Einfluß der Wärmebehandlung auf Härte, Schneidverhalten und Korrosionsbeständigkeit von rostbeständigen Chromstählen mit verschiedenen Chrom- und Kohlenstoffgehalten PDF
Preview Einfluß der Wärmebehandlung auf Härte, Schneidverhalten und Korrosionsbeständigkeit von rostbeständigen Chromstählen mit verschiedenen Chrom- und Kohlenstoffgehalten
FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN~ WESTF ALEN Nr. 2461 Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz KUhn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Direktor Dipl. -lng. Hans Studemann Dipl. -lng. Hans Volkert Lange lng. (grad.) Ernst Lauterjung Forschungsinstitut fUr Schneidwaren und Bestecke, Solingen Einflu13 der Warmebehandlung auf- Harte, Schneidverhalten und Korrosions bestandigkeit von rostbestandigen Chromstahlen mit verschiedenen Chrom und Kohlenstoffgehalten Westdeutscher Verlag 1974 © 1974 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02461-5 e-ISBN-13: 978-3-322-88278-3 DOl: 10.1007/978-3-322-88278-3 3 I n hal t 1. Ein1eitung 5 2. Zusammensetzung der untersuchten Chromstah1e 5 3. Harte der Stahle in Abhangigkeit von ihrer Warmebehand1ung € 3.1 Harte nach dem Harten - ohne An1assen 6 3.2 Harte nach dem Harten und An1assen 12 4. Schneidha1tigkeit und Korrosionsbestandigkeit 16 in Abhangigkeit von der Warmebehand1ung 4.1 Schneidha1tigkeit 16 4.2 Korrosionsbestandigkeit 19 5. Verg1eichende Betrachtung tiber die Zusammenhange zwischen 22 Harte, Schneidha1tigkeit und Korrosionsbestandigkeit 6. Wechse1tauchversuche 24 7. Zusammenfassung 19 8. Literaturverzeichnis 32 5 1. Einleitung Der Chromstahl X 40 Cr 13 (Werkstoff Nr. 4034) kommt bei der Her stellung von rostbestandigen Messerklingen zur Zeit am haufigsten zur Anwendung, wenn auch der Chrom-Molybdan-vanadium-Stahl X 48 CrMoV 15 aufgrund seiner besseren Korrosionsbestandigkeit unter erhohten korrosiv wirkenden Einfltissen (1) in letzter Zeit mehr Eingang in der Schneidwarenindustrie gefunden hat. Die Umstellung auf den Stahl X 48 CrMoV 15 wird jedoch noch langere Zeit in An spruch nehmen und auch nur zum Teil erfolgen, da die Korrosions bestandigkeit des Chromstahls X 40 Cr 13 ftir viele Verwendungs zwecke ausreicht. Die Gebrauchseigenschaften des Chromstahls X 40 Cr 13 sind daher weiterhin von besonderem Interesse. In den letzten Jahren ist der Kohlenstoff- und Chromgehalt des Stahls X 40 Cr 13 - so fern es sich urn seine Verwendung in der Schneidwarenindustrie handelt - von ca. 0,40 % C auf ca. 0,50 % C und von ca. 13 % Cr auf ca. 14 % Cr erhoht worden. Durch den ho heren Kohlenstoffgehalt sollte erreicht werden, daB die Schneid haltigkeit aufgrund der hoheren VerschleiBfestigkeit ansteigt, wahrend man von der Erhohung des Chromgehaltes eine Verbesserung der Korrosionsbestandigkeit erwartet bzw. eine durch den hoheren Kohlenstoffgehalt evtl. auftretende Verschlechterung der Korro sionsbestandigkeit wieder ausgleichen will. Der vorliegende Forschungsbericht beschreibt Untersuchungen an verschiedenen Chromstahlen tiber den EinfluB des Kohlenstoff- und Chromgehaltes wie auch der Warmebehandlung auf Harte, Schneidhal tigkeit und Korrosionsbestandigkeit dieser Stahle. Zusatzlich wurden Untersuchungen aus Korrosions-Wechseltauchversuchen, die durch internationale Vereinbarungen zwecks Einftihrung einer Europa-Norm festgelegt wurden, in diesen Forschungsbericht einbe zogen. 2. Zusammensetzung der untersuchten Chromstahle In der Tab. 1 wird die chemische Zusammensetzung der untersuchten Stahle aufgeftihrt. Da der Silicium- und der Mangangehalt einen untergeordneten EinfluB auf die zu untersuchenden Gebrauchseigen~ schaften haben, konnten einige Schwankungen dieser Beimengungen hingenommen werden. Die getroffene Auswahl der Chromstahle gestattet es, sowohl den EinfluB des Kohlenstoffgehalts bei gleichem Chromgehalt (Tab. 1, Nr. 3, 4, 5) als auch den EinfluB des Chromgehalts bei gleichem Kohlenstoffgehalt (Tab. 1, Nr. 2, 3) auf Harte, Schneidhaltigkeit und Korrosionsbestandigkeit zu tiberprtifen. Ein Chromstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,40 % C und einem Chromgehalt von ca. 13 % Cr, wie er in der Schneidwaren industrie noch vor kurzem zur Anwendung kam, wurde nicht mit in die Untersuchungen aufgenommen, da dieser Stahl bereits in frti heren Forschungsberichten ausftihrlich behandelt worden ist (2,3). 6 C Cr Si Mn Mo Ni V Lfd. Nr. % % % % % % % 1 0,56 14,6 0,38 0,41 2 0,50 14,9 0,28 0,38 0,08 Spur 0,10 3 0,50 13,8 0,45 0,47 4 0,30 13,7 0,34 0,35 Spur Spur 0,10 5 0,20 13,7 0,45 0,61 Tab. 1 Zusammensetzung der bei den Versuchen eingesetzten Chromstahle 3. Harte der Stahle in Abhangigkeit von ihrer Warmebehandlung 3.1 Harte nach.dem Harten - ohne Anlassen Die Versuchsproben wurden in einem Kammerofen auf Hartetempera tur erwarmt und nach der Erwarmungs- plus Haltezeit in Oel ab geschreckt. Nach dem Harten erfolgte die Beseitigung der abge kohlten Oberflachenschicht durch NaBschleifen. Die fertigge stellten Versuchsproben hat ten die Abmessungen 2 x 10 x 70 mm. Die Hartemessung erfolgte nach Vickers, da hier gegentiber der Rockwellhartemessung eine genauere Bestimmung der Hartewerte moglich ist. An jeder Versuchsprobe wurde die Harte an ftinf Stellen unter Verwendung einer Prtiflast von 150 kp bestimmt. Die Vickersharten HV 150 wurden in Rockwellwerte (HRC) umge rechnet, da in der Schneidwarenindustrie die Harteangabe in Rockwell weit verbreitet ist. Jede Warmebehandlung erfolgte gleichzeitig an ftinf Versuchsproben, so daB die in den Abbildun gen eingetragenen Harten Mittelwerte darstellen, die sich aus insgesamt 25 Hartemessungen ergaben. In der Abb. 1 sind die Harte-Hartetemperaturkurven der ftinf untersuchten Chromstahle dargestellt. Die Erwarmungs- plus Hal tezeit betrug bei den verschiedenen Hartetemperaturen 18 min. Der bei allen ftinf Chromstahlen zu beobachtende Harteanstieg mit hoher werdender Hartetemperatur beruht darauf, daB mit stei gender Temperatur die Auflosung der Chromkarbide zunimmt und dadurch eine wachsende Kohlenstoffmenge in der Grundmasse ge lost wird. Dieser Vorgang des Harteanstiegs mit wachsender Rtickftihrung des Kohlenstoffs in die Grundmasse ist bei Harte temperaturen urn etwa 10500C abgeschlossen und wird sogar mit weiter ansteigender Hartetemperatur - vor allem bei hochkohlen stoffhaltigen Chromstahlen - wieder rticklaufig, d. h. bei Harte temperaturen tiber ca. 10500C verringert sich die Harteannahme. Diese Erscheinung ist darauf zurtickzuftihren, daB bei der Auf losung der Chromcarbide neben dem Kohlenstoffgehalt auch der Chromgehalt der Grundmasse zunimmt. Beide Elemente aber, so wohl Kohlenstoff als auch Chrom, verursachen mit steigenden Ge halten eine stetige Verschiebung des Mf-Punktes (Temperatur des Endes der Martensitbildung) zu tieferen Temperaturen. Die Har tung selbst, d. h. die Bildung des Martensits, ist daher mit wachsender Auflosung der Chromkarbide erst bei tieferen Tempera turen abgeschlossen. Liegt dabei der Mf-Punkt unter der Tempera tur des Abloschmittels, so kommt die Martensitbildung nicht mehr zum AbschluB, wodurch ein bestimmter Anteil an Austenit (Rest austenit) erhalten bleibt. Dieser Restaustenit kann als weicher Geftigebestandteil die Gesamtharte des Werkstoffs vermindern. 7 '~-------+-------+-------4------- Abb. 1 verschiedener H~rte-H~rtetemperaturkurven Chromst~h1e Erw~rrnungs- plus Ha1tezeit beim H~rten 18 min, ab- schrecken in Oe1 Stahl C Cr Si Nr. % % % 1 0,56 14,6 0,38 2 0,50 14,9 0,28 3 0,50 13,8 0,45 4 0,30 13,7 0,34 5 0,20 13,7 0,45 Beide Vorg~nge, die H~rtezunahrne mit wachsender Koh1enstoff16sung und die Erh6hung der Restaustenitrnenge mit wachsender Koh1enstoft und Chrom16sung UberschneideR sich gegenseitig, so daB die in der Abb. 1 wiedergegebenen entstehen. Da H~rte-H~rteternperaturkurven bei ist zu berUcksichtigen, daB der Restaustenit erst dann im Ge fUge auf tritt, wenn durch eine entsprechende Koh1enstoff- und Chrom16sung der Mf-Punkt unter die Ternperatur des Ab16schrnitte1s zu liegen kornrnt. Bei einem niedrigkoh1enstoffhaltigen Chromstah1, wie z. B. dem X 20 Cr 13 mit ca. 0,20 % C, ist der gr6Bte Tei1 der Chrornkarbige bereits bei einer niedrigeren Temperatur, und zwar bei ca. 1020 C in L6sung gegangen, so daB bereits bei dieser Ternperatur die H~r ihr Maximum erreicht (Abb. 1, Nr. 5), te-H~rtetemperaturkurve w~h rend die h6herkoh1enstoffha1tigen Chromst~h1e info1ge der gr6Be ren Karbidrnenge erst bei h6heren Ternperaturen ihr H~rternaximum aufweisen. Nachdem bei den Chromst~len mit 0,20 % C und 0,30 % C das H~rternaximum erreicht ist, fallen die H~rtewerte bei h6heren Ternperaturen nur geringfi1gig ab (Abb. 1, Nr. 4, 5). Verg1eicht man die H~rte-H~rtetemperaturkurven dieser Chromst~h1e mit der eines Chromstah1s mit gleichem Chrom H~rte-H~rteternperaturkurve geha1t aber einem h6heren Koh1enstoffgeha1t von 0,50 % C (Abb. 1, Nr. 3) so ist festzuste11en, daB die H~rte nach dem Uberschreiten des H~rtemaximums bei dem Chromstah1 mit 0,50 % C weitaus stei1er 8 abfallt als bei den Chromstahlen mit 0,20 % C und 0,30 % C. Aus einem frliheren Forschungsbericht (2) ergibt sich, daB bei einem Chromstahl mit ca. 0,40 % C die Hartowerte nach dem Uberschrei ten der Hartetemperatur von ca. 1050 C ebenfalls stark abfal len, jedoch ist hier die Harteabnahme mit zunehmender Hartetem peratur nicht mehr so groB wie bei dem Chromstahl mit 0,50 % C. Somit kann allgemein gesagt werden, daB nach dem Uberschreiten einer unteren Grenze des Kohlenstoffgehalts von etwa 0,30 % C mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt die Harte-Hartetemperaturkur ven nach dem Uberschreiten des Hartemaximums steiler abfallen. Daraus ergibt sich weiterhin, daB gegenliber dem in der Grund masse vorhandenen freien Chrom der freie, in der Grundmasse ge- 16ste Kohlenstoff einen wei taus starkeren EinfluB auf die Ver schiebung des Mf-Punktes zu niedrigeren Temperaturen hat und daB dadurch eine erh6hte Restaustenitmenge verursacht wird, so daB die ~arte des Chromstahls bei hohen Hartetemperaturen liber ca. 1050 C stark abfallt. Bei Hartetemperaturen, die unterhalb der Temperatur liegen, die zum Hartemaximum flihren, verursacht eine Zunahme des Kohlen stoffgehalts eine Erh6hung der Harteannahme (Abb. 1). Bei