Wärmebehandlung von Werkzeugstahl: Leitfaden für den Prozess

Werkzeugstahl ist in der Fertigung unverzichtbar und ist für seine Härte, Verschleißfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Belastungen bekannt. Von Schneidwerkzeugen bis hin zu Industriemaschinen hängt seine Leistung von einem entscheidenden Prozess ab: der Wärmebehandlung.

Bei SteelPro Group bieten wir Werkzeugstahl sowohl im geglühten als auch im vorgehärteten Zustand an. Unsere Experten können auch detaillierte Beratung zur Wärmebehandlung geben, um optimale Härte, Zähigkeit und Haltbarkeit zu gewährleisten.

Wärmebehandlung von Werkzeugstahl

Die Wärmebehandlung ist ein wichtiger Vorgang, bei dem Legierungen erhitzt und abgekühlt werden, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Dieser Prozess für Werkzeugstahl umfasst in der Regel mehrere wichtige Schritte: Glühen, Vorwärmen, Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen.

Wie wird Werkzeugstahl wärmebehandelt?

• Das Schmieden wird bei Werkzeugstahl normalerweise vor der Wärmebehandlung durchgeführt. Der Prozess richtet die Kornstruktur aus, reduziert innere Spannungen und sorgt für Gleichmäßigkeit, was zu einer besseren Leistung nach der Wärmebehandlung führt.

Glühen – Erweichen von Werkzeugstahl

Prozess:

1. Erhitzen Sie den Stahl auf eine bestimmte Temperatur, normalerweise zwischen 700 °C und 900 °C, je nach Stahlsorte. 
2. Der Stahl wird einige Zeit auf dieser Temperatur gehalten, um eine vollständige Umwandlung zu ermöglichen. 
3. Abschließend wird der Stahl langsam abgekühlt, häufig direkt im Ofen, um einen Thermoschock zu vermeiden und den gewünschten Erweichungseffekt zu erzielen.

Durch die Verringerung von Härte und Sprödigkeit lässt sich der Stahl durch das Glühen leichter bearbeiten oder formen. Außerdem trägt es dazu bei, eine Gleichmäßigkeit der Mikrostruktur zu erreichen, die für die weitere Wärmebehandlung unerlässlich ist.

Härten – Erhöhung der Festigkeit und Verschleißfestigkeit

1. Vorwärmen

Das Vorwärmen ist kein Teil der eigentlichen Härtungsreaktion, sondern dient dazu, den Thermoschock zu minimieren und das Risiko von Verformungen, Verformungen oder Rissen zu verringern. Komplizierte Werkzeuge und Schnellarbeitsstähle werden oft in zwei Schritten vorgewärmt.

2. Austenitisierung

Erhitzen von Werkzeugstahl auf den Austenitisierungstemperaturbereich von 760 °C bis 1300 °C (1400 °F bis 2400 °F). Die Zieltemperatur variiert je nach Art des Werkzeugstahls.

Das Erreichen der richtigen Austenitisierungstemperatur ist entscheidend. Denn eine zu niedrige Temperatur führt zu einer unvollständigen Umwandlung in Austenit, während eine zu hohe Temperatur zu Kornwachstum führen kann, was die Zähigkeit des Materials verringert.

3. Abschrecken

Nach der Austenitisierung wird der Stahl schnell abgekühlt in einem Abschreckmedium— üblicherweise Öl, Wasser oder Luft. Die Abkühlungsgeschwindigkeit muss sorgfältig kontrolliert werden, da unzureichendes Abschrecken zu unvollständiger Umwandlung oder Verformung führen kann. 

• Ölabschreckung

Beim Ölabschrecken wird erhitzter Stahl in Öl getaucht, um eine schnelle, moderate Abkühlung zu erreichen. Diese Methode wird häufig bei Werkzeugstählen verwendet, um Verformungen und Risse zu minimieren, da Öl langsamer abkühlt als Wasser und so eine kontrolliertere Erstarrung ermöglicht.

• Wasserabschreckung

Durch Wasserabschrecken kühlt Stahl viel schneller ab als durch Öl. Daher eignet es sich für Stähle, die eine schnelle Abkühlung vertragen. Es bietet eine hohe Härte, erhöht jedoch aufgrund der aggressiveren Abkühlungsrate das Risiko von Rissen oder Verformungen.

• Luftabschreckung

Luftabschrecken ist eine langsamere Abkühlungsmethode, bei der Stahl in Umgebungsluft oder Druckluft abgekühlt wird. Dieses Verfahren wird für Legierungen verwendet, die für diesen Zweck entwickelt wurden, wie z. B. bestimmte Schnellarbeitsstähle, die eine weniger schnelle Abkühlung erfordern, um Verformungen zu vermeiden und gleichzeitig eine optimale Härte zu erreichen.

