Wärmebehandlung von Stahl: Martensitische Umwandlung und Korrosionsarten

Wärmebehandlung von Stahl: Grundlagen und Verfahren

Martensitische Wärmebehandlung (Abschrecken)

Die Wärmebehandlung von Stahl besteht aus dem Erhitzen bestimmter Eisenlegierungen, gefolgt von einer raschen Abkühlung in einem geeigneten Medium (Wasser, Öl oder Luft), um Stähle härter zu machen. Die Fähigkeit von Stahl, Martensit zu bilden, definiert seine Härtbarkeit.

Martensitischer Prozess

Der Stahl wird auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt und dort gehalten, bis die gesamte Austenitphase umgewandelt ist. Anschließend erfolgt das Abschrecken in einem gekühlten Salzbad bei konstanter Temperatur. Während dieser Zeit darf keine Austenit-Transformation stattfinden. Die kubisch-raumzentrierte (KRZ) Struktur des Austenits wandelt sich in eine tetragonal-raumzentrierte (TRZ) Struktur (Martensit) um. Dieser Prozess ermöglicht einen Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,6% C max. und erhöht die Härte sowie die mechanische Festigkeit.

Niederschlagshärtung (Ausscheidungshärtung)

Dieses Verfahren wird hauptsächlich bei Mg-, Al- und Cu-Legierungen angewendet. Die Verfestigung erfolgt nach dem Abkühlen. Beim Abkühlen scheiden sich feine Partikel einer chemischen Verbindung ab, die die Kristallversetzungen der Legierung behindern. Die Abkühlung ist hierbei zu langsam für eine vollständige Durchmischung mit der Legierung. Das Endprodukt ist ähnlich dem, was durch Erhitzen erreicht wird.

Kontinuierliche Abkühlung bei Austenitisierungstemperatur

Volle Austenitisierung (Hypoeutektoide Stähle)

Das Material wird etwa 50 °C über der oberen kritischen Temperatur erhitzt und anschließend optimal abgekühlt. Die wichtigste strukturelle Komponente ist der Martensit.

Unvollständige Austenitisierung (Hypereutektoide Stähle)

Der Prozess ist ähnlich, aber der Austenit wandelt sich in Perlit und Zementit um. Es erfolgt eine sehr schnelle Abkühlung, wodurch eine Struktur aus Martensit und Zementit entsteht.

Einflussfaktoren auf die Härtung

Die wichtigsten Einflussfaktoren sind:

1. Stahlzusammensetzung (insbesondere C-Gehalt und Legierungselemente)
2. Zeit der Erwärmung (abhängig von der Masse)
3. Abkühlgeschwindigkeit (wichtigster Faktor)
4. Eigenschaften des Kühlmediums (beeinflusst die Geschwindigkeit): Öl, Wasser, Luft.
5. Größe und Geometrie des Werkstücks (Dicke).

Oberflächenhärtungsverfahren (Carburieren und Nitrieren)

Aufkohlen (Carburieren)

Hierbei wird Kohlenstoff an die Stahloberfläche bei einer bestimmten Temperatur hinzugefügt (Reaktion: $\text{Fe} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons \text{Fe} + (\text{Fe} + \text{C}) + \text{CO}_2$). Dies erhöht die Härte der Oberfläche bei geringerem Kohlenstoffgehalt im Kern.

Carbonitrieren

Verwendung von Natriumcyanid als Bindemittel in flüssiger Form (Reaktion: $2\text{NaCN} + \text{O}_2 \rightarrow 4\text{NCONa} \rightarrow 2\text{NCONa} + \text{Na}_2\text{CO}_3$; $\text{NaCN} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Fe-Nitride} + \text{Stickstoff}$). Es bilden sich sehr harte Eisennitride.

Nitrieren

Dieses Verfahren wird bei bestimmten Stählen und Gussstücken mit Aluminium- und Chromzusatz angewendet, um eine sehr hohe Härte zu erzielen. Es wird in speziellen Öfen bei $500 \text{ °C} - 525 \text{ °C}$ unter Ammoniakfluss durchgeführt (Reaktion: $2\text{NH}_3 \rightleftharpoons 2\text{N} + 3\text{H}_2$). Der Stickstoff bildet Eisen-Nitride (z. B. $\text{Fe}_4\text{N}$).

Korrosionsarten

Uniforme Korrosion

Austausch von kathodischen und anodischen Bereichen, in denen ein Metall in der Nähe eines Elektrolyten reagiert.

Galvanische Korrosion

Wenn zwei Metalle in einem Elektrolyten exponiert sind: Das elektronegativere Metall korrodiert.

Korrosion durch unterschiedliche Belüftung (Spaltkorrosion)

In Rissen und Spalten, wo Schmutz und Feuchtigkeit eindringen: Die inneren Bereiche sind sauerstoffarm und korrodieren.

Lochfraß (Stings)

Korrosion, die von innen beginnt. Ein kleiner Riss beginnt die Korrosion, und die Oberfläche darunter wird sauerstoffarm.

Interkristalline Korrosion

Tritt auf, wenn sich an den Korngrenzen eine zweite Phase abscheidet und eine galvanische Zelle bildet. Ferrit ist anodisch in Bezug auf Zementit. Dies tritt bei einer Reduktion der Elektronen auf.

Selektive Korrosion

Wenn eine einstufige Legierung (z. B. Zink-Messing) korrodiert, wobei ein Bestandteil bevorzugt abgetragen wird.

Korrosion durch Erosion

Die Schutzschicht aus Metalloxid wird durch mechanische Einwirkung (Verschleiß) zerstört, wenn eine Flüssigkeit auf leitende Elemente trifft.

Korrosion durch Spannungen (Spannungsrisskorrosion)

Eigenspannungen oder innere Spannungen erzeugen kleine Risse. Bereiche mit geringerer Spannung werden zur Kathode, und die Korrosion beginnt (häufig nach Kaltverformung).