einer Erh6hung des Kohlenstoffgehalts von 0,50 % C auf 0,56 % C steigt bereits die Harteannahme urn fast 1 HRC (Abb. 1, Nr. 1). Das Hartemaximum liegt bei den Chromstahlen mit 0,50 % C bis 0,56 % C praktisch unabhangig vom Chomgehalt bei etwa 59 HRC. Die beiden Chromstahle Nr. 2 und Nr. 3 haben nach Tab. 1 bei gleichem Kohlenstoffgehalt unterschiedliche Chrom-, Silicium und Mangangehalte. Aus der Abb. 1 ist zu ersehen, daB der Chromstahl Nr. 3 niedrigere Hartewerte aufweist als der Chrom stahl Nr. 2. Aufgrund frliherer Untersuchungen (2) beruht diese verminderte Harteannahme auf dem h6heren Siliciumgehalt des Chromstahls Nr. 3 gegenliber dem des Chromstahls Nr. 2. '~----7---~1~2~--~1~6----~2''----30~nw~n ErwlJrmu"11S -plus HoII.z.", Abb. 2 Abhangigkeit der Harte von der Erwarmungs- plus Halte zeit bei der Hartetemperatur von 9800C flir verschiede ne Chromstahle (Zusammensetzung der Stahle Nr. 1 bis 5 entsprechend Tab. 1) Da die Hartbarkeit des Stahls in erster Linie von dem Vorhanden sein freien Kohlenstoffs im y-Geflige abhangig ist, wird die er reichbare Harte von der Auf16sung der Karbide wesentlich bestimmt. 9 Daher hat neben der Temperatur auch die Haltezeit einen Ein fluB auf die Harteannahme. Bei den Versuchen wurde - wie auch bei den bereits besprochenen Untersuchungen - die Gesamtdauer des Erwarmens und Haltens auf Temperatur zugrunde gelegt. In der Abb. 2 ist die Harte in Abhangigkebt von der Erwarmungs plus Haltezeit bei der Temperatur von 980 C aufgetragen. Die Harte steigt bis zu einer Erwarmungs- plus Haltezeit von ca. 18 min an, da mehr Kohlenstoff in der Grundmasse gel6st wird. Bei der Erwarmungs- plus Haltezeit von 18 bis 30 min stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem Harteanstieg durch vermehr te Kohlenstoff16sung und dem Harteabfall durch eine erh6hte Restaustenitmenge ein, so daB in diesem Bereich der Erwarmungs plus Haltezeit die ermittelten Harten eine gleichbleibende Ab hangigkeit von der Erwarmungs- plus Haltezeit zeigen. Bei der h6heren Hartetemperatur von 10450C wird der Gleichge wichtszustand bereits bei einer Erwarmungs- plus Haltezeit von ca. 12 min erreicht, da hier durch die erh6hte Temperatur die Karbidauf16sung schneller erfolgen kann (Abb. 3) . 6 I I I I I I ~ j J~ H RC i I I I I 5 - 5 "'" , 6 12 III 2' JO min Erwlirmungs -plus Hallrzril Abb. 3 Abhangigkeit der Harte von der Erwarmgngs- plus Halte zeit bei der Hartetemperatur von 1045 C fur verschie dene Chromstahle (Zusammensetzung der Stahle Nr. 1 bis 5 entsprechend Tab. 1) Eine weitere Erh6hung der Hartetemperatur auf l1200C ergibt bei den verschiedenen Chromstahlen eine unterschiedliche Abhangig keit der Harte von der Erwarmungs- plus Haltezeit (Abb. 4) . Zu nachst fUhrt die Erh6hung der Erwarmungs- plus Haltezeit von 6 min auf 18 min bei den meisten untersuchten Chromstahlen zu einer Verminderung der Harte. Hier ist die Karbidaufl6sung so weit fortgeschritten, daB der Harteabfall durch die erh6hte Restaustenitmenge gegenuber dem Harteanstieg durch die gr6Bere ge16ste Kohlenstoffmenge uberwiegt. Der daraus resultierende Harteabfall bei einer Erh6hung der Erwarmungs- plus Haltezeit von 6 min auf 18 min ist besonders bei dem Chromstahl mit dem h6chsten Kohlenstoffgehalt von 0,56 % C festzustellen (Abb. 4, Nr. 1). Bei der Hartetemperatur von l1200C zeigen einige der untersuch ten Chromstahle nach dero Harteabfall bis zu der Erwarmungs plus Haltezeit von 18 min bei einer weiteren Erh6hung der 10 Erwarmungs- plus Haltezeit einen Wiederanstieg der Harte (Abb. 4, Nr. 1, 3 und 4). 