Maß- und Formänderungen infolge von Wärmebehandlung von Stählen. Karl Heeß

des Fachausschusses 15 der AWT vorliegende Monographie. Nach einer grundlegenden Einführung in die Gesetzmäßigkeiten des Verzugs bis hin zu den Möglichkeiten seiner Vorausberechnung – diese Teile wurden mit freundlicher Genehmigung des Carl Hanser Verlages /Hof96/ entnommen – werden in einer systematischen Zusammenstellung von Literaturdaten typische Beispiele für einzelne Verzugsursachen und deren Behebung beschrieben. Diese Arbeit entstand im Zusammenwirken von Hochschulinstituten und Industrie-Wärmebehandlungs-Fachleuten für tägliche Praxis und Weiterbildung.

      Bildnachweis

      Wir danken den nachfolgend aufgeführten Personen, Verlagen, Instituten und Verbänden für die Genehmigung zur Veröffentlichung von Bildmaterial:

       Herr Dr. Kyozo Arimoto

       Prof. Dr.-Ing. Christoph Broeckmann

       Frau Dr. R. Chatterjee-Fischer

       Herr Prof. Tatsuo Inoue

       Herr Maciej Korecki

       Herr Prof. Young-Kook Lee

       Herr Dr. Scott Mackenzie

       Herr Anders Olofsson

       Herr Dr. Rüdiger Rentsch

       Herr E. Schreiber

       Herr Pavel Šuchmann

       Herr Yuuki Tanaka

       Frau Eva Troell

       Herr Dr. W. Schützenhöfer

       Frau Eva Troell

       Herr Youichi Watanabe

       Herr Dr. Urs Wyss

       ASM International Materials Park, OH 44073–0002

       Carl Hanser Verlag GmbH & Co, Kolbergstraße 22, 81679 München

       DGM Informationsgesellschaft

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       Veitsch-Radex Aktiengesellschaft, Magnesitstraße 2, A – 8700 Leoben

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       Vulkan Verlag GmbH, Friedrich-Ebert-Straße 55, 45127 Essen

       Institutet för Metalforskning

       Institute of Materials, 1 Carlton House Terrace, London SW1 Y5DB (UK)

       Iron Steel Institute, 4 Grosvenor Gardens, London SW1 (UK)

       Technische Hochschule Magdeburg, Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg

       School of Materials Science & Engineering, Shanghai Jiao Tong University

       Wolfson Heat Treatment Center Aston University Birmingham, Aston Triangle Birmingham B47ET (United Kingdom)

       Associazione Italiana Di Metallurgia

       International Federation for Heat Treatment and Surface Engineering

       Austrian Society for Metallurgy and Materials

       Croatian Society for Heat Treatment and Surface Engineering

       Japanese Society for Heat Treatment

      1 Grundlagen

      Nach der Festlegung einiger zentraler Begriffe sollen im Folgenden die für die Entstehung von Maß- und Formänderungen verantwortlichen Mechanismen sowie das für einige Wärmebehandlungsverfahren typische Maß- und Formänderungsverhalten dargestellt werden.

      1.1 Definitionen

      In der Norm „Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen – Begriffe“ (DIN EN ISO 4885:2018-07) wird Verzug als „jede Änderung der Form oder der ursprünglichen Maße eines Eisenwerkstücks, die während einer Wärmebehandlung auftritt“, definiert. Die Begriffe Maß- und Formänderung hingegen sind nicht enthalten. Nach Einschätzung der Autoren kann aber eine Monographie, die sich mit dieser Thematik befasst, nicht auf eine Definition dieser Begriffe verzichten. Daher soll in dieser Arbeit unter „Maßänderung“ gemäß der DIN 17014 in der Ausgabe von 1975 „die Änderung der Maße eines Werkstückes ohne Formänderung“ verstanden werden. In Anlehnung an /Ber77/ soll unter Formänderung „die Veränderung von Winkelbeziehungen und Krümmungen am Bauteil“ verstanden werden. Der Begriff „Verzug“ soll hingegen rein umgangssprachlich verwendet werden, um anzudeuten, dass von Maß- und/oder Formänderungen die Rede ist. Dabei wird bewusst auf die in der DIN EN ISO 4885:2018-07 verwendeten Einschränkungen „Eisenwerkstück“ und „während einer Wärmebehandlung“ verzichtet.

      Da in der Regel sowohl Änderungen in den Maßen als auch in Bezug auf Form, Richtung, Ort und Lauf auftreten, müssen die zugehörigen kennzeichnenden Größen ermittelt werden. Kriterien für die Beschreibung des Verzugs sind in DIN EN ISO 1101 zusammengefasst. Die Ermittlung der Geometrieelemente erfolgt durch geeignete Messvorschriften, die stark geometrieabhängig sind. Für die Innenbohrung von zylindrischen Ringen kann eine entsprechende Messvorschrift beispielsweise lauten:

      Messe Kreise in verschiedenen Höhen. Ermittle einen mittleren Innenradius durch das Einpassen eines mittleren Zylinders unter Minimierung der Summe der Abweichungsquadrate zwischen Messung und dem Standardgeometrieelement Zylinder. Wiederhole diese Prozedur vor und nach der Wärmebehandlung. Die Differenz der Zylinderradien nach und vor der Wärmebehandlung ist dann die Änderung des Maßes „Innenradius“. Als Form kann in diesem Beispiel die Zylinderform herangezogen werden, dessen Toleranzzone durch zwei koaxiale Zylinder vom Abstand t begrenzt wird. Die Formänderung ergibt sich entsprechend aus der Differenz der Werte der Messungen nach und vor der Wärmebehandlung.

      Bei der Ermittlung der Formabweichungen anhand der Kriterien nach DIN EN ISO 1101 ist zu beachten, dass die eigentliche Gestalt des Elementes nicht berücksichtigt wird. Dies kann zu Fehlinterpretationen des Verzugsverhaltens aus der Differenz der Formänderungen vor und nach der Wärmebehandlung führen, wenn der Verzug durch signifikante Änderungen der Gestalt bestimmt wird. Weiterführende Konzepte zur Analysen der Gestaltsänderung unter Berücksichtigung der Form und Richtung liegen vor /bspw. Sur08, Lüb12/.

      1.2 Entstehung von Maß- und Formänderungen1

      Als Ursache von Maß- und Formänderungen sind heute zwei Ursachen bekannt, die sich durch die Begriffe

       Volumenänderungen und

       Verformungen

      Bild 1.1:

      Ursachen für Maß- und Formänderungen

      charakterisieren lassen (Bild 1.1). In den folgenden beiden Abschnitten werden die zugehörigen Zusammenhänge diskutiert.

      1.2.1 Volumenänderungen

      Volumenänderungen resultieren prinzipiell aus Dichte- und/oder Masseänderungen. Letzterer Fall tritt bei jeder thermochemischen Behandlung auf, da in deren Verlauf zusätzliche Atome in den oberflächennahen Bereich eingebracht werden. Natürlich tragen auch ungewollte Veränderungen wie bspw. eine Randschichtoxidation oder eine Entkohlung zu diesem Effekt bei. Diese gewollten oder ungewollten Randschichtmodifikationen führen neben der Masseänderung in der Regel auch zu Dichteänderungen.

      Die Dichte wird aber auch durch Phasenumwandlungen und Ausscheidungsprozesse nachhaltig beeinflusst,