Anlassversprödung: Die Falle bei 375–575 °C in Cr-Mo-Stählen

Das Phänomen

Anlassversprödung ist ein Verlust an Kerbschlagzähigkeit, der entsteht, wenn bestimmte legierte Stähle in ungefähr dem Bereich von 375–575 °C gehalten werden oder langsam durch ihn abkühlen. Die Zugfestigkeitseigenschaften und die Härte des Stahls ändern sich kaum — ein Bauteil kann jede Routineprüfung bestehen und dennoch bei Raumtemperatur spröde sein, wobei die Übergangstemperatur von duktil zu spröde scharf nach oben verschoben ist. Sie ist am besten bei Chrom- und Cr-Mo-Stählen bekannt, einschließlich der Familien 2.25Cr-1Mo und Cr-Mo-V, die für Druckbehälter, Rotoren und schwere Schrauben verwendet werden.

Der Mechanismus: Verunreinigungen an Korngrenzen

Die Versprödung wird nicht durch die Hauptlegierungselemente selbst verursacht. Spurenverunreinigungen — vor allem Phosphor, Zinn, Antimon und Arsen — segregieren an die ehemaligen Austenitkorngrenzen, während sich der Stahl im kritischen Bereich befindet, schwächen die Grenzen, sodass der Bruch zwischen den Körnern verläuft. Mangan und Chrom fördern die Segregation; Molybdän in moderaten Mengen verzögert sie, was ein Grund ist, warum Mo in so vielen Druckbehälter-Sorten vorkommt.

Aus dem Mechanismus folgen zwei Merkmale:

• Sie ist reversibel. Erneutes Erwärmen über den Bereich hinaus (und einigermaßen schnelles Abkühlen) löst die Segregation wieder auf und stellt die Zähigkeit wieder her — daher „reversible Anlassversprödung“, zu unterscheiden von der einseitigen Versprödung von angelassenem Martensit bei niedrigeren Temperaturen.
• Sie ist zeitabhängig. Kurze Durchläufe durch den Bereich richten wenig Schaden an; lange Haltezeiten, langsames Abkühlen schwerer Querschnitte im Ofen und Jahre im Betrieb innerhalb des Bereichs summieren den Schaden.

Wie Spezifikationen dagegen vorgehen

Da die Ursache in der chemischen Zusammensetzung liegt, ist die Abwehr in die Einkaufsanforderungen geschrieben:

• Grenzwerte für Verunreinigungen — Raffinerien kontrollieren P, Sn, Sb und As auf niedrige Werte, und Käufer kritischer Schmiedestücke geben kombinierte Versprödungsparameter (die weit verbreiteten Formeln für den J-Faktor und den X-bar-Wert gewichten diese Elemente zusammen) in der Bestellung an.
• Anlasspraxis — nach Möglichkeit oberhalb des Bereichs anlassen und langsames Abkühlen durch ihn bei schweren Querschnitten vermeiden; Stufenabkühlungs-Prüfzyklen werden verwendet, um Material für Behälter zu qualifizieren, die in diesem Bereich betrieben werden.
• Abnahme durch Kerbschlagprüfung — Anforderungen an die Charpy-Übergangstemperatur, manchmal nach einem simulierten Versprödungszyklus, verifizieren die tatsächliche Zähigkeit, anstatt sie anzunehmen.

Praktische Einordnung

Wenn ein Cr-Mo-Bauteil lange Zeit bei 400–550 °C im Betrieb war und beurteilt werden muss, sagt die Härte allein nichts über seine Zähigkeit aus. Umgekehrt ist ein neues Schmiedestück, das enge Grenzwerte für Verunreinigungen erfüllt und korrekt angelassen wurde, nicht „gefährdet“, nur weil seine Anlasstemperatur nahe am Bereich gewählt wurde — das Phänomen braucht die Verunreinigungen, die Temperatur und die Zeit zusammen.

Wie sie nachgewiesen wird

Da Härte und Zugfestigkeit normal bleiben, wird Anlassversprödung durch Charpy-Kerbschlagprüfung gefunden — insbesondere durch die Verschiebung der Übergangstemperatur von duktil zu spröde im Vergleich zum nicht versprödeten Zustand. Eine bei einer einzigen Temperatur gemessene Zähigkeit kann irreführen; die Übergangskurve ist der Nachweis. Wo die Vorgeschichte eines Bauteils verdächtig ist, werden aus dem Bauteil herausgearbeitete Proben oder Verlängerungen des ursprünglichen Schmiedestücks geprüft, manchmal nach einem Entversprödungs-Wiedererwärmen, um die Diagnose zu bestätigen: Wenn die Zähigkeit nach dem Wiedererwärmen und schnellen Abkühlen zurückkehrt, war Anlassversprödung — und nicht ein dauerhafter Schaden wie Kriechen oder Wasserstoffangriff — die Ursache.