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15NiCr13 / 1.5752: Nickel für sehr gute Zähigkeit bei tiefen Temperaturen

Der 15NiCr13 / 1.5752 gehört zur Werkstoffgruppe der Einsatzstähle. Sie ist genormt in der zurückgezogenen DIN EN 10084 (früher: DIN 17210) und aktuell in der DIN EN ISO 683-3. Der heutige 15NiCr13 / 1.5752 war ursprünglich unter der Bezeichnung 14NiCr14 in der zurückgezogenen DIN 1662 genormt.

Der 14NiCr14 hat seine Ursprünge in einer Zeit, in der mangels genauer Steuerung von Ofenanlagen die Aufkohlung von Einsatzstählen nur bedingt möglich war. Bahnbrechend für die exakte Steuerung der Ofenanlagen waren erst die Erkenntnisse und Berechnungen des schweizerischen Unternehmens MAAG, die unter der Bezeichnung „CARBOMAAG“ bekannt wurden. Unter der Bezeichnung 14NiCr14 sind diverse Werksnormen bekannt, die teilweise stark bei den Kohlenstoffgehalten des Grundwerkstoffs variieren. Diese stammen neben privatwirtschaftlichen Unternehmen auch von staatlichen Institutionen wie beispielsweise dem ehemaligen Bundesamt für Wehrtechnik und Beschaffung. Die chemische Zusammensetzung und die Härtbarkeit sind beim 14NiCr14 und beim 15NiCr13 ähnlich, aber nicht identisch. Folglich muss die Austauschbarkeit je nach Einsatzzweck beurteilt werden.

Einsatzstähle werden nach der mechanischen Bearbeitung einsatzgehärtet. Einsatzhären ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahl. Hierzu wird das Bauteil erhitzt und in kohlenstoffabgebenden Mitteln längere Zeit gehalten, um so die Randschicht mit Kohlenstoff anzureichern („Aufkohlen“). Das Werkstück wird beim anschließenden Härten in Wasser, Öl, Polymer oder ähnlichem abgeschreckt. Abschließend wird das Werkstück angelassen und spannungsarmgeglüht. Je nach Bauteil und Werkstoff sind die Zonen der Aufkohlung zwischen 0,3 und 4,0 mm tief.

Ziel des Einsatzhärtens ist es, die Oberflächenhärte eines Werkstücks zu erhöhen, ohne dabei die Kernzähigkeit zu beeinträchtigen. Die Beurteilung der Härtbarkeit eines Werkstoffs erfolgt anhand der Aufhärtbarkeit und dem Härteverlauf/der Einhärtbarkeit: Die Aufhärtbarkeit gibt Auskunft über die maximale Härte, der Härteverlauf/die Einhärtbarkeit beschreibt die Veränderungen der gemessenen Härte vom Rand des Werkstücks in Richtung Kern. Der Verlauf der Härtbarkeitskurve eines Einsatzstahl kann nur über seine chemische Analyse eingestellt werden. Die Härtbarkeitswerte (Jominywerte) werden im Stahlwerk daher oftmals auf Basis der chemischen Analyse errechnet und nur zu Kontrollzwecken stichprobenartig kontrolliert.

Der 15NiCr13 / 1.5752 ist bekannt für eine hohe Kernfestigkeit bei gleichzeitiger Bewahrung einer sehr guten Zähigkeit. Die Legierungselemente Mangan, Chrom und Nickel sind größtenteils hierfür verantwortlich. Nickel sticht hierbei mit einem Massenanteil von 3,0 bis 3,5 % heraus. Der 15NiCr13 / 1.5752 erlangt durch den hohen Chromgehalt seine sehr guten Zähigkeitseigenschaften, die auch bei Tieftemperaturen Bestand haben. Dieser Werkstoff erreicht eine maximale Oberflächenhärte von 58 bis 60 HV.

HERSTA bevorratet den 15NiCr13 / 1.5752 im Abmessungsbereich von Ø 20 bis 440 mm. Der Werkstoff ist bei uns zum Teil auch mit geschälter oder vorgedrehter Oberfläche erhältlich. Die chemische Zusammensetzung deckt in der Regel auch die des 14NiCr14 ab.

15NiCr13 / 1.5752: Ölhärtender Einsatzstahl für Bauteile mit hoher Beanspruchung

Der 15NiCr13 / 1.5752 wird bei der Produktion im Stahlwerk bei 1.150 bis 850 °C warm umgeformt. Um die mechanische Bearbeitbarkeit zu ermöglichen, erfolgt anschließend eine Glühbehandlung auf Scherbarkeit mit maximal 255 HB (+S), Kaltsägbarkeit mit maximal 300 HW (+K) oder auf Härtespanne mit 179 bis 229 HB (+TH) oder eine Weichglühung mit maximal 229 HB (+A). Von einer Glühung „+FP“ wird abgeraten, da der 15NiCr13 /1 .5752 besonders stark zu Gefügezeiligkeit neigt.

