Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung wird in der Bearbeitung von Metallen genutzt, um eine Änderung der Eigenschaften und des Gefüges herbeizuführen. Vereinfacht gesagt steigert oder senkt man die Festigkeit des Metalles bis es die gewünschten Eigenschaften aufweist. Die verschiedenen Verfahren der Wärmebehandlung kommen in vielen Bereichen der Metallverarbeitung zum Einsatz. Für die moderne Industrie ist sie unverzichtbarer Bestandteil.

Definition

• DIN EN 10 052:

Nach der DIN EN 10 052 wird Wärmebehandlung wie folgt definiert: "ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen zu unterwerfen, um eine Änderung seiner Eigenschaften und/oder seines Gefüges herbeizuführen. Gegebenenfalls kann während der Behandlung die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs geändert werden"

Damit werden die zwei wesentlichen Merkmale beschrieben: die Temperaturabhängigkeit auf der einen Seite und die Zeitabhängigkeit (hauptsächlich die Abkühlzeit). Beide Parameter beeinflussen, ob die Festigkeit des Metalles erhöht oder vermindert wird.

Verfahren

Man unterscheidet die Wärmebehandlung in verschiedene Verfahren: Glühen, Härten, Anlassen und Vergüten:

Glühen

Beim Glühen werden Gitterfehler abgebaut und es wird eine Annäherung an den thermodynamischen Gleichgewichtszustand (GGZ) angestrebt. Der Werkstoff wird erwärmt und kühlt langsam ab. Durch das langsame Abkühlen kann der Kohlenstoff aus dem Gefüge heraus diffundieren. Durch die geringere Kohlenstoffkenzentration wird das Material weicher. Je nachdem welchem Verwendungszweck das Werkstück unterliegt können verschiedene Glühverfahren zum Einsatz kommen:

Zweiphasen-Diagramm verschiedener Glühverfahren (Eisen-Metalle)

• Normalglühen: Durch das Erwärmen und langsame Abkühlen werden gleichmäßige und feine Korngrößen im Ferrit-Perlit-Gefüge eingestellt. Verwendung findet das Normalglühen bei Gussteilen, Walzstahl, Schmiedeteilen und Schweiß-Randbereichen mit Großkorngrenzen.

• Wasserstoffarm-Glühen: durch das Diffundieren von Wasserstoff aus dem Bauteil wird eine Versprödung verhindert. Diese Methode kommt vor allem bei hartverchromten Werkzeugen, verzinkten Schrauben und geschweißten Bauteilen zum Einsatz.

• Spannungsarm-Glühen: Durch plastischen Fließen werden Eigenspannungen abgebaut, was zur Vermeidung von Verzug bei der weiteren Bearbeitung dienen soll. Als Fließen wird in der Metallographie der Prozess genannt, bei dem eine von außen wirkende Kraft größer ist als die innere Fließgrenze des Werkstoffes. Plastisches Fließen beschreibt diesen Prozess unter bleibender plastischer (bleibender) Verformung. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren vor allem bei dünnwandigen Bauteilen und Schweißkonstruktionen.

• Weichglühen: Beim Weichglühen wird die Härt auf einen ermittelten Wert gesenkt. Man nutz dies um eine verbesserte Kaltverformbarkeit bei Einsatz- und Vergütungsstählen zu erreichen oder die Zerspanbarkeit von Werkzeugstählen zu gewährleisten.

• Lösungsglühen: Durch das Lösen von Ausscheidungen im Gefüge wird das Mischkristallgefüge und damit die mechanischen Eigenschaften zum gewünschten Punkt beeinflusst. Vor allem für Austenitische und Duplex-Stähle findet diese Anwendung Verwendung.

• Rekristallisantionsglühen: Bei der Kaltverformung von Metall können vermehrt an den Bereichen der plastischen Verformung Gitterfehler auftreten. Diese sollten zur Wiederherstellung der mechanischen Eigenschaften und vor einer weiteren Umformung rekristallisiert werden. Somit sollten kaltgewalzte Bauteile, Tiefziehbleche und kaltgezogener Draht, je nach späterer Verwendung, geglüht werden.

• Grobkorn-Glühen: Zur besseren Spanbarkeit können Werkstoffe auf dahingehend mit Wärmebehandlung so eingestellt werden, dass sich die Korngrenzen vergrößern. Durch diese neue Struktur bricht der Span schneller und der Werkstoff lässt sich leichter Bearbeiten.

Härten

Voraussetzung für das Härten von Metallen ist eine bestimmte Eigenschaft des Stoffes: verschiedene Stoffphasen bei verschiedenen Temperaturen und Kohlenstoffgehalten. Bei Eisen-Metallen ist das α-Eisen, δ-Eisen und φ-Eisen. Beim Härten spricht man dabei von einer Austenitumwandlung in Martensit-Phasen. Beim Härten werden bewusst Fehler im Gitter erzeugt und eine Entfernung vom thermodynamischen GGZ erzeugt. Der Werkstoff wird dafür erwärmt und schnell abgekühlt, auch abschrecken genannt. Dabei ist es entscheidend, ob das Werkstück im Volumen oder nur in der Randschicht gehärtet wird:

Volumen-Härten

Beim Volumen-Härten wird das Werkstück tiefenwirksam gehärtet. Das bedeutet, dass man noch weit im Querschnitt des Materials Kohlenstoffeinlagerungen finden kann. Da das Material bei diesem Verfahren spröde wird und es sehr energieaufwendig ist, wird meistens nur die Randschicht gehärtet.

