Wärmebehandlungsverfahren

Ziele der Wärmebehandlung

Eisenwerkstoffe nehmen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche kristalline Zustände ein, deren Eigenschaften zum Teil wesentlich voneinander abweichen. Die Eigenschaften der Umwandlungsprodukte hängen daher stark von der Umwandlungstemperatur und den dann herrschenden Diffusionsmöglichkeiten für das Grundelement Kohlenstoff und den weiteren Legierungselementen ab. Diese Modifikationsmöglichkeit ist die Ursache, dass bei keinem anderen metallischen Werkstoff durch Wärmebehandlung tiefgreifendere und vielfältigere Eigenschaftsänderungen vorgenommen werden können als bei Stahl. Die Wärmebehandlung ist damit ein Verfahren oder die Kombination mehrerer Verfahren, bei denen ein Werkstück im festen Zustand Temperaturänderungen unterworfen wird, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen.

Folgende Eigenschaftsänderungen können erzielt werden:

  • die spangebende Bearbeitbarkeit verbessern (z. B. Weichglühen, Grobkornglühen)
  • Festigkeit erhöhen oder verringern (z. B. Härten, Normalglühen, Weichglühen)
  • Die Auswirkungen der Kaltverformung beseitigen (z. B. Rekristallisationsglühen, Normalglühen)
  • Beseitigen oder Verringern von Seigerungen (z. B. Diffusionsglühen)
  • Ändern der Korngröße (z. B. Normalglühen, Rekristallisationsglühen, Grobkornglühen)
  • Beseitigen von Eigenspannungen (z. B. Spannungsarmglühen)
  • Erzeugen bestimmter Gefügezustände (z. B. Normalglühen, Weichglühen, Härten)
Die Verfahren der Wärmebehandlung können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: Glühen und Härten.

Spannungsarmglühen

Ziel des Spannungsarmglühen ist es, die inneren Spannungen im Werkstück, welche durch ungleichmäßige Temperatureinflüsse und mechanische Beanspruchung entstanden sind, zu beseitigen. Die inneren Spannungen im Bauteil sind zuvor z. B. durch ungleichmäßige Erwärmung, Formänderung oder Abkühlung beim Richten, Zerspanen, Kaltumformen, Gießen oder Schweißen verursacht worden. Vor allem große Wanddickenunterschiede führen zu einer ungleichmäßigen Abkühlung. Beim Spannungsarmglühen müssen daher die inneren Spannungen ohne wesentliche Änderung anderer Eigenschaften, wie z. B. die Festigkeit, weitgehend abgebaut werden. Dieses erreicht man durch eine Wärmebehandlung je nach Stahlsorte in der Regel im Temperaturbereich zwischen 500 und 650C. Eine Zunderbildung und Randentkohlung der Stähle tritt dabei noch nicht auf. Zu beachten ist, dass die Glühtemperaturen bei vergüteten Teilen 30 bis 50C unter der Anlasstemperatur der vorherigen Vergütung bleiben. Die Haltezeit bei der gewählten Glühtemperatur beträgt ca. 1 min. je mm Bauteildicke. Sowohl die Erwärmung als auch die Abkühlung sind langsam und gleichmäßig durchzuführen, damit die Entstehung von Rissen bzw. erneuten Spannungen im Werkstück vermieden wird.

Weichglühen

Durch ein Weichglühen soll je nach Verwendungszweck der Bauteile ein möglichst weicher und gleichmäßiger Zustand des Stahles - im Allgemeinen zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit - erreicht werden. Hierbei wird bei Temperaturen im Bereich der markanten "723 C-Linie" (A1-Linie des Eisen-Kohlenstoff-Schaubildes) entweder linear oder als Pendelwärmebehandlung um A1 geglüht, sodass das harte und ungleichmäßige Stahlgefüge ähnlich dem Martensit sich während dem Anlassen umwandeln kann. Im Wesentlichen erhält man durch das Weichglühen eine metallurgische Gefügeveränderung, vom lamellaren zum körnigen Perlit. Erläuterung: Perlit ist ein streifenförmiges eutektoides Gefüge (0,8% Kohlenstoff) aus Ferrit und Zementit und hat eine mittlere Härte und Festigkeit. Die Haltezeit bei Glühtemperaturen von knapp unterhalb der "723C-Linie" beträgt mehrere Stunden. Bei einer "Pendelglühung" um 723C (max. 750C) reduziert sich die Haltezeit. Die anschließende Abkühlung hat langsam zu erfolgen, sicherheitshalber bis ca. 300 C im Ofen, da die Abkühlungsgeschwindigkeit den Zustand eines spannungsarmen und weichen Gefüges bestimmt.

