Entkohlung (quantitativ)

[jafi]

Hallo,

angeregt durch dieses Thema habe ich mal etwas gerechnet, wie unterschiedlich die Entkohlung bei verschiedenen Temperaturen wohl wirklich ist. Besonders die Eindringtiefen haben mich dabei interessiert.

Annahmen:
Klingendicke 3mm
Diffusionskoeffizienten:
D(800°C)=15e-13 m2 s-1
D(1100°C)=450e-13 m2 s-1
an der Oberfläche wird der Kohlenstoff sofort vollständig oxidiert: c(0)=0
Anfangskonzentration: 1%
Ich habe jeweils eine WB von 1h in 5min Intervallen betrachtet und eine WB von 10h in 1h Intervallen. Das ganze für beide Temperaturen.

(einige) Ergebnisse:
800°C, 1h
- das 1. hundertstel ist bereits nach wenigen Minuten nicht mehr härtbar.
- nach 5min ist in 0.05mm Tiefe noch 0.9%C enthalten
- nach 1h sind in 0.1mm Tiefe immerhin noch 0.65%C enthalten

800°C, 10h
- nach 2h sind in 0.1mm Tiefe noch 0.5%C
- nach 10h sind die äußeren 0.2mm nicht mehr härtbar (C<0.4%)

1100°C, 1h
- nach 5min ist das äußere zehntel nicht mehr härtbar
- nach 1h sind 0.6mm nicht mehr härtbar, selbst der Kern der Klinge zeigt Entkohlung

1100°C, 10h
- nach 1h sind in 0.5mm Tiefe nur noch 0.6%C enthalten
- nach 6-7h ist die gesamte Klinge nicht mehr härtbar


Fazit: die Temperatur ist der bei weitem wichtigere Faktor. Bei 800°C und den üblichen Haltezeiten beim Härten ist Entkohlung kein echtes Problem. Selbst wenn man den Stahl 10h bei 800°C weichglüht ist nicht mehr als der erste Millimeter beeinflußt.
Bei 1100°C sieht es dann völlig anders aus, und auch bei kurzen Haltezeiten muß etwas gegen Entkohlung getan werden.

Ist natürlich alles nichts neues, aber ich fand's gut es mal 'genau' zu wissen.

viele Grüße, Jan.

(Reihenfolge der Abbildungen: 800°C, 1h; 800°C, 10h; 1100°C, 1h;1100°C,10h
Achtung, die x-Achsen haben unterschiedliche Skalen)

 

[Sven]

Hey, das ist ja Klasse
Danke für die Mühe.

In welchen Maße ist die Entkohlung eigentlich von der umgebenden Atmosphäre anhängig?

Ciao Sven

 

[SimonSambuca]

Vielen Dank auch von mir!

Damit eine Entkohlung stattfindet muss natürlich Sauerstoff an die Flächen kommen. Je mehr Kontakt umso mehr Entkohlung usw.

Ich glaube aber muss bei den Werten noch bedenken das der Prozess ja zu allen Seiten hin wirkt. Sprich bei einer dünn ausgeschliffenen Klinge (z.B. 0,25mm unten an der Schneide) wäre bereits 1 Stunde bei 800 Grad problematisch.

Noch was - der Kohlenstoff rückt natürlich immer nach vom Kern nach Aussen. Ob aber die Entkohlung schneller als das Nachrücken
abläuft kann ich nicht sagen.

Gruß
Simon

 

[Schmiedeglut]

Das bedeutet dann ja, dass ich eine Rostträge Klinge ohne Härtefolie in der Gasesse bei 1050Grad mit einem Stahl mit z.B. 1,6%C bei 15min. Haltezeit und 0,3mm Schneidenstärke problemlos ohne Probleme härten kann !

Weiter bedeutet der Test, dass man beim weichglühen von Damast oder unlegierten Stählen über Nacht in der ausglimmenden Gasesse keine problematische Entkohlung befürchten muss! (das hab ich zwar schon immer so gemacht, aber jetzt habe ich gewissheit, dass ich mir die Härtefolie tatsächlich sparen kann)

Wunderbar! DANKE für den Test!!!