Randschicht-Härten

Nach der DIN 10052 umfasst das Randschichthärten Verfahren bei denen nur die Randschicht (bis 2 mm) eines Stoffes austenisiert wird. Diese sind:

• Flammhärten: Durch ein Sauerstoff-Gas-Gemisch wird die Randschicht bei dessen Verbrennung erwärmt und anschließend im Wasserbad abgeschreckt. Die Einhärttiefe ist dabei abhängig von der Temperatur der Flamme, dem Abstand zum Werkstück, der Vorschubgeschwindigkeit und der Wärmeleitfähigkeit des Stahles.

• Induktionshärten: Durch induzierte Ströme einer Hochfrequenzspule wird die Randschicht des Stahles erwärmt und anschließend im Wasserbad abgeschreckt. Die Einhärttiefe ist dabei abhängig von der Frequenz des Stromes (Skin-Effekt), wobei mit steigender Frequenz die Einhärttiefe abnimmt.

• Laserstrahl-Härten: Durch gezielte und gebündelte Laserstrahlen werden präzise einzelne Bereiche der Randschicht gehärtet. Dieses Verfahren wird oft benutzt, wenn nur bestimmte Bereiche gehärtet werden sollen

Anlassen

Beim Anlassen erhöht man die Zähigkeit gehärteter Bauteile. Dafür wird der Werkstoff auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur erwärmt und dann langsam abgekühlt. Durch die passende Wahl der Temperatur wird gewährleistet, dass nicht zu viel Kohlenstoff entweichen kann und nicht zu viele Gitterfehler abgebaut werden können.

Dabei sind in der Regel vier Temperaturbereiche von Bedeutung:

1. 80-200 °C
2. 200-320 °C
3. 320-520 °C
4. 450-550 °C

Je nach Anlass-Temperatur stellen sich verschiedene Phasen des Eisens ein. Durch die unterschiedlichen Anteile der Phasen veränderen sich auch die Eigenschaften des Eisens. Das Anlassen kommt oft bei Werkzeugstählen zum Einsatz, damit diese nicht so schnell brechen. Ein Schraubenschlüssel würde zum Beispiel ohne Anlassen nach wenigen Schrauben brechen, da er zu spröde wäre.

Vergüten

Das Vergüten stellt eine Kombination aus Härten und Anlassen dar. Dabei wird das Werkstück stark erwärmt, abgeschreckt und anschließend nochmal leicht erwärmt und abgekühlt.

Normen

Die wichtigsten Normen für die Wärmebehandlung von Stählen sind:

• DIN 17022-1 Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen; Verfahren der Wärmebehandlung; Härten, Bainitisieren, Anlassen, Vergüten von Bauteilen
• DIN EN 10052 Begriffe der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen
• DIN EN ISO 642 Stahl - Stirnabschreckversuch (Jominy-Versuch)
• DIN EN ISO 643 Stahl - Mikrophotographische Bestimmung der erkennbaren Korngröße

Forschung

Das Gebiet der Wärmebehandlung bietet noch viele Entdeckungen und Innovationen. So beschäftigen sich viele Institute, Lehrstühle und kommerzielle Forschungseinrichtungen mit neuen Methoden und Verfahren. Einige davon sind:

• Institut für Angewandte Materialien: Das IAM des Karlsruher Institutes für Technologie (KIT) beschäftigt sich mit der Wärmebehandlung unter verschiedenen Atmosphären. Das heißt, dass geforscht wird unter welchen atmosphärischen Drücken und in Umgebung welcher Wirkmedien sich die Wärmebehandlung beeinflussen lässt.

• Institut für Werkstoffe: Das Institut für Werkstoffe der Ruhr-Universität Bochum (RUB) forscht unter dem Schwerpunkt legierter Stähle. Zu der Weiter- und Neuentwicklung von legierten Stählen zählt auch die Möglichkeit der Vergütbarkeit.

• Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau: Das IWM der RWTH Aachen befasst sich mit der numerischen Simulation und thermodynamischen Modellierung von Wärmebehandlungsverfahren, sowie Neu- und Weiterentwicklung von legierten und Hartmetallen bzw. deren Vergütbarkeit.

Nachweise und Literatur

• Prof. Dr.-Ing. habil. Frank ‎Walther‎, TU Dortmund, Skript: Werkstofftechnik 3 SoSe19
• Jönsson, Rolf; Liedtke, Dieter: Grundlagen und Anwendungen für Eisenwerkstoffe; ISBN: 9783816913917
• Jönsson, Rolf; Liedtke, Dieter: Grundlagen und Anwendungen für Eisenwerkstoffe ; mit 92 Tabellen; ISBN: 9783816924173