Austenit

Bei der Wärmebehandlung von Stahl wird ein Bauteil oft bis in den Austenitbereich (auch Austenit-Phasenfeld genannt) erhitzt, um eine Wärmebehandlung wie Normalisieren, Härten, Einsatzhärten usw. durchzuführen. Aber was ist Austenit, wie bildet er sich und welcher Temperaturbereich ist für den Prozess, den wir durchführen, am günstigsten? Wir wollen mehr darüber erfahren.

Was ist Austenit?

Im Jahr 1901 schlug Floris Osmund, ein früher französischer Pionier der Metallographie, vor, die Hochtemperatur-Kristallstruktur von Stahl nach Sir William Chandler Roberts-Austen zu benennen, einem Metallurgen, der für seine Forschungen über die physikalischen Eigenschaften von Metallen und ihren Legierungen bekannt war.

Austenit (auch Gamma-Eisen, g-Fe) ist ein metallisches, nichtmagnetisches Allotrop (ein Material, das je nach Temperatur in mehr als einer Kristallform vorliegen kann) von Eisen. Austenit ist ein Mischkristall, der häufig Eisen mit verschiedenen Legierungselementen (z. B. Kohlenstoff) verbindet. Man kann sagen, dass die Wissenschaft der Stahlverarbeitung auf dem Verständnis des Austenit-Phasenfeldes im Eisen-Eisen-Karbid-Phasendiagramm (Abb. 1) beruht.

Wie Krause bemerkt, ist „die kontrollierte Umwandlung von Austenit in andere Phasen bei der Abkühlung für eine große Vielfalt von Gefügen und Eigenschaften verantwortlich, die durch die Wärmebehandlung von Stählen erreicht werden können.“

Austenitisches Kornwachstum

Die Austenitbildung im Gefüge (Abb. 2) ist umfassend untersucht worden. Bei unlegierten Stählen kann sich Austenit aus Perlit oder sogar aus einem hochgradig kugelförmigen Gefüge in einem sehr kurzen Zeitraum – im Bereich von 4-25 Sekunden – bilden und nach 60 Sekunden vollständig sein, aber bei legierten Stählen kann sich die Zeit um das Hundertfache oder mehr verlängern (Abb. 3), da die Legierungselemente und Karbide mehr Zeit für die Diffusion benötigen.

Vorherige Austenitkorngröße und mechanische Eigenschaften

Die Austenitkorngröße ist wichtig, da sie die beim Abkühlen gebildeten Umwandlungsprodukte und damit die Eigenschaften in Bezug auf Härtbarkeit und Mikrostruktur beeinflusst. Die Austenitkorngröße wird im Allgemeinen als vorherige Austenitkorngröße bezeichnet, da der bei Raumtemperatur vorhandene Restaustenit den Stamm-Austenit nicht beeinflusst. Die austenitische Vorkorngröße kann Eigenschaften wie die Zähigkeit erheblich beeinflussen, die mit zunehmender Korngröße abnimmt. Es sei hier angemerkt, dass die Aufdeckung dieser Struktur ziemlich ausgeklügelte Ätztechniken erfordert (siehe „Korngröße und ihr Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften“).

Kleine Zusätze (in der Größenordnung von 0,1 %) bestimmter Legierungselemente (Nb, V, Ti) erzeugen Karbide, Karbonitride oder Nitride, beeinflussen die Korngrößensteuerung und die Verfestigung und bilden die Grundlage für mikrolegierte Stähle. Fein verteilte Mikrolegierungspartikel verzögern das austenitische Kornwachstum, insbesondere bei höheren Temperaturen (durch sogenanntes Pinning der Korngrenzen).

Austenitisierungstemperatur – ein praktischer Ansatz

In der Praxis möchte man bei der niedrigsten Austenitisierungstemperatur für die kürzeste Zeit arbeiten, um das Kornwachstum zu begrenzen, den Einfluss von Kriechen und unerwünschten Oberflächeneffekten (z.B., Oxidation, IGO/IGA) zu minimieren, den Wartungsaufwand zu verringern, die Lebensdauer von Wärmebehandlungsöfen zu verlängern, die Kosten für Legierungsvorrichtungen zu senken und den Verzug durch Verringerung des Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur des Teils und des Abschreckmediums zu minimieren.

Die Wahl der Austenitisierungstemperatur hängt sowohl vom Kohlenstoff- als auch vom Legierungsgehalt ab – ein Stahl mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt erfordert eine höhere Temperatur als ein Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt. Der Legierungsgehalt spielt ebenfalls eine Rolle, da er die Grenzen des Austenitfeldes beeinflusst (siehe „Einfluss von Legierungselementen auf das Austenit-Phasenfeld“).

Außerdem benötigen Legierungskarbide oft höhere Temperaturen, um sich aufzulösen und zu dispergieren, da sie eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit als Kohlenstoff aufweisen. Darüber hinaus beeinflusst die Variation der Aufheizgeschwindigkeit auf die Austenitisierungstemperatur die Umwandlungs- und Auflösungsgeschwindigkeit der verschiedenen vorhandenen Legierungsbestandteile (Abb. 4). In Abb. 4 stellt beispielsweise die dritte Kurve von rechts eine Erwärmungsrate von etwa 3˚C (5˚F) pro Minute dar.

Das Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm skizziert das Austenitphasenfeld für Eisen und Stähle. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die A3-Temperatur (die untere Grenze des Austenitfeldes) ab, bis die eutektoide Zusammensetzung erreicht ist – 725˚C (1340˚F) bei 0,80 % C. Bei einem Stahl mit 0,40 % Kohlenstoff beginnt das Austenitphasenfeld bei 915˚C (1500˚F). Im Gegensatz dazu beginnt das Austenit-Phasenfeld in reinem Eisen bei 912˚C (1674˚F) und endet bei 1394˚C (2541˚F).

Warmumformung

Abschließend ist anzumerken, dass die Umformbarkeit von Stählen (z. B., Walzen, Schmieden) in ihrem austenitischen Zustand verbessert ist und auf die Warmumformung durch Verformung, Erholung, Rekristallisation und Kornwachstum reagiert. Die austenitische Korngröße nimmt ab, wenn die Warmumformungstemperaturen gesenkt werden.

Schlussfolgerung

Austenit spielt bei der Wärmebehandlung von Stahl eine einzigartige Rolle, und das Thema erfordert ein tieferes Verständnis als hier dargestellt. Die aufgeführten Referenzen enthalten eine Fülle von guten Informationen über Austenit, und der Leser wird ermutigt, sich mit diesem Thema eingehender zu befassen.