4 Arten der Wärmebehandlung von Stahl

Die Wärmebehandlung von Stahl ist ein Verfahren, bei dem Stahl im festen Zustand erhitzt, gehalten und abgekühlt wird, um sein inneres Gefüge zu verändern und die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Durch Wärmebehandlung lassen sich Defekte in Rohlingen wie Guss- und Schmiedeteilen beseitigen, die Verarbeitungseigenschaften des Stahls wie Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit verbessern sowie die mechanischen Eigenschaften optimieren. Indem das Potenzial des Stahls ausgeschöpft wird, trägt die Wärmebehandlung dazu bei, Produktionskosten zu senken, die Leistungsfähigkeit von Bauteilen zu verbessern und die Produktlebensdauer zu verlängern.

I. Abschrecken

Das Abschrecken von Stahl ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Stahl auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur Ac3 für untereutektoiden Stahl bzw. Ac1 für übereutektoiden Stahl erhitzt, für eine gewisse Zeit gehalten wird, um eine vollständige oder teilweise Austenitisierung zu erreichen, und dann mit einer Geschwindigkeit, die größer als die kritische Abkühlgeschwindigkeit ist, schnell unter die Ms-Temperatur abgekühlt oder isotherm nahe Ms gehalten wird, um die Martensit-Umwandlung zu fördern.

Der Begriff Abschrecken wird häufig auch für die Lösungsglühung oder jede Wärmebehandlung verwendet, bei der eine schnelle Abkühlung anderer Werkstoffe, wie z. B. Aluminiumlegierungen , Kupferlegierungen und Titanlegierungen, stattfindet.

Zweck des Abschreckens

• Die mechanischen Eigenschaften von Halbzeugen oder Teilen aus Metall werden verbessert. Beispielsweise lassen sich die Härte und Verschleißfestigkeit von Werkzeugen und Lagern erhöhen, die Elastizitätsgrenze von Federn verbessern und die mechanischen Eigenschaften von Wellenkomponenten insgesamt steigern.
• Die Material- oder chemischen Eigenschaften bestimmter Spezialstähle verbessern. Beispiele hierfür sind die Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl oder zur Verbesserung des Permanentmagnetismus von magnetischem Stahl.

Beim Abschrecken muss neben der Auswahl eines geeigneten Abschreckmediums auch das richtige Abschreckverfahren angewendet werden. Gängige Abschreckverfahren sind: Einbadabschrecken, Zweibadabschrecken, Marquenching, Bainithärten und lokales Abschrecken.

Eigenschaften von Stahl nach dem Abschrecken

• Die Bildung instabiler oder nicht im Gleichgewicht befindlicher Mikrostrukturen wie Martensit, Bainit und Restaustenit.
• Das Vorhandensein hoher innerer Spannungen oder Eigenspannungen.
• Die resultierenden mechanischen Eigenschaften sind in der Regel für den Einsatz unzureichend. Daher müssen Stahlwerkstücke nach dem Abschrecken im Allgemeinen nachträglich angelassen werden.

II. Härten

Anlassen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem ein abgeschrecktes Metallprodukt oder -teil auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, für eine gewisse Zeit gehalten und anschließend kontrolliert abgekühlt wird. Das Anlassen erfolgt unmittelbar nach dem Abschrecken und ist üblicherweise der letzte Schritt der Wärmebehandlung. Der kombinierte Prozess des Abschreckens und Anlassens wird oft als Endbehandlung oder Härte- und Anlassverfahren bezeichnet.

Zweck des Härtens

• Innere Spannungen reduzieren und Sprödigkeit verringern. Abgeschreckte Teile weisen hohe Spannungen und Sprödigkeit auf und neigen ohne rechtzeitiges Anlassen zu Verformungen oder sogar Rissen.
• Die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks werden angepasst. Nach dem Abschrecken weist ein Bauteil eine hohe Härte und Sprödigkeit auf. Durch Anlassen wird die Kombination aus Härte, Festigkeit, Duktilität (Plastizität) und Zähigkeit so eingestellt, dass die unterschiedlichen Leistungsanforderungen verschiedener Bauteile erfüllt werden.
• Die Werkstückabmessungen werden stabilisiert. Durch das Anlassen wird die Mikrostruktur stabilisiert, wodurch sichergestellt wird, dass es bei der weiteren Verwendung zu keinen Maßänderungen kommt.
• Verbesserung der Bearbeitbarkeit bestimmter legierter Stähle.
• Verbesserung der mikrostrukturellen Stabilität, wodurch mikrostrukturelle Veränderungen während der Lebensdauer des Werkstücks verhindert und somit eine stabile Geometrie und Leistungsfähigkeit erhalten bleiben.
• Durch die Beseitigung innerer Spannungen wird die Gebrauchsleistung verbessert und die Geometrie des Bauteils stabilisiert.
• Die mechanischen Eigenschaften des Stahls werden so angepasst, dass sie den Anforderungen im Einsatz gerecht werden.

Diese Effekte treten auf, weil höhere Temperaturen die atomare Beweglichkeit erhöhen und somit die Diffusion von Eisen-, Kohlenstoff- und anderen Legierungselementen beschleunigen. Dies erleichtert die Umlagerung und Rekombination von Atomen und wandelt die instabile, nicht im Gleichgewicht befindliche Mikrostruktur allmählich in eine stabile, im Gleichgewicht befindliche um. Der Abbau innerer Spannungen steht außerdem im Zusammenhang mit der Abnahme der Metallfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.

Im Allgemeinen führt das Anlassen von Stahl zu einer Abnahme der Härte und Festigkeit sowie zu einer Zunahme der Duktilität. Je höher die Anlasstemperatur, desto größer die Veränderung dieser mechanischen Eigenschaften. Bei einigen hochlegierten Stählen kommt es jedoch beim Anlassen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs zur Ausscheidung feiner metallischer Verbindungen, was eine Erhöhung der Festigkeit und Härte bewirkt. Dieses Phänomen wird als Sekundärhärtung bezeichnet.

Anforderungen an das Anlassen: Werkstücke mit unterschiedlichen Anwendungsbereichen müssen bei unterschiedlichen Temperaturen angelassen werden, um den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden.

• Niedrigtemperaturvergütung (150–250 °C): Sie wird für Werkzeuge, Lager, einsatzgehärtete und abgeschreckte Teile sowie oberflächengehärtete Teile angewendet. Durch die Niedrigtemperaturvergütung ändert sich die Härte nur geringfügig, die inneren Spannungen werden reduziert und die Zähigkeit leicht erhöht.
• Anlassen bei mittleren Temperaturen (350-500°C): Dieses Verfahren wird bei Federn angewendet, um eine hohe Elastizität und die notwendige Zähigkeit zu erreichen.
• Hochtemperaturvergütung (500-600°C): Sie wird bei Teilen aus mittelgekohltem Baustahl angewendet, um eine günstige Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit zu erzielen.

Beim Anlassen von Stahl um 300 °C nimmt seine Sprödigkeit häufig zu. Dieses Phänomen wird als Anlasssprödigkeit Typ I bezeichnet. Anlassen in diesem Temperaturbereich sollte generell vermieden werden. Auch einige mittelgekohlte Baustähle neigen dazu, spröde zu werden, wenn sie nach dem Anlassen bei hohen Temperaturen langsam auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Dies wird ebenfalls als Anlasssprödigkeit Typ I bezeichnet.

Durch die Zugabe von Molybdän zum Stahl oder durch schnelles Abkühlen in Öl oder Wasser während des Anlassens lässt sich Anlasssprödigkeit Typ II verhindern. