sein. Es ist üblicher, die Härtbarkeit mit anderen Elementen zu kontrollieren und Kohlenstoffwerte von weniger als 0,4 Gew.-% zu verwenden.

Andere Legierungselemente

Cr, Mo, Mn, Si, Ni und V verzögern die Phasenumwandlung von Austenit zu Ferrit und Perlit. Die am häufigsten verwendeten Elemente sind Cr, Mo und Mn. Die Verzögerung ist auf die Notwendigkeit einer Umverteilung der Legierungselemente während der Diffusionsphasenumwandlung von Austenit zu Ferrit und Perlit zurückzuführen. Die Löslichkeit der Elemente variiert zwischen den verschiedenen Phasen, und die Schnittstelle zwischen der neuen Wachstumsphase kann sich nicht bewegen, ohne die Diffusion der sich langsam bewegenden Elemente. Es gibt sehr komplexe Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Elementen, die sich auch auf die Temperaturen der Phasenumwandlung und der resultierenden Mikrostruktur auswirken. Legierungsstahlzusammensetzungen werden daher manchmal in Form eines Kohlenstoffäquivalents beschrieben, das die Größe des Einflusses aller Elemente auf die Härtbarkeit beschreibt. Stähle mit gleichem Kohlenstoffäquivalent weisen eine ähnliche Härtbarkeit auf.

Bor

Bor ist ein sehr starkes Legierungselement, das typischerweise 0,002-0,003 Gew.-% benötigt, um die gleiche Wirkung von 0,5 Gew.-% Mo zu erzielen. Die Wirkung von Bor ist unabhängig von der Menge an Bor, sofern eine ausreichende Menge zugegeben wird. Die Wirkung von Bor ist bei niedrigeren Kohlenstoffgehalten am größten und wird typischerweise bei Stählen mit niedrigeren Kohlenstoffgehalten eingesetzt.

Bor hat eine sehr starke Affinität zu Sauerstoff und Stickstoff, mit denen es Verbindungen bildet. Daher kann Bor die Härtbarkeit von Stählen nur beeinflussen, wenn es in Lösung ist. Dies erfordert die Zugabe von "Getter"-Elementen wie Aluminium und Titan, die vorzugsweise mit dem Sauerstoff und Stickstoff im Stahl reagieren.

Korngröße

Die Erhöhung der Austenitkorngröße erhöht die Härtbarkeit von Stählen. Die Keimbildung von Ferrit und Perlit erfolgt an heterogenen Stellen wie den Austenit-Korngrenzen. Daher verringert die Vergrößerung der Austenitkorngröße die verfügbaren Keimbildungsstellen, was die Rate der Ferrit/Perlit-Phasenumwandlung verzögert (Abb. 6). Diese Methode zur Erhöhung der Härtbarkeit wird selten eingesetzt, da erhebliche Erhöhungen der Härtbarkeit eine große Austenitkorngröße erfordern, die durch hohe Austenitisierungstemperaturen erreicht wird. Das resultierende Gefüge ist recht grob, mit reduzierter Zähigkeit und Duktilität. Die Austenitkorngröße kann jedoch durch andere Stufen der Stahlverarbeitung beeinflusst werden. Daher hängt die Härtbarkeit eines Stahls auch von den vorherigen Stufen seiner Herstellung ab.