Bainit

Metallurgie

Zwischenstufengefüge von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen. Benannt nach E. C. Bain. Bainit hat nadeliges Aussehen ähnlich wie Martensit und besteht aus einem Gemenge von Ferrit und Carbiden. Voraussetzung für die Bainitbildung ist die Einhaltung eines bestimmten Abkühlungsverlaufes, wobei weder Martensit noch Perlit entstehen darf.

Die bainitische Umwandlungstemperatur liegt zwischen 200 und 600 °C. Daher finden sowohl diffusionslose als auch diffusionsgesteuerte Umwandlungen statt. Je nach Umwandlungstemperatur unterscheidet man zwischen oberem und unterem Bainit.

Das ZTU-Schaubild zeigt die Zusammenhänge am Beispiel von vier verschiedenen Abkühlkurven, ausgehend von der Austenitisierungstemperatur: Die Kurve 1 stellt eine Abkühlung auf Perlit dar, wobei das Gebiet der Umwandlung in Perlit nahezu isotherm durchfahren wird. Die Kurve 2 zeigt die Abkühlung auf Bainit. Sie führt an der Perlitnase vorbei und dann durch das Gebiet der bainitischen Umwandlung mit kontinuierlicher Abkühlgeschwindigkeit, zum Beispiel in einer Sandform. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve 3 das typische Zwischenstufenvergüten. Hier wird auf eine Temperatur im Bereich der bainitischen Umwandlung abgefangen, auf dieser Temperatur isotherm gehalten und nach entsprechender Zeit weiter auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Kurve 4 stellt das rasche Abschrecken auf Martensit, also die martensitische Abschreckung dar.

Die Eigenschaften des Bainits sind unterschiedlich, je nachdem ob die Bainitbildung im oberen Temperaturbereich (kurz unterhalb des Gebietes der Ferritbildung) oder im unteren Temperaturbereich (kurz oberhalb der Martensitbildung) erfolgt. Im ersten Fall spricht man von „oberem Bainit“, im letztgenannten Fall von „unterem Bainit“. Dies wirkt sich vor allem auf die Zähigkeitseigenschaften des Stahls aus (Bild 2).

Der obere Bainit entsteht aufgrund „langsamen“ Umklappens des Austenitgitters in einen an Kohlenstoff stark übersättigten Ferrit. Aufgrund ausreichender Diffusion des Kohlenstoffs scheidet sich dieser in Form von kugeligen oder ellipsenförmigen Zementitkristallen an den Ferritgrenzen aus. Es entsteht ein körniger Bainit mit lattenförmigem, von Karbiden umsäumten Ferrit, der höher Kerbschlagzähigkeitswerte als der untere Bainit aufweist.

Unterer Bainit hat in der Regel niedrigere Hochlagenwerte, aber auch niedrigere Übergangstemperaturen, was für die Verwendung bei tiefen Temperaturen günstig ist.Der untere Bainit entsteht bei tieferen Umwandlungstemperaturen, wobei die Kohlenstoffdiffusion verringert ist und sich sehr feine Karbide ausscheiden, die zu einer wesentlichen Erhöhung der Härte führen. Das Gefüge besteht aus feinen nadelförmigen Ferritkristallen mit feinst verteilten Karbiden.

Bild 1: Schematisches ZTU-Schaubild einer Eisen- Kohlenstoff-Legierung mit vier gestrichelt gezeichneten Abkühlkurven zur Erzielung von (1) perlitischem, (2 + 3) bainitischem und (4) martensitischem Gefüge© GIESSEREI LEXIKON
Bild 2: Kerbschlagarbeit-Temperatur-Kurven eines kohlenstoffarmen, niedriglegierten Stahls, dargestellt für verschiedene Gefügezusammensetzungen (nach U. Lotter, B. Müsgen und H. Pirchner)© GIESSEREI LEXIKON

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