Komplexe Wärmebehandlungspläne oder „Zyklen“ werden oft von Metallurgen entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften einer Legierung zu optimieren. In der Luft- und Raumfahrtindustrie kann eine Superlegierung fünf oder mehr verschiedene Wärmebehandlungen durchlaufen, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Dies kann zu Qualitätsproblemen führen, die von der Genauigkeit der Temperaturregelung und der Zeitschaltuhr des Ofens abhängen. Diese Verfahren lassen sich in der Regel in mehrere Grundtechniken unterteilen.
GlühenBearbeiten
Beim Glühen wird ein Metall auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann so schnell abgekühlt, dass ein feines Gefüge entsteht und die Bestandteile entweder ganz oder teilweise getrennt werden. Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist im Allgemeinen langsam. Das Glühen wird meist verwendet, um ein Metall für die Kaltbearbeitung weicher zu machen, die Bearbeitbarkeit zu verbessern oder Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
Bei Eisenlegierungen wird das Glühen in der Regel durch Erhitzen des Metalls über die obere kritische Temperatur hinaus und anschließendes sehr langsames Abkühlen erreicht, was zur Bildung von Perlit führt. Sowohl bei reinen Metallen als auch bei vielen Legierungen, die nicht wärmebehandelt werden können, wird das Glühen eingesetzt, um die durch die Kaltumformung verursachte Härte zu beseitigen. Das Metall wird auf eine Temperatur erwärmt, bei der eine Rekristallisation stattfinden kann, wodurch die durch die plastische Verformung entstandenen Defekte behoben werden. Bei diesen Metallen hat die Abkühlungsgeschwindigkeit in der Regel nur geringe Auswirkungen. Die meisten Nichteisenlegierungen, die wärmebehandelbar sind, werden auch geglüht, um die Härte der Kaltverformung zu verringern. Diese können langsam abgekühlt werden, um eine vollständige Ausscheidung der Bestandteile zu ermöglichen und ein feines Gefüge zu erzeugen.
Eisenlegierungen werden in der Regel entweder „vollständig geglüht“ oder „prozessgeglüht“. Beim Vollglühen sind sehr langsame Abkühlungsraten erforderlich, um groben Perlit zu bilden. Beim Prozessglühen kann die Abkühlungsgeschwindigkeit schneller sein, bis hin zum Normalglühen. Das Hauptziel des Prozessglühens ist die Herstellung eines einheitlichen Gefüges. Nichteisenlegierungen werden häufig einer Reihe von Glühverfahren unterzogen, darunter „Rekristallisationsglühen“, „Teilglühen“, „Vollglühen“ und „Schlussglühen“. Nicht alle Glühtechniken beinhalten eine Rekristallisation, wie z. B. das Spannungsarmglühen.
NormalisierenBearbeiten
Normalisieren ist eine Technik, die verwendet wird, um eine einheitliche Korngröße und Zusammensetzung (gleichachsige Kristalle) in einer Legierung zu erreichen. Der Begriff wird häufig für Eisenlegierungen verwendet, die austenitisiert und dann an der Luft abgekühlt wurden. Beim Normalisieren entsteht nicht nur Perlit, sondern auch Martensit und manchmal Bainit, wodurch der Stahl härter und fester wird, aber bei gleicher Zusammensetzung weniger dehnbar ist als beim Vollglühen.
Beim Normalisieren wird der Stahl auf etwa 40 Grad Celsius über seiner oberen kritischen Temperaturgrenze erwärmt, einige Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann an der Luft abgekühlt.
SpannungsarmglühenEdit
Spannungsarmglühen ist eine Technik zur Beseitigung oder Verringerung der im Metall entstandenen inneren Spannungen. Diese Spannungen können auf verschiedene Weise entstehen, von der Kaltverformung bis zur ungleichmäßigen Abkühlung. Das Spannungsarmglühen wird in der Regel durch Erhitzen eines Metalls unter die untere kritische Temperatur und anschließendes gleichmäßiges Abkühlen erreicht. Spannungsarmglühen wird häufig bei Gegenständen wie Lufttanks, Kesseln und anderen Druckbehältern eingesetzt, um alle während des Schweißvorgangs entstandenen Spannungen zu beseitigen.
AlternBearbeiten
Einige Metalle werden als ausscheidungshärtende Metalle eingestuft. Wenn eine ausscheidungshärtende Legierung abgeschreckt wird, werden ihre Legierungselemente in der Lösung eingeschlossen, was zu einem weichen Metall führt. Bei der Alterung eines „gelösten“ Metalls können die Legierungselemente durch das Gefüge diffundieren und intermetallische Partikel bilden. Diese intermetallischen Teilchen bilden Keime und fallen aus der Lösung heraus und wirken als Verstärkungsphase, wodurch die Festigkeit der Legierung erhöht wird. Legierungen können „natürlich“ altern, d. h. die Ausscheidungen bilden sich bei Raumtemperatur, oder sie können „künstlich“ altern, wenn sich die Ausscheidungen nur bei erhöhten Temperaturen bilden. Bei einigen Anwendungen können natürlich alternde Legierungen in einem Gefrierschrank gelagert werden, um ein Aushärten bis nach weiteren Arbeitsgängen zu verhindern – die Montage von Nieten zum Beispiel kann mit einem weicheren Teil einfacher sein.
Beispiele für ausscheidungshärtende Legierungen sind Aluminiumlegierungen der Serien 2000, 6000 und 7000 sowie einige Superlegierungen und einige nichtrostende Stähle. Stähle, die durch Aushärtung härten, werden typischerweise als martensitische Stähle bezeichnet, eine Kombination aus dem Begriff „Martensitaushärtung“.
AbschreckenBearbeiten
Abschrecken ist ein Verfahren zum schnellen Abkühlen eines Metalls. Dies geschieht meist, um eine Martensitumwandlung zu erzeugen. Bei Eisenlegierungen führt dies häufig zu einem härteren Metall, während Nichteisenlegierungen in der Regel weicher als normal werden.
Um durch Abschrecken zu härten, muss ein Metall (in der Regel Stahl oder Gusseisen) über die obere kritische Temperatur erhitzt und dann schnell abgekühlt werden. Je nach Legierung und anderen Erwägungen (z. B. maximale Härte vs. Rissbildung und Verformung) kann die Abkühlung mit Zwangsluft oder anderen Gasen (z. B. Stickstoff) erfolgen. Aufgrund ihrer besseren Wärmeleitfähigkeit können auch Flüssigkeiten wie Öl, Wasser, ein in Wasser gelöstes Polymer oder eine Salzlösung verwendet werden. Bei schneller Abkühlung wandelt sich ein Teil des Austenits (je nach Legierungszusammensetzung) in Martensit um, eine harte, spröde Kristallstruktur. Die abgeschreckte Härte eines Metalls hängt von seiner chemischen Zusammensetzung und dem Abschreckverfahren ab. Die Abkühlungsgeschwindigkeiten, von der schnellsten bis zur langsamsten, reichen von Sole, Polymeren (d. h. Mischungen aus Wasser und Glykolpolymeren), Süßwasser, Öl bis hin zu Zwangsluft. Ein zu schnelles Abschrecken bestimmter Stähle kann jedoch zu Rissen führen, weshalb hochfeste Stähle wie AISI 4140 in Öl abgeschreckt werden sollten, Werkzeugstähle wie ISO 1.2767 oder H13 Warmarbeitsstahl sollten in Druckluft abgeschreckt werden, und niedrig legierte oder mittelfeste Stähle wie XK1320 oder AISI 1040 sollten in Salzlake abgeschreckt werden.
Einige Beta-Titan-Basislegierungen haben auch ähnliche Tendenzen der Festigkeitssteigerung durch schnelles Abkühlen gezeigt. Die meisten Nichteisenmetalle wie Kupfer-, Aluminium- oder Nickellegierungen und einige hochlegierte Stähle wie austenitischer rostfreier Stahl (304, 316) haben jedoch einen gegenteiligen Effekt, wenn sie abgeschreckt werden: Sie werden weicher. Austenitische nichtrostende Stähle müssen abgeschreckt werden, um vollständig korrosionsbeständig zu werden, da sie stark kaltverfestigt sind.
AnlassenBearbeiten
Unvergüteter martensitischer Stahl ist zwar sehr hart, aber zu spröde, um für die meisten Anwendungen geeignet zu sein. Ein Verfahren zur Abhilfe dieses Problems wird als Anlassen bezeichnet. Die meisten Anwendungen erfordern, dass die abgeschreckten Teile angelassen werden. Beim Anlassen wird der Stahl unter die untere kritische Temperatur erwärmt (oft von 400˚F bis 1105˚F oder 205˚C bis 595˚C, je nach den gewünschten Ergebnissen), um eine gewisse Zähigkeit zu erreichen. Höhere Anlasstemperaturen (je nach Legierung und Anwendung bis zu 1.300˚F oder 700˚C) werden manchmal verwendet, um die Duktilität zu erhöhen, wobei allerdings ein Teil der Streckgrenze verloren geht.
Das Anlassen kann auch bei normalisierten Stählen durchgeführt werden. Andere Methoden des Anlassens bestehen aus dem Abschrecken auf eine bestimmte Temperatur, die über der Martensit-Starttemperatur liegt, und dem anschließenden Halten auf dieser Temperatur, bis sich reiner Bainit bilden kann oder innere Spannungen abgebaut werden können. Dazu gehören das Austemperieren und das Martensitanlassen.