Gruß

Xzenon

 

[luftauge]

Das bedeutet dann ja, dass ich eine Rostträge Klinge ohne Härtefolie in der Gasesse bei 1050Grad mit einem Stahl mit z.B. 1,6%C bei 15min. Haltezeit und 0,3mm Schneidenstärke problemlos ohne Probleme härten kann !
...

Die Frage ist dann aber, wie sich das Gefüge dahingehend ändert, dass die Legierung in ihrem speziell zusammengestellten Mix noch so funktioniert, wie es gedacht war

Wenn der C-Gehalt derart reduziert wird, ist die Legierung nicht mehr im anwendungsspezifischen "Gleichgewicht" für eben diese Legierung "X" - wenn man das so sagen kann - man arbeitet normalerweise ja nicht für die Spänekiste, sondern möglichst auf wenig Verlust, und 0,3mm Entkohlungstiefe pro Seite/Fläche sehe ich schon als nicht unerheblich an.

@Jafi:
Super Sache Dein Test, welchen Stahl hast Du getestet, und hast Du noch andere erwähnenswerte Veränderungen während oder nach den Glühdurchgängen feststellen können ?

Gruß Andreas

 

[gast05052009]

Super Sache Dein Test, welchen Stahl hast Du getestet, und hast Du noch andere erwähnenswerte Veränderungen während oder nach den Glühdurchgängen feststellen können ?

Gruß Andreas

Hallo,

angeregt durch dieses Thema habe ich mal etwas gerechnet.............

Zumindest habe ich das als gerechnetes Modell und nicht als praktischen
Test verstanden.

 

[jafi]

@Sven
Natürlich ist die Entkohlung von der Atmosphäre abhängig. Ich war bei meiner Rechnung von einer stark oxidierenden Atmosphäre ausgegeangen, 'worst case' also.

@SimonSambuca

Ich glaube aber muss bei den Werten noch bedenken das der Prozess ja zu allen Seiten hin wirkt. Sprich bei einer dünn ausgeschliffenen Klinge (z.B. 0,25mm unten an der Schneide) wäre bereits 1 Stunde bei 800 Grad problematisch.

Noch was - der Kohlenstoff rückt natürlich immer nach vom Kern nach Aussen. Ob aber die Entkohlung schneller als das Nachrücken
abläuft kann ich nicht sagen.

zu 1). Richtig. Ich habe nur ein Stück 3mm starken Stahl simuliert. Bei dünn ausgeschliffenen Schneiden sieht's natürlich entsprechend anders aus.

zu 2). Das der Kohlenstoff nachrückt ist natürlich berücksichtigt, nennt man ja auch Diffusion. Ich habe einfach die Diffusionsgleichung mit den ensprechenden Anfangs- und Randbedingungen gelöst.

@Xzenonbenz
das finde ich eine etwas gewagte Interpretation...Ich würde hochlegierte Stähle nicht ohne Entkohlungsschutz auf 1050°C erhitzen. Das Weichglühen des Damasts über Nacht sollte kein Problem sein, wenn du dannach noch ordentlich Material wegnimmst.

@luftauge
ich habe keinen speziellen Stahl getestet, sondern lediglich die Diffusionskoeffizienten von Kohlenstoff in Eisen bei zwei verschiedenen Temperaturen nachgeschlagen. Für niederiglegierte Stähle stimmt das ziemlich genau. Bei den hochlegierten könnten die anderen Legierungselemente noch einen Einfluß haben, aber aus dem Bauch heraus behaupte ich mal, dass der Unterschied unter 10% liegen wird.

Gruß, Jan.

 

[Lupolino]

@jafi,

super Arbeit, sauber aufbereitet und nachvollziehbar.
Ich habe meine Aussage im anderen Thread nur pauschal machen können, da ich's nie nachgerechnet habe.
jetzt weiss ich wenigstens, dass ich mit meinen Annahmen (vor allem bei den hohen Temperaturen) nicht falsch lag.

