Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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