AnlassfarbenBearbeiten
Stahl, der frisch geschliffen oder poliert wurde, bildet beim Erhitzen Oxidschichten. Bei einer ganz bestimmten Temperatur bildet das Eisenoxid eine Schicht mit einer ganz bestimmten Dicke, die eine Dünnschichtinterferenz verursacht. Dies führt dazu, dass auf der Stahloberfläche Farben erscheinen. Wenn die Temperatur erhöht wird, nimmt die Dicke der Eisenoxidschicht zu, wodurch sich die Farbe ändert. Diese Farben, die sogenannten Anlassfarben, werden seit Jahrhunderten verwendet, um die Temperatur des Metalls zu messen.
- 350˚F (176˚C), hellgelblich
- 400˚F (204˚C), hell-strohfarben
- 440˚F (226˚C), dunkel-strohfarben
- 500˚F (260˚C), braun
- 540˚F (282˚C), violett
- 590˚F (310˚C), tiefblau
- 640˚F (337˚C), hellblau
Die Anlassfarben können zur Beurteilung der endgültigen Eigenschaften des angelassenen Stahls verwendet werden. Sehr harte Werkzeuge werden oft im hellen bis dunklen Strohbereich angelassen, während Federn oft im blauen Bereich angelassen werden. Die Endhärte des angelassenen Stahls hängt jedoch von der Zusammensetzung des Stahls ab. Werkzeugstahl mit höherem Kohlenstoffgehalt bleibt nach dem Anlassen viel härter als Federstahl (mit etwas weniger Kohlenstoffgehalt), wenn er bei der gleichen Temperatur angelassen wird. Auch die Oxidschicht nimmt mit der Zeit an Dicke zu. Daher kann sich Stahl, der sehr lange bei 400˚F gehalten wurde, braun oder violett verfärben, auch wenn die Temperatur nie höher war als für die Erzeugung einer hellen Strohfarbe erforderlich. Weitere Faktoren, die das Endergebnis beeinflussen, sind Ölfilme auf der Oberfläche und die Art der verwendeten Wärmequelle.
Selektive WärmebehandlungBearbeiten
Viele Wärmebehandlungsmethoden sind entwickelt worden, um die Eigenschaften nur eines Teils eines Objekts zu verändern. Diese bestehen in der Regel entweder aus der Abkühlung verschiedener Bereiche einer Legierung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, durch schnelles Erhitzen in einem begrenzten Bereich und anschließendes Abschrecken, durch thermochemische Diffusion oder durch Anlassen verschiedener Bereiche eines Objekts bei unterschiedlichen Temperaturen, wie beim Differenzialhärten.
DifferenzialhärtenBearbeiten
Es gibt Verfahren, bei denen verschiedene Bereiche eines Objekts unterschiedlichen Wärmebehandlungen unterzogen werden. Dies wird als Differenzhärten bezeichnet. Es ist bei hochwertigen Messern und Schwertern üblich. Das chinesische Jian ist eines der frühesten bekannten Beispiele für diese Technik, und das japanische Katana ist wohl das bekannteste. Das nepalesische Khukuri ist ein weiteres Beispiel. Bei dieser Technik werden die Bereiche, die weich bleiben sollen, mit einer isolierenden Schicht, z. B. einer Tonschicht, bedeckt. Die zu härtenden Bereiche werden freigelegt, so dass nur bestimmte Teile des Stahls beim Abschrecken vollständig härten können.
FlammhärtenBearbeiten
Beim Flammhärten wird nur ein Teil des Metalls gehärtet. Im Gegensatz zum Differenzialhärten, bei dem das gesamte Stück erwärmt und dann mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgekühlt wird, wird beim Flammhärten nur ein Teil des Metalls vor dem Abschrecken erwärmt. Dies ist in der Regel einfacher als das Differenzialhärten, führt aber oft zu einer extrem spröden Zone zwischen dem erwärmten und dem nicht erwärmten Metall, da die Abkühlung am Rand dieser Wärmeeinflusszone extrem schnell erfolgt.
InduktionshärtenBearbeiten
Induktionshärten ist ein Oberflächenhärteverfahren, bei dem die Oberfläche des Metalls sehr schnell erwärmt wird, wobei ein berührungsloses Induktionsverfahren verwendet wird. Die Legierung wird dann abgeschreckt, wodurch eine Martensitumwandlung an der Oberfläche entsteht, während das darunterliegende Metall unverändert bleibt. Auf diese Weise entsteht eine sehr harte, verschleißfeste Oberfläche, während die richtige Zähigkeit im Hauptteil des Objekts erhalten bleibt. Kurbelwellenzapfen sind ein gutes Beispiel für eine induktiv gehärtete Oberfläche.