Danke und Gruss,
Lupolino

 

[roman]

Jafi das ist eine schöne Arbeit!!!
Mein Lob

was es noch zu bedenken gibt.

die Entkohlungen wirken nicht linear und sind auch extrem Legierungsabhängig.

Unter beisein von Schutzmitteln z.B. kann es sogar vorkommen, dass die diese kathalytisch wirken und sogar in bestimmten Temperaturbereichen überproportional gefördert wird. Wohingegen es auch vorkommt wenn man einen Stahl Verzundern lässt dieser Zunder auch wieder schützend wirken kann und die Entkohlung entscheidend dämpfen kann.

Hier nimmt W. Haufe in seinem Buch die Werkzeugstähle ausführlich Stellung.

Ein Büchlein, dass ich jedem Praktiker ans Herz lege! (PS: ich bin sicher dass Ulrich auch noch einiges dazu zu sagen hat. Hommm)

Ansonsten weiter so Gemeinde, das ist echter Vorsprung durch Wissen und keine amerikanische Dampfplauderei!

 

[Klaus1602]

Hallo Jafi
auch von mir ein großes Lob für die Rechnung und Simulation.

Ich bin seit Mitte Dezember immer wieder mal (in einer freien Minute) an einer Untersuchung der Randentkohlung am 1.2842. Einfluss von Temp. und Zeit. Will die Ergebnisse Euch auch nicht vorenthalten. Ich muß bloß noch den Wust von Zahlen zusammenfassen und in eine verständliche Form bringen. Interssant ist aber, dass zwischen Deiner Rechnung und meinen Messungen eine verblüffende Ähnlichkeit vorhanden ist.
Kannst Du mir vielleicht noch eine Info über die Formeln geben. Wollte es eben auch mal in Excel nachvollziehen, aber da komme ich noch nicht ganz klar.
Hier mal ein Versuchsergebnis von 810°C, 15 min. im E-Ofen.

 

[Lupolino]

Bei den Legierungselementen macht vor allem Chrom die Oberfläche "dicht".
Ich habe das im "Umkehrverfahren" = Aufkohlen oder Nitrieren schon festgestellt.
Wenn man austenitische Stähle versucht aufzukohlen oder nitrieren, dann hat man nur ein Eindringtiefe von max. 4-5 µm, da das gebildete Chromcarbid /-nitrid die Diffusionswege zumacht (sterische Hinderung).

@ Roman
Gilt das hier auch im Umkehrschluss für die Entkohlung?

Gruss,
Lupolino

 

[jafi]

Hallo Klaus1602,

das ist ja mal wirklich super! Mit deinen Daten kann man nämlich im Umkehrschluß den Diffusionskoeffizienten für 1.2842 bei 810°C bestimmen. Damit kann man dann -wirklich- berechnen, wie es nach unterschiedlichen Zeiten so aussieht.
Was die Formeln anbelangt: Das ist nicht so ganz einfach, da die Diffusionsgleichung eine partielle Differentialgleichung ist. Ich habe die Diagramme oben numerisch berechnet, würde zu weit führen das hier zu erläutern. Für diesen (einfachen) Fall gibt es aber auch eine analytische Lösung. Ich suche das morgen mal 'raus uns poste es hier.

Hier noch eine kleine Weiterführung in 2D: Es tauchte ja die Frage auf, wie es mit der Entkohlung aussieht, wenn man eine dünn ausgeschliffene Schneide im Ofen hat. Der Schneidenwinkell beträgt 10°, die Skala der y-Achse ist dieselbe wie bei der x-Achse. Ansonsten sind die Randbedingungen wie oben. Man sieht deutlich, dass eine scharf ausgeschliffene Klinge nach 5min bei 800°C auf dem ersten halben Millimeter entkohlt wäre. Nach 1h wären auch schon knapp 2mm verdorben.
Normalerweise schleift man ja vor dem Härten nur auf 0.3-0.5mm herunter, dann sollte es keine Probleme geben. Wie ja auch die Praxis zeigt

Gruß, Jan.

 

[roman]

Kannst Du auch den Wärmefluss simmulieren?

