Wärmebehandlung von Verbindungselementen. White Paper

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White Paper

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ASSEMBLY TECHNOLOGY

EXPERT

Wärmebehandlung von Verbindungselemeten

von Fadi Saliby Bossard expert team Bossard Kanada www.bossard.com

die erwähnten empfehlungen und hinweise sind im praktischen einsatz durch den leser hinreichend zu überprüfen und für deren anwendung als geeignet zu erklären. änderungen vorbehalten.

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WÄRMEBEHANDLUNG VON VERBINDUNGSELEMENTEN

einleitung

Verbindungselemente werden in einer grossen Werkstoffvielfalt gefertigt. entscheidend für die Wahl des jeweils richtigen Werkstoffs sind anwendung und umgebung. stähle und edelstähle werden am häufi gsten verwendet, aluminium und andere nichteisenlegierungen sind jedoch weitere Werk- stoffoptionen. abhängig vom gewählten Werkstoff sind unterschiedliche Prozesse erforderlich, um die richtigen mechanischen eigenschaften zu erzielen. durch die Wärmebehandlung werden die mechanische Festigkeit, die duktilität und, bei manchen legierungen, die Korrosionsbeständigkeit

gesteigert. im Folgenden werden einige Beispiele von Werkstoffen besprochen, die einer Wärmebe- handlung unterzogen werden müssen, bevor sie eingesetzt werden können.

Stähle

unlegierte und legierte stähle werden am häufi gsten für die Fertigung von Verbindungselementen verwendet. die stähle sind folgendermassen klassifi ziert:

stahlklassen stahl

Baustahl

niedriglegierter stahl (≤ 8 % legierungselemente)

hochlegierter stahl (≥ 8 % legierungselemente)

stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt

(< 0,2 %)

stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt

(0,2 – 0,5 %)

stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt

(> 0,5 %)

Beispiel: aisi 4142

Beispiel: aisi 304 / a2 edelstahl

Beispiel: aisi 1008

Beispiel: aisi 1040

Beispiel: aisi 1065

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Vor der herstellung der Verbindungselemente wird der stahldraht einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Kaltstauchung zu ermöglichen. diese art der Wärmebehandlung wird einformendes glühen genannt.

Bei dieser Behandlung wird der stahl geschmolzen, sie ermöglicht eine verbesserte Kaltumformung und verringert die Werkzeugkosten. sobald das Verbindungselement geformt wurde, verfügt der stahl aufgrund der mechanischen Verformung über eine leicht erhöhte Festigkeit, erfüllt jedoch noch nicht die standards der Festigkeitsklassen und -güten für hochfeste stähle (güte 8 / Klasse 10,9 / Klasse 12,9).

daher werden die neu geformten Verbindungselemente daraufhin einer weiteren Wärmebehandlung in zwei schritten unterzogen: austenitisierung und Vergütung:

Austenitiserung und Vergütung

hierbei handelt es sich um das in der industrie am häufi gsten verwendete Wärmebehandlungsver- fahren. Beim austenitisierungsverfahren werden die Verbindungselemente normalerweise eine bestimmte Zeit lang bis auf 815 – 870°C erhitzt und dann abgeschreckt, um eine härtere/festere mikrostruktur zu erzielen, martensit genannt. die geläufi gsten abschreckmittel sind Öl oder Wasser.

die ausbildung einer martensitischen mikrostruktur führt zu:

 einer höheren Festigkeit,

 einer eigenspannung

 weniger duktilität und

 einer niedrigeren Zähigkeit

anschliessend wird eine weitere Wärmebehandlung durchgeführt, die sogenannte Vergütung. Bei der Vergütung werden die härte des Verbindungsele- ments leicht verringert, die duktilität gesteigert sowie Zähigkeit und Formbeständigkeit verbessert.

durch regelung von temperatur und dauer des Vergütungsprozesses kann die gewünschte härte erzielt werden. in abbildung 3 sehen sie einige Beispiele dafür, wie die Vergütungstemperatur die endgültige härte von 4 verschiedenen stählen beeinfl usst. die erforderte endgültige härte kann anhand von Vergütungstemperatur und -dauer gesteuert werden.

Cleaning

stage Cleaning

stage

Quenching

tanks Soluble oil

Tempering furnace Finished fasteners Austenitizing

furnace

austenitizing and tempering process reinigungs-

schritt austenitisierungsofen reinigungs-

schritt anlassofen

Fertiggestellte Verbindungs-

elemente

abschreck-

becken lösliches Öl

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Wirkung der Vergütungstemperatur (Quelle: asm handbook: Band 4 – „heat treating“)

Edelstähle

edelstähle sind als eisenbasierte legierungen mit mindestens 10,5 % Chrom klassifi ziert. sie können in die folgenden 5 gruppen eingeteilt werden:

Arten Chemische Zusammensetzung Allgemeine Eigenschaften austenitisch min. 16% Chrom und 6% nickel hohe temperatur- und

Korrosionsbeständigkeit

Ferritisch Chrom zwischen 10,5 und 18% /

geringer Kohlenstoffgehalt mittlere Korrosionsbeständigkeit

martensitisch Chrom zwischen 10,5 und 30% /

hoher Kohlenstoffgehalt hochfestigkeit und mittlere Korrosionsbeständigkeit

duplex Chrom zwischen 19 und 32% / hoher molybdän- und nickelgehalt

höhere Festigkeit und Korrsions- beständigkeit als austenitische stahlgüten

aushärtbar Chrom zwischen 11,75 und 17% / hoher nickel- und oder aluminiumge- halt

hochfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit Wirkung der Vergütungstemperatur auf verschiedene stähle

nach 2 stunden duktalität

stahl 1040 stahl 4140 stahl 4340 stahl 8630

temperatur (°C)

härte (hrC)

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Austenitische Güten wie 304 (18 – 8, a2) und 316 (a4) können nicht anhand einer Wärmebehandlung gehärtet werden. diese art von edelstahl wird ausschliesslich während herstellungsprozessen wie der Kaltumformung und dem gewindewalzen gehärtet. dieser härtungsprozess wird daher auch Kaltbearbeitung genannt. in einigen Fällen wird jedoch eine Wärmebehan- dlung durchgeführt, um Korrosionseigenschaften wiederzugewinnen und eigenspannungen aus anderen herstellungsprozessen wie dem schweissen zu entfernen. durch die Kaltbearbeitung wird zudem die magnetische Perme- abilität gesteigert – daher kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um bei gegenständen, die eine niedrige magnetische Permeabilität erfordern, die effekte der Kaltbearbeitung zu entfernen.

Ferritische Güten wie 430 können nur geringfügig durch die Kaltbearbeitung gehärtet werden. durch Wärmebehandlungen kann die Festigkeit dieser art von stahl nicht erhöht werden. das Kaltbearbeitungsverfahren während der Fertigung verringert jedoch die duktilität und macht damit eine vollständige glühbehandlung notwendig, um diese zurückzugewinnen.

Martensitische Güten wie 410, 431, 440a/B/C/F werden wie unlegierte und legierte stähle wärmebehandelt. diese güten werden entweder in Öl oder luft abgeschreckt.

Duplex Güten wie saF 2205 ® (uns s31803) werden verwendet, wenn eine hohe Festigkeit (doppelt so hohe streckgrenze wie bei normalen austen- itischen edelstählen) und eine höhere Korrosionsbeständigkeit im hinblick auf eine chloridinduzierte spannungsrisskorrosion erfordert ist. diese güte besteht aus einer mischung von zwei mikrostrukturen: Ferrit und austenit. Bei der Wärmebehandlung handelt es sich um eine Vergütung.

Aushärtbare Güten bestehen aus 3 arten: martensitisch mit niedrigem Kohlen- stoffgehalt, semiaustenitisch und austenitisch. Jede art muss ganz spezifisch wärmebehandelt werden, um die gewünschten mechanischen und Korrosion- seigenschaften zu erzielen. die ausscheidungshärtung ist ein Wärmebehand- lungsschritt, anhand dessen die Werkstofffestigkeit erhöht wird. diese art der Wärmebehandlung kann auch an anderen legierungen wie aluminium, titan usw. durchgeführt werden.

Austenitische Güten

Ferritische Güten

Martensitische Güten

Duplex Güten

Aushärtbare Güten

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Legierung und

Härtung Wärmebehandlung ¹ Entstehende

Härte (HRB) ²

Zugfestigkeit (MPa) / Streck- grenze (MPa) / Dehnung (%) Min. – bearbeitete Probe ² 2024-t4 mischkristallbehandlung bei

495°C und kaltausgelagert

(raumtemperatur) 70-85 427 / 275 / 10

6061-t6 mischkristallbehandlung bei 530°C und warmausgelagert bei

160°C 40-50 290 / 241 / 10

7075-t73

mischkristallbehandlung bei 490°C und dann speziell warmausgelagert (in zwei stufen: 107°C + 177°C)

80-90 469 / 386 / 10

Legierung Wärmebehandlung ¹ Entstehende Härte ²

Zugfestigkeit (MPa) / Streck- grenze (MPa) / Dehnung (%) Min. – bearbeitete Probe ²

güteklasse 5 (ti-6al-4V)

mischkristallbehandlung bei 955 – 970°C (1 std.), Wasserab- schreckung und warmauslagern (entweder 4 – 8 std. bei 480 – 595°C oder 2 – 4 std. bei 705 – 760°C)