GKZ-Glühen

Das Glühen auf kugelige Karbide nennt man auch "GKZ-Glühen". Die Methodik ist hier ähnlich wie beim Weichglühen. Durch eine Wärmebehandlung ebenfalls wenig unterhalb oder oberhalb der A1-Linie bei 723C, mit anschließender definierter Abkühlung, soll ein Gefügezustand erreicht werden, mit dem eine Umformung der Bauteile bei Raumtemperatur leichter durchführbar ist. Hierzu ist ein Gefüge notwendig, das möglichst weitgehend aus duktilem (zähem) Ferrit besteht, in dem die harten Bestandteile kugelig eingelagert sind, so dass die kontraproduktiven Gefügebestandteile für die Umformung anschließend nur wenig beteiligt werden.

Im Gegensatz zum reinen Weichglühen ist das metallurgische Ziel beim GKZ-Glühen die Erreichung von kugeligen Karbiden (eingelagerter Kohlenstoff) anstatt einer kugeligen, perlitischen Grundstruktur. Man muss beim GKZ-Glühen jedoch die Gefahr der Randentkohlung und der beginnenden Verzunderung des Bauteils beachten. Minimieren kann man diese Begleiterscheinungen durch eine Schutzgasatmosphäre oder einer verbrennungstechnisch optimale Regelung der Ofenbrennersysteme.

Normalglühen

Das Normalglühen, auch "Normalisieren" genannt, hat den Sinn, das Gefüge zu verfeinern und möglichst weitgehend zu vergleichmäßigen. Zur Beseitigung von Unregelmäßigkeiten im Gefüge ist eine Erwärmung auf Temperaturen oberhalb der A³-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Zustandsschaubild (723 bis 911 C) mit anschließender Gamma-Alpha-Gefügeumwandlung erforderlich. Die üblichen Glühtemperaturen betragen je nach chemischer Stahlzusammensetzung (entscheidend ist hier der Kohlenstoffgehalt!) etwa 800 bis max. 950 C. Durch das Normalglühen wird unter anderem das beim Stahlguss entstandene grobe Gefüge beseitigt. Zur Erzielung eines normalgeglühten Gefüges sind Aufwärmdauer, Haltezeit und Abkühlgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Nach dem Ende der Haltezeit wird meistens zuerst an Luft außerhalb des Ofens bis ca. 600 C abgekühlt, danach bis ca. 300 C wieder im Ofen, um die Bildung von hohen Eigenspannungen zu vermeiden.

Diffussions-/Homogenisierungs-Glühen

Unter Diffusions- bzw. Homogenisierungs-Glühen versteht man einen Wärmebehandlungsprozess, der darauf hinzielt, Konzentrationsunterschiede der Legierungs- und Begleitelemente im Werkstück bzw. Gefüge zu beseitigen. Die Glühtemperatur sollte möglichst dicht unter der Schmelzlinie liegen. Bei Stahllegierungen findet diese Wärmebehandlung möglichst bei Temperaturen im Bereich von 1000 bis 1200 C statt. Die Haltezeiten betragen mehrere Stunden.

Besondere Anwendung findet bei Gebr. LÖCHER Glüherei GmbH insbesondere das "Homogenisieren" von Nicht-Eisen (NE)-Legierungen, wie zum Beispiel Aluminium-, Kupfer- und Messing-Werkstoffen. Die Homogenisierungstemperatur von Aluminium beträgt je nach Werkstoffzusammensetzung zwischen 480 und 530 C und bedarf bei NE-Legierungen eine sehr hohen Temperaturgleichmäßigkeit, die im Bereich von +/- 5 C liegt. Die Wärmeübertragung bei Niedertemperatur-Anwendungen sollte durch eine hohe Konvektion (Strömung), wie z. B. eine hohe Luftumwälzung in der Ofenkammer, erreicht werden.

