Was ist der Zweck des Abschreckens von Kohlenstoffbaustahl?

Was ist der Zweck des Abschreckens von Kohlenstoffbaustahl?
Der Abschreckprozess für Kohlenstoffbaustahl umfasst das Erhitzen des Stahls auf die Austenitisierungstemperatur (typischerweise 30-50 Grad über Ac3, was bei untereutektoidem Stahl eine vollständige Austenitisierung erfordert), das Halten des Stahls bei dieser Temperatur für einen bestimmten Zeitraum, damit sich die Mikrostruktur vollständig in Austenit umwandeln kann, und das anschließende schnelle Abkühlen in einem Kühlmedium wie Wasser oder Öl. Sein Hauptzweck besteht darin, eine „bahnbrechende“ Verbesserung der mechanischen Eigenschaften durch Veränderung der inneren Mikrostruktur des Stahls (Umwandlung von Austenit in Nichtgleichgewichtsstrukturen wie Martensit oder Bainit) zu erreichen, insbesondere für Festigkeits- und Härteanforderungen. Dieser Prozess kann in die folgenden vier Kernziele eingeteilt werden:
1. Verbessern Sie die Stahlhärte und Verschleißfestigkeit erheblich
Die Gleichgewichtsmikrostruktur von Kohlenstoffbaustahl (z. B. Perlit + Ferrit) weist eine relativ geringe Härte auf (z. B. beträgt die Warmwalzhärte von Q235-Stahl etwa HB150-180 und die von 45-Stahl etwa HB170-210). Daher ist es für Anwendungen, die Verschleiß- und Kratzfestigkeit erfordern (z. B. verschleißfeste Oberflächen an mechanischen Teilen und Werkzeugkanten), ungeeignet. Beim Abschrecken kühlt der Austenit schnell ab (die Abkühlgeschwindigkeit muss die „kritische Abkühlgeschwindigkeit“ überschreiten). Die Atome haben keine Zeit, zu diffundieren und Gleichgewichtsperlit zu bilden, sondern werden stattdessen gezwungen, Martensit zu bilden. Martensit ist eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in -Fe mit erheblicher Gitterverzerrung und zahlreichen inneren Versetzungen. Dadurch erhöht sich die Härte deutlich:
Baustahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (z. B. 45er Stahl) kann nach dem Abschrecken eine Härte von HRC55-60 erreichen, was die Härte von warmgewalztem Stahl bei weitem übertrifft.
Baustahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (z. B. 65er-Stahl) kann nach dem Abschrecken sogar eine Härte von HRC60–65 erreichen und damit an das Niveau von gewöhnlichem Werkzeugstahl herankommen.
Diese hohe Härte verbessert effektiv die Verschleißfestigkeit von Teilen und reduziert den Verschleiß während des Einsatzes (z. B. Abschrecken von Werkzeugmaschinenführungen und Zahnflanken).
2. Verbessert die Stahlfestigkeit und Verformungsbeständigkeit erheblich
Zusätzlich zur Härte erhöht das Abschrecken die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Verformungsbeständigkeit von Kohlenstoffbaustahl erheblich. Ferrit in der Gleichgewichtsstruktur hat eine hohe Plastizität, aber eine geringe Festigkeit, während Perlit eine mäßige Festigkeit aufweist. Martensit kann jedoch durch Gitterverzerrung und Versetzungsverstärkung eine Festigkeitssteigerung von 50–100 % erreichen.
Beispielsweise hat 45-Stahl eine warmgewalzte Zugfestigkeit von etwa 600 MPa. Nach dem Abschrecken (ohne Anlassen) steigt die Zugfestigkeit auf über 1000 MPa, die Streckgrenze steigt von 355 MPa auf über 800 MPa.