30-39 hrC 896 / 827 / 10

Aluminium

aluminiumlegierungen können in nicht-aushärtbare und aushärtbare gruppen eingeteilt werden. die nicht-aushärtbaren aluminiumlegierungen entsprechen den serien 1XXX, 3XXX, 4XXX und 5XXX. diese sind meistens auf die effekte des Kaltschmiedens und gewindeformens angewiesen, um die nötige Festigkeit zu erhalten. Je höher die dehnungsgeschwindigkeit, umso grösser die Festigkeit.

die aushärtbaren aluminiumserien 2XXX, 6XXX und 7XXX erfordern ein lösungsglühen und eine abschreck- ung, gefolgt von einer ausscheidungshärtung (Warmauslagern), um die gewünschten mechanischen eigenschaften zu erzielen. Bei einer mischkristallbehandlung werden die legierungsatome veranlasst, sich zwischen den aluminiumatomen anzulagern, ohne sich zu verbinden. im Folgenden eine auflistung der geläufigsten arten von legierungen und Wärmebehandlungen:

Titan

titanlegierungen werden verwendet, wenn Korrosionsschutz, Festigkeit und gewichtseinsparungen von Bedeutung sind. Je nach titangüte können bei gleicher Festigkeit im Vergleich zum stahl bis zu 40 % an gewicht eingespart werden. angesichts der eigenschaften dieser legierung fällt die Wahl nicht schwer, insbesondere in industrien wie der luft- und raumfahrt und im autorennsport. Bei der herstellung von Verbindungselementen wird hauptsächlich titan der güteklasse 5 verwendet. in der folgenden tabelle finden sie die Wärmebehandlungen und die mechanischen eigenschaften von titan der güteklasse 5:

1 asm handbook – Volume 4

2 astm F468

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1 asm handbook – Volume 4

2 astm F468

3 http://www.specialmetals.com/documents/inconel%20alloy%20718.pdf

Legierung Wärmebehandlung ¹ Härte

Min. ²

Zugfestigkeit (MPa) / Streck- grenze (MPa) / Dehnung (%) Min. – bearbeitete Probe ²

inconel^® 718 (ams 5662)

mischkristallbehandlung bei 980°C (1 std.), luftabkühlung und warmauslagern auf 720°C, 8 std. halten, im ofen auf 620°C kühlen, halten, bis die ofenzeit für den gesamten aushär- tungs-zyklus 18 std. beträgt, luftabkühlung halten, im ofen auf 620°C kühlen, halten,

331 hBW 1275 / 1034 / 12

Nickellegierungen

nickelbasierte legierungen werden immer dann verwendet, wenn eine hohe Korrosions- und hitzebestän- digkeit erfordert sind. anwendungsbeispiele sind Flugzeuge, landgestützte gasturbinen und Kryotanks ³. Bei der folgenden inconel® 718 handelt es sich um ein Beispiel für eine legierung, die bei der Fertigung von Verbindungselementen eingesetzt wird. dieser Werkstoff kann für anwendungen bei -250 – 700°C verwendet werden.

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in der folgenden grafi k werden die mindest-Festigkeitsbereiche der einzelnen legierungen dargestellt:

die einzelnen legierungen erfordern unterschiedliche Wärmebehandlungen, um die gewünschten eigenschaften zu erzielen. einige legierungen können ohne Vorbehandlung für die Fertigung von Verbind- ungselementen verwendet werden. sind für eine anwendung jedoch hochfeste eigenschaften erforderlich, so muss zuvor eine angemessene Wärmebehandlung durchgeführt werden. Wenn sie an weiteren infor- mationen zu den Wärmebehandlungen von Verbindungselementen interessiert sind, können sie sich gerne jederzeit an Bossard wenden.

literaturangaben:

1. asm handbook – Band 4 2. astm F468

3. astm F593 4. iso 898-1

5. www.specialmetals.com

mindestfestigkeitsbereiche einzelner legierungen

mindesstärke (mPa)

Zugfes- tigkeit streck-

grenze Zugfes- tigkeit streck-

grenze aluminiumlegie-

rungen Kupferlegierun-

gen titanlegierungen titanlegierungen edelstahl stahl

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Wenn sie weitere unterstützung benötigen oder spezielle anforderungen an die Wärmebehandlung von Verbindungselementen haben, besuchen sie bitte unsere Kontaktseite unter www.bossard.com und sprechen sie mit dem Bossard-Kundendienstmitarbeiter.