Wenn man das machen kann könnte man die Überhitzung durch ungekühltes Schärfen am Bandschleifer simulieren!

 

[jafi]

Hallo Roman,

ja, daran habe ich auch schon gedacht. Ich habe es auch schon mal versucht; ist im Prinzip eine identische Aufgabe, da Diffusion und Wärmeleitung durch dieselbe Gleichung beschrieben werden. Das Problem sind die Randbedingungen: Man muß entweder den Wärmefluß oder die Temperatur an den verschiedenen Oberflächen kennen. Beides ist aber nicht konstant, da der Stahl sich ja erhitzt. Die Oberseite ist konvektiv durch die umgebende (ruhende? bewegte?) Luft gekühlt, sowie durch die Finger, die's festhalten. Die Unterseite wird mehr oder weniger stark ans Band gedrückt. Was soll man da für einen Wärmeübergang annehmen?

Was man machen könnte: Ein Stück Stahl mit definierter Dimension mit einem Thermistor o.ä. versehen und den Temperaturverlauf im Kern aufzeichnen. Das macht man einmal mit einem mit Styropor noch oben isolierten und einmal mit einem blanken Stahl, am besten mit konstanter Anpresskraft ans Band. Dann hat man sowohl den Wärmefluß ins Material wie auch den Fluß in die umgebende Luft. Damit kann man dann das Modell parametrisieren und bekommt glaubwürdige Ergebnisse.
Hätte ich zwar Lust zu, aber im Moment keine Zeit.

Ich gucke aber bei Gelegenheit mal, ob ich meine bisherigen Modelle noch habe.

viele Grüße, Jan.

 

[roman]

Jafi,

ich denke das sollte man unter sehr vereinfachten Bedingungen machen.

Einfach eine Induktion von Hitze an einer lokalen stelle der Schneidenflake und schauen wie sich die Hitze ausbreitet bzw staut.

Wenn es richtig gemacht ist sollte da ein Hitzestau bei der Spitze und ein verteilendes Fließen der Hitze in den Klingenkörper rauskommen.

 

[AchimW]

Sehr interessante Ausführungen. Aber ich glaube, dass die Geschichte hier ein gewaltiges Loch hat.

Sven hat da schon ein gewichtiges Argument angesprochen, denn in welchem Ofen, der zur WB dient, herrscht denn schon ein "worst case"-Szenario in Bezug auf die Atmosphäre? Zumindest in Kohleesse, Holzkohleesse und Gasfeuer ist das nicht der Fall, denn da werden große Teile des Sauerstoffes einfach vor möglichem Kontakt mit dem Werkstück verbrannt.

Extrem interessant wäre es daher auch, zu erfahren, wie sich unterschiedliche Atmosphären / Ofensysteme auf die Entkohlung auswirken, respektive ob es nicht sogar Systeme gibt, bei denen bei der WB mit einer Aufkohlung zu rechnen ist. Bei meiner Vorgehensweise wäre das in geringem Maße möglich.

Für das zweite, von Roman angesprochene, Thema würde ich wegen des nicht unerheblichen Umfanges eine separate Diskussion an anderer Stelle vorschlagen. Da können wir uns dann trefflich die Köpfe einschlagen, weil wir bekanntermaßen verschiedener Meinung sind, sowohl was das Schärfen am ungekühlten Band, als auch was die Benutzung von groben Vereinfachungen zur Erläuterung komplexer Systeme angeht.

Achim

 

[jafi]