Bei Teilen, die Lasten tragen, Stößen standhalten oder Verformungen widerstehen (z. B. Wellen, Pleuelstangen und Bolzen), stellt die hohe Festigkeit nach dem Abschrecken sicher, dass sich die Teile unter komplexen Betriebsbedingungen nicht verformen oder brechen und somit die Anforderungen an die strukturelle Belastung-tragen. 3. erfüllen. Legt den Grundstein für den anschließenden „Temper“-Prozess und erreicht eine „Festigkeit“-Zähigkeit Gleichgewicht."
Obwohl Kohlenstoffbaustähle nach dem Abschrecken eine extrem hohe Härte und Festigkeit erreichen, weisen sie erhebliche Nachteile auf: hohe innere Spannung in der Martensitstruktur, schlechte Duktilität und extrem geringe Zähigkeit (anfällig für Sprödbruch, wobei die Absorption der Schlagenergie typischerweise nur 5 - 10 J beträgt). Der direkte Einsatz kann aufgrund geringer Stöße oder Spannungskonzentrationen leicht zum Versagen führen. Daher wird das Abschrecken selten als „abschließende Wärmebehandlung“ eingesetzt, sondern eher als Vorstufe des Anlassprozesses. Seine Kernfunktion besteht darin, eine „grundlegende Struktur mit hoher-Härte und hoher Festigkeit“ für spätere Leistungsanpassungen bereitzustellen.
Durch anschließendes Anlassen bei unterschiedlichen Temperaturen (Anlassen bei niedriger Temperatur 150 {2}}250 Grad, Anlassen bei mittlerer Temperatur 350–500 Grad und Anlassen bei hoher Temperatur 500 bis 650 Grad) kann die innere Martensitspannung beseitigt und die Zähigkeit verbessert werden, während der größte Teil der abgeschreckten Festigkeit erhalten bleibt.
Beispielsweise verringert sich nach dem Abschrecken und Hochtemperaturanlassen (Abschrecken und Anlassen) von 45er-Stahl die Härte auf HRC 28–32, während die Zugfestigkeit über 800 MPa bleibt und die Schlagenergieabsorption auf über 50 J erhöht wird. Dadurch wird ein ideales Gleichgewicht zwischen „hoher Festigkeit und hoher Zähigkeit“ erreicht, was es zur am häufigsten verwendeten umfassenden Lösung zur Leistungsoptimierung im Maschinenbau macht. . 4. Verbesserung der lokalen Leistung und Erfüllung der Anforderungen an „lokale Verstärkung“.
Einige Bauteile aus Kohlenstoffstahl erfordern insgesamt keine hohe Festigkeit (um allgemeine Sprödigkeit zu vermeiden) und erfordern lediglich eine Verstärkung kritischer Arbeitsbereiche (z. B. Verschleißflächen und Bereiche mit konzentrierter Beanspruchung). In diesen Fällen kann das Abschrecken durch einen „lokalen Heiz- + lokalen Kühl“-Ansatz „lokale Leistungsverbesserungen“ erreichen.
Beispielsweise erfordern Führungsschienen für Werkzeugmaschinen eine Oberflächenverschleißfestigkeit (hohe Härte), die Führungsschienenmatrix muss jedoch ihre Zähigkeit beibehalten (um Schlagbruch zu vermeiden). Dies kann durch „Induktionsheizflächenabschreckung“ erreicht werden. Dabei wird nur die Oberfläche der Führungsschiene bis zur Austenitisierung erhitzt und schnell abgekühlt, wodurch sich abgeschreckter Martensit (Härte HRC 50–55) auf der Oberfläche bildet und gleichzeitig die ursprüngliche Gleichgewichtsstruktur der Matrix (Aufrechterhaltung der Zähigkeit) erhalten bleibt.
Ein weiteres Beispiel: Der Kopf oder Gewindeteil einer Schraube erfordert Scher- und Verschleißfestigkeit. Durch lokales Abschrecken kann eine kritische Leistung erzielt und gleichzeitig eine allgemeine Sprödigkeit vermieden und das Risiko eines Teileversagens verringert werden.