6d---~~--4---~~--~----r---- '~----~6~---7~2~--~,~e~--~2'~---30~~~~- ErwiJrrnungs-pius HalI.z';I Abb. 4 Abhangigkeit der Harte von der Erwarmgngs- plus Halte zeit bei der Hartetemperatur von 1120 C fur verschie dene Chromstahle (Zusammensetzung der Stahle Nr. 1 bis 5 entsprechend Tab. 1). Diese Erscheinung wurde bereits bei fruheren Untersuchungen (2) festgestellt, jedoch wurde die Ursache nicht weiter diskutiert. Die Untersuchung dieses Problems ist auch fur die Praxis nicht von so ausschlaggebender Bedeutung, da bei dieser Warmebehand lung starke Uberhitzungserscheinungen (Kornvergrgberungen) auf treten, so daB die hohe Hartetemperatur von 1120 C nach Mog lichkeit vermieden werden sollte. Abb. 5 EinfluB der Erwarmungs- plus Haltezeit auf die Lage der Harte-Hartetemperaturkurve (Stahl zusammensetzung entsprechend Tab. 1, Nr. 1) eines Chromstahles mit 0,56 % C 11 Wie umseitig ausgefUhrt wurde, hat neben dem Kohlenstoffgehalt und der Hartetemperatur auch die Haltezeit einen EinfluB auf die Harte des Chromstahls. Bei den Harte-Hartetemperaturkurven macht sich der EinfluB der Haltezeit dahingehend bemerkbar, daB mit steigender Erwarmungs- plus Haltezeit die Harte-Harte-· temperaturkurven zu niedrigeren Hartetemperaturen verschoben werden (Abb. 5). Somit kann eine zu geringe Karbidauflosung, die durch Anwendung einer zu niedrigen Hartetemperatur ent steht, mit Hilfe einer langeren Haltezeit teilweise ausgegli chen werden, d. h., durch eine langere Erwarmungs- plus Hal te· zeit wird bei niedrigen Hartetemperaturen die Harte erhoht. Umgekehrt ist es bei hohen Hartetemperaturen. Hier verursachen lange Haltezeiten durch die verstarkte Karbidauflosung niedri gere Harten als bei kurzen Haltezeiten (Abb. 5). 6 HR 980 S ~ 1120 ~ S Q2 aJ a' as Q6% Kohlonslo"~holl Abb. 6 Abhangigkeit der Harte des Chromstahls vom Kohlenstoff gehalt bei verschiedenen Hartetemperaturen, Erwarmungs·' plus Haltezeit beim Harten 18 min, abschrecken in Oel Anhand der Abb. 6 solI der EinfluB des Kohlenstoffgehalts auf die Harte von Chromstahl bei verschiedenen Hartetempersturen herausgestellt werden. Bei der Hartetemperatur von 980 C wird bei Kohlenstoffgehalten von 0,20 % C bis 0,50 % C eine Harte von nur ca. 54 HRC erreicht. Eine Erhohung des Kohlenstoffge halts auf 0,56 % C fUhrt zu einer Hartezunahme von ca. 1 HRC. Obwohl der Kohlenstoffgehalt von 0,50 % C fUr das Harten aus reicht, erfolgt bei der niedrigen Hartetemperatur von 9800C eine nur unzureichende Karbidauflosung, so daB die Harte ca. 54 HRC nicht Ubersteigt. Bei der Hartetemperatur von 10450C und der Erwarmungs- plus Hal tezeit von 18 min zeigt sich mit wachsendem Kohlenstoffgehalt eine stetige Zunahme der Harte (Abb. 6), d. h., bei dieser War mebehandlung werden die Karbide so weit aufgelost, daB die Har tezunahme durch die geloste Kohlenstoffmenge mit ansteigendem Kohlenstoffgehalt groBer wird als die Harteabnahme durch die zunehmende Restaustenitmenge und daB damit die resultierende Gesamtharte des Chromstahls mit dem Kohlenstoffgehalt ansteigt. Wird dagegen die noch hohere Hartetemperatur von 11200C ange wandt, so zeigt sich bei einer Erhohung des Kohlenstoffgehalts von 0,20 % C·auf 0,30 % C eine Zunahme der Harte von ca. 55 HRC
The list of books you might like