Grobkornglühen

Ebenso wie das Weichglühen zielt der Prozess des Grobkornglühens (früher "Hochglühen" genannt) darauf ab, günstige Spannungseigenschaften zu erhalten. Das Verfahren eignet sich insbesondere bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, um durch die Grobkornbildung nach der Wärmebehandlung eine höhere bzw. geeignetere Oberflächengüte für eine mechanische Weiterbehandlung (z. B. Zerspanen) zu erreichen. Die Glühtemperaturen liegen in der Regel bei 930 bis 950 C für Einsatzstähle und bei weiteren untereutektoiden Stählen zwischen 950 und 970 C. Die Abkühlung muss bis zur Gamma-Alpha-Phasenumwandlung (Ar1-Linie) im Ofen durchgeführt werden. Ab ca. 680 C ist eine beschleunigte Abkühlung, möglichst im Luftstrom, empfohlen.

Rekristallisationsglühen

Durch das Rekristallisationsglühen wird ein infolge Kaltverformung entstandenes gerichtetes (Zwangs-) Gefüge ohne wesentliche Alpha-Gamma-Phasenumwandlung umgebildet, um die verlorengegangene Zähigkeit des Stahles wiederzugewinnen.

Oberhalb der für jeden Stahl spezifischen Rekristallisationstemperatur bildet sich nach vorausgegangener Verformung durch die eingebrachte Wärme das Kristallgitter neu. Für unlegierten Stahl sind Glühtemperaturen von 500 bis 650 C und für legierte bis hochlegierte Stähle 630 bis 750 C zu wählen. Die Haltezeiten beim Rekristallisationsglühen sind bei höher gewählten Temperaturen kürzer als beim Weichglühen. Eine Überschreitung der jeweiligen Ac1-Temperatur ist bei kohlenstoffarmen Stählen nicht zulässig. Die Abkühlung hat möglichst langsam zu erfolgen.

Vergüten

Unter Vergüten versteht man eine zweistufige Wärmebehandlung, die aus Härten und nachfolgendem Anlassen besteht, damit bei einer bestimmten Zugfestigkeit eine hohe Zähigkeit erhalten wird. Je nach Anforderung an den Werkstoff können durch Vergüten Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften in einem weiten Rahmen beeinflusst werden. Abhängig von dem beim Härten verwendeten Abschreckmedium spricht man auch von Wasser-, Öl- oder Luftvergütung. Letzteres wird bei der Gebr. LÖCHER Glüherei GmbH angewandt.

Beim Vergüten werden insbesondere Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,2 bis 0,6 % eingesetzt. Die Härtetemperaturen liegen dabei ca. 50 C oberhalb der Ac3-Linie, ca. bei 850 bis 950 C. Übereutektoide Stähle (C-Gehalt > 0,8 %) weisen hingegen eine wesentlich höhere Härte- oder auch Austenitisierungstemperatur auf. Sie beträgt ca. 950 C bis max. 1050 C. Entscheidend für die Wärmebehandlung beim Härten ist eine definierte und schnelle Abkühlung, auch "Abschreckung" genannt, in den Medien Wasser, Öl oder an Luft, um das martensitische Härtegefüge im Stahl zu erreichen.

Für manche Stähle ist eine Wasser- und Ölabschreckung aus den verschiedensten Gründen (Wärmespannungen, Härteverzug, Bauteilrisse, ect.) jedoch nicht sinnvoll und müssen deshalb langsamer, in diesem Falle an Luft abgekühlt werden. Insbesondere bei Stählen mit steigendem C-Gehalt (> 0,5 %) und zusätzlichen Legierungselementen wie Chrom und Nickel nimmt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit erheblich ab und bedarf daher lediglich eine moderate Luft-Abschreckung. Um die Sprödigkeit und Härtespannungen des gehärteten Stahles wieder weitestgehend zu beseitigen, werden die Stähle anschließend bei niedrigeren Temperaturen (300 bis 680 C) nach sehr individuellen Kriterien und Methodiken wieder "angelassen".