EinsatzhärtenBearbeiten
Das Einsatzhärten ist ein thermochemischer Diffusionsprozess, bei dem ein Legierungselement, meist Kohlenstoff oder Stickstoff, in die Oberfläche eines monolithischen Metalls diffundiert. Der entstehende interstitielle Mischkristall ist härter als der Grundwerkstoff, was die Verschleißfestigkeit verbessert, ohne die Zähigkeit zu beeinträchtigen.
Die Laseroberflächentechnik ist eine Oberflächenbehandlung mit hoher Vielseitigkeit, Selektivität und neuartigen Eigenschaften. Da die Abkühlungsrate bei der Laserbehandlung sehr hoch ist, kann mit dieser Methode metastabiles, sogar metallisches Glas erhalten werden.
Kalt- und TieftemperaturbehandlungBearbeiten
Obwohl das Abschrecken von Stahl eine Umwandlung des Austenits in Martensit bewirkt, wandelt sich normalerweise nicht der gesamte Austenit um. Einige Austenitkristalle bleiben auch nach dem Abschrecken unterhalb der Martensit-Endtemperatur (Mf) unverändert. Eine weitere Umwandlung des Austenits in Martensit kann durch langsames Abkühlen des Metalls auf extrem niedrige Temperaturen eingeleitet werden. Bei der Kältebehandlung wird der Stahl im Allgemeinen auf etwa -115˚F (-81˚C) abgekühlt, wobei jedoch nicht der gesamte Austenit entfernt wird. Die Kryobehandlung besteht in der Regel aus einer Abkühlung auf sehr viel niedrigere Temperaturen, oft im Bereich von -192˚C (-315˚F), um den größten Teil des Austenits in Martensit umzuwandeln.
Kalt- und Kryobehandlungen werden in der Regel unmittelbar nach dem Abschrecken und vor dem Anlassen durchgeführt und erhöhen die Härte, die Verschleißfestigkeit und verringern die inneren Spannungen im Metall; da es sich jedoch um eine Erweiterung des Abschreckvorgangs handelt, kann sich die Gefahr der Rissbildung während des Verfahrens erhöhen. Das Verfahren wird häufig für Werkzeuge, Lager oder andere Teile verwendet, die eine hohe Verschleißfestigkeit erfordern. Es ist jedoch in der Regel nur bei hochkohlenstoffhaltigen oder hochlegierten Stählen wirksam, bei denen nach dem Abschrecken mehr als 10 % Austenit verbleiben.
EntkohlungBearbeiten
Das Erhitzen von Stahl wird manchmal als Methode zur Veränderung des Kohlenstoffgehalts verwendet. Wenn Stahl in einer oxidierenden Umgebung erhitzt wird, verbindet sich der Sauerstoff mit dem Eisen und bildet eine Eisenoxidschicht, die den Stahl vor Entkohlung schützt. Wenn der Stahl jedoch zu Austenit wird, verbindet sich der Sauerstoff mit dem Eisen zu einer Schlacke, die keinen Schutz vor Entkohlung bietet. Durch die Bildung von Schlacke und Zunder wird die Entkohlung sogar noch verstärkt, denn das Eisenoxid hält den Sauerstoff in Kontakt mit der Entkohlungszone, selbst wenn der Stahl in eine sauerstofffreie Umgebung, wie z. B. die Kohlen einer Schmiede, gebracht wird. So beginnen die Kohlenstoffatome, sich mit dem umgebenden Zunder und der Schlacke zu verbinden, um Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu bilden, die in die Luft freigesetzt werden.
Stahl enthält einen relativ geringen Prozentsatz an Kohlenstoff, der innerhalb des Gamma-Eisens frei wandern kann. Wenn austenitisierter Stahl über längere Zeit der Luft ausgesetzt wird, kann der Kohlenstoffgehalt im Stahl gesenkt werden. Dies ist das Gegenteil von dem, was passiert, wenn Stahl in einer reduzierenden Umgebung erhitzt wird, in der der Kohlenstoff langsam weiter in das Metall diffundiert. In einer oxidierenden Umgebung kann der Kohlenstoff leicht nach außen diffundieren, so dass austenitisierter Stahl sehr anfällig für Entkohlung ist. Dies wird häufig für Stahlguss verwendet, wenn ein hoher Kohlenstoffgehalt für das Gießen erforderlich ist, aber ein niedrigerer Kohlenstoffgehalt im Endprodukt gewünscht wird. Es wird oft bei Gusseisen verwendet, um formbares Gusseisen zu erzeugen, in einem Verfahren, das „weißes Anlassen“ genannt wird. Diese Tendenz zur Entkohlung ist oft ein Problem bei anderen Arbeitsgängen, z. B. beim Schmieden, wo es wünschenswert ist, den Stahl so kurz wie möglich zu entkohlen, um eine zu starke Entkohlung zu verhindern.