Anlassen – Sprödigkeit verringern und Zähigkeit verbessern

Prozess:

1. Erhitzen Sie den gehärteten Stahl erneut auf eine bestimmte Temperatur, normalerweise zwischen 150 °C und 700 °C (300 °F und 1300 °F).
2. Halten Sie die Zieltemperatur für eine bestimmte Dauer, die zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden liegen kann.
3. Kühlen Sie den Stahl mit einer kontrollierten Geschwindigkeit, normalerweise in Luft oder Öl, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.

Die Anlasstemperatur beeinflusst direkt die endgültigen mechanischen Eigenschaften des Stahls. Niedrigere Anlasstemperaturen machen das Material härter, aber weniger zäh, während höhere Temperaturen es zäher, aber etwas weicher machen.

Überlegungen zur Wärmebehandlung von Werkzeugstahl

Oberflächenschutz beim Austenitisieren

Der Kontakt mit Sauerstoff während des Austenitisierungsprozesses kann zu Skalierung und Entkohlung, was zu einem dauerhaften Härteverlust an der Werkzeugoberfläche führt. Um diese Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, Oberflächenschutz. 

Zu den gängigen Methoden gehören die Vakuumöfen, Öfen mit kontrollierter Atmosphäre, oder NeutralsalzbadöfenEine weitere Möglichkeit besteht darin, den Werkzeugstahl in Edelstahlfolie um die Sauerstoffexposition zu minimieren.

Größenänderungen während der Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung führt zwangsläufig zu Größenänderungen bei Werkzeugstählen aufgrund der Veränderungen ihrer Mikrostruktur. Die meisten Werkzeugstähle weisen ein Wachstum von 0,0005 bis 0,002 Zoll pro Zoll ihrer ursprünglichen Länge während des Vorgangs. 

Restaustenit

Während des Abschreckens ist die Umwandlung von Austenit in Martensit möglicherweise nicht vollständig. Beispielsweise kann D2-Werkzeugstahl nach dem Abschrecken über 20% Austenit zurückbehalten. Dies kann zu inneren Spannungen oder Verformungen führen. Um dies zu beheben, können Techniken wie die kryogene Behandlung verwendet werden, um den Restaustenit in stabilen Martensit umzuwandeln.

Die Niedertemperaturbehandlung, auch als Tieftemperatur- oder kryogene Behandlung bekannt, wird verwendet, um die Eigenschaften von Werkzeugstählen zu verbessern. Bei diesem Verfahren wird Stahl auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt, normalerweise unter -70 °C (-94 °F). Dies trägt zur Reduzierung des Restaustenits bei und macht den Stahl härter, verschleißfester und im Laufe der Zeit stabiler.

Wie verändert die Wärmebehandlung die Mikrostruktur von Werkzeugstahl?

Bei der Wärmebehandlung wird die Mikrostruktur des Werkzeugstahls auf atomarer Ebene verändert. Dabei entstehen Phasen wie Austenit und Martensit, die die Leistung des Stahls in verschiedenen Anwendungen verbessern.

Austenitisierung

Wenn Werkzeugstahl auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt wird, wandelt der Stahl seine ursprüngliche Kristallstruktur (Ferrit oder Perlit) in Austenit um. In dieser Phase lösen sich Kohlenstoffatome im Eisen auf, wodurch der Stahl beim Abkühlen eine höhere Härte erreicht.

Martensitbildung

Bei schneller Abkühlung (Abschrecken) verwandelt sich der Austenit in MartensitDer Abkühlungsprozess verhindert das Ausdiffundieren des Kohlenstoffs und führt dazu, dass sich die Eisenatome in einer raumzentrierten tetragonalen Struktur (BCT) anordnen, die viel härter und fester als Austenit ist.

Durch die martensitische Phase werden Härte und Verschleißfestigkeit deutlich erhöht, wodurch sich der Stahl für Schneidwerkzeuge und Anwendungen mit hoher Beanspruchung eignet.

Raffination von Martensit

Beim Anlassen wird der Stahl wieder auf eine niedrigere Temperatur erhitzt. Dadurch können einige Kohlenstoffatome ausgeschieden werden und die Struktur stabilisieren. Dieses Verfahren minimiert innere Spannungen, wodurch der Stahl weniger spröde wird und gleichzeitig ein Großteil seiner Zähigkeit und Haltbarkeit erhalten bleibt.

Werkzeugstahllösungen mit geglühten und vorgehärteten Optionen

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