Die Einsatzhärtetiefe (EhT) ist eine Kennzahl zur Messung und Kontrolle des Einsatzhärtens, die in der DIN EN ISO 2639 genormt ist. Sie beschreibt den Abstand von der Oberfläche eines Werkstoffs bis zu dem Punkt, an dem die Vickershärte (HV1) 550 beträgt. Bestimmt wird sie von der Härtbarkeit des Werkstoffs, der Tiefe der Aufkohlung sowie den Wärme- und Abkühlbedingungen. Darüber hinaus ist für ein gutes Ergebnis beim Einsatzhärtens ein feinkörniges Gefüge wichtig.

Die Temperatur der Aufkohlung sollte beim 15NiCr13 / 1.5752 bei 880 bis 940 °C liegen. Die Direkt-/Einfachhärtetemperatur sollte bei 810 bis 850 °C liegen. Beim Doppelhärten, das bei für Verzug unempfindlichen Bauteilen erfolgt, werden Kernhärtetemperaturen von 840 bis 880 °C und Randhärtetemperaturen von 780 bis 820 °C empfohlen. Der 15NiCr13 / 1.5752 wird vorzugsweise in Öl abgeschreckt. Auch Wasser und Polymer sind als Abschreckmedien möglich. Angelassen oder entspannt werden die Bauteile anschließend bei 150 bis 200 °C. Bei höheren Temperaturen würde die Randhärte zu stark abfallen.

Müssen Teile nach der Einsatzhärtung gerichtet werden, sollte das vor dem Anlassen/Entspannen erfolgen. Bei einsatzgehärteten Teilen steigt die Streckgrenze bis ca. 290°C an. Aus diesem Grund ist ein Richten vor dem Anlassen leichter und reduziert die Gefahr von Brüchen. Die Anlass-/Entspannungstemperaturen liegen um 200 °C.
Bei Anforderungen an höchste Maßstabilität (z.B. Messwerkzeuge) ist ein Tiefkühlen vor dem Anlassen/Entspannen erforderlich. Hierbei wird der nach der Einsatzhärtung vorhandene Restaustenit in Martensit umgewandelt und so eine über Jahrzehnte laufende geringe Masseänderung verhindert.

Aus diesem Grund verwendet man ihn für hoch beanspruchte und/oder stoßbelastete Bauteile. Diese werden unter anderem im allgemeinen Maschinenbau, im Fahrzeugbau und im Getriebebau eingesetzt. Beispiele für Bauteile sind z.B. Gelenkwellen, Kolben, Pleuelstangen, Zapfen und Zahnräder. Der 15NiCr13 / 1.5752 findet darüber hinaus noch Anwendung in der Wehrtechnik, nicht zuletzt aufgrund seiner guten Zähigkeit bei tiefen Temperaturen.
Der 15NiCr13 / 1.5752 ist durch seinen Kohlenstoffgehalt von 0,12 bis 0,18 % grundsätzlich schweißbar. Dieser sollte allerdings vorgewärmt und nach dem Schweißen noch einmal geglüht werden.

15NiCr13 / 1.5752: Stirnabschreckversuch (Jomniy-Versuch) zur Härtbarkeitsmessung

Eine entscheidende Bedeutung für die Wahl des jeweiligen Einsatzstahls ist der Stirnabschreckversuch. Er ist genormt in der EN ISO 642. Der Stirnabschreckversuch beruht maßgeblich auf Versuchen von W. E. Jominy, deren Ergebnisse in diversen Fachzeitschriften Ende der 1930er und Anfang der 1940er veröffentlicht wurden. Der Stirnabschreckversuch trägt daher auch den Namen Jominy-Versuch.

Der Stirnabschreckversuch ist ein Verfahren, um die Härtbarkeit – also die Aufhärtbarkeit und den Härteverlauf/die Einhärtbarkeit – zu bestimmen. Hierzu wird zunächst eine zylindrische Probe mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Länge von 100 mm bei einer festgelegten Temperatur erwärmt. Daraufhin wird die Probe an der Stirnseite durch einen Wasserstrahl mit konstantem Druck abgeschreckt. Danach werden zwei gegenüberliegende Mantelflächen in Längsrichtung mit 0,4 bis 0,5 mm angeschliffen. Auf jeder Mantelfläche wird anschließend die Härte in definierten Abständen von der Stirnfläche gemessen. Die Abstände betragen üblicherweise 1,5 – 2 5 – 7 – 9 – 11 – 13 – 15 – 20 – 25 – 30 – 35 – 40 und vereinzelt 50 mm. Sie können aber anders gewählt werden, beispielsweise mit Abständen von 1 mm bei gering einhärtenden Stählen.

In den Einsatzstahlnormen ist angegeben, welche minimalen und welche maximalen Härtewerte ein Werkstoff in einem bestimmten Abstand von der abgeschreckten Stirnfläche haben muss. Die Härte ist dabei in Härte Rockwell (HRC) angegeben. Man unterscheidet hier zwischen der normalen Härtbarkeit „+H“, und den eingeengten Härtbarkeitsstreubändern „+HH“ und „+HL“.

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