Natürlich ist's der ungünstigste Fall, wenn man davon ausgeht, dass aller Kohlenstoff auf der Oberfläche sofort oxidiert wird. Aber damit hat man zumindestens eine Grenze abgesteckt, was man erwarten kann. Um mehr ging es mir hier nicht.
Natürlich muß man die verschiedene Atmosphären getrennt betrachten. Habe ich z.B. in eine Kohleesse eine geringe Luftzufuhr, so wird relativ viel CO im Verhältniss zu CO2 frei werden. Ab einer kritischen Zusammensetzung bekommt man dann auch aufkohlende Verhältnisse. Würde man diese Zusammensetzung genau treffen, hätte man eine perfekt neutrale Atmosphäre und könnte ewig glühen ohne eine Auf- oder Abkohlung zu haben.
In der Gasesse ist's nicht viel anders. Aber selbst im Elektroofen ohne Schutzgas bildet sich eine diffusive Grenzschicht aus, die den Fluß limitiert.
Und dann wird das Problem ja noch dadurch verkompliziert, dass sich Zunder bildet. Je nach Zusammensetzung der Zunderschicht stellt die eine mehr oder weniger gute Barriere für die Kohlenstoffdiffusion da. Und das hängt wiederum von den Legierungsbestandteilen ab. Außerdem hängt der Diffusionskoeffizient von C in Fe auch vom C-Gehalt ab; von den Legierungselementen sowieso.
Mir ist bewußt, dass ich ein kompliziertes System stark vereinfacht habe. Aber das ist m.E. die richtige Herangehensweise, wenn man etwas verstehen möchte. Und im Moment habe ich das Gefühl, dass alle angesprochenen weiteren Mechanismen tatsächlich die Entkohlung tendenziell verringern. Die Rechnung entspräche also wirklich dem 'worst case scenario'. Ein genauer Vergleich mit den von Klaus1602 gewonnenen Meßwerten wird hier vielleicht Klarheit bringen.

@Klaus
Unter welchen Bedingungen hast du deine Versuche gemacht (Atmosphäre)?


Gruß, Jan.

 

[AchimW]

Interessant wäre auch, zu erfahren, was für ein Stück 1.2842 das war, das klaus da benutzt hat und ob er die Messung mit demselben Stück auch vor dem Heizen gemacht hat. Das ist für die Aussagekraft der von ihm eingestellten Grafik eigentlich absolut unverzichtbar, denn sonst KÖNNTE es ja sein, dass die Entkohlung schon vorher vorhanden war, beispielsweise durch den Weichglühprozess im Stahlwerk.

Noch einen Hinweis am Rande. Ich habe gerade noch mal den Materialprospekt eines Stahlwerkes zur Hand genommen und die geben darin auch die Entkohlung an. Die Bleche sind gewalzt und dann gestrahlt und (24 Stunden) im Haubenofen geglüht, aber nicht geschliffen. Die Angaben sehen wie Folgt aus:

Blechdicke unter 2,0 mm
Entkohlung bei HSS maximal 0,02 mm
Mittellegierte Stähle maximal 0,04 mm

Blechdicke 2,0 bis 15,0 mm
Entkohlung bei HSS maximal 1 % der Blechdicke
Mittellegierte Stähle maximal 2 % der Blechdicke

Blechdicke über 15,0 mm
Entkohlung bei HSS maximal 0,15 mm
Mittellegierte Stähle maximal 0,30 mm

Achim

 

[Erka]

Hier noch eine kleine Weiterführung in 2D...

Sehr schöne anschauliche Darstellung
Hänge ich mir übers Bett ... oder vielleicht eher in die Werkstatt.
Nochmal nachgefragt: Das ist für folgende Annahmen gerechnet:
- niedriglegierter Stahl mit 1% C
- "normaler" konstanter Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft
- keine Zunderschichten etc.

Grüße Rainer

 

[jafi]

Diese Aussagen des Stahlwerkes finde ich erstaunlich.
Warum sollten dicke Bleche eine tiefere Entkohlung haben als dünne?
Auch ist fraglich, ab wann die von Entkohlung sprechen. 90% des ursprunglichen C-Gehaltes, 50% oder was?

Der Unterschied zwischen HSS und mittellegierten Stählen lässt sich wahrscheinlich über die Carbidbildner erklären.

interessantes Thema.

Ich habe inzwischen was über den Einfluß verschiedener Legierungselemente auf den Diffusionskoeffizienten von C in Austenit gefunden: Co und Ni erhöhen die Diffusion, Mo senkt sie etwas und Cr deutlich.

@Rainer
im Prinzip ja. Mit all den obengenannten Einschränkungen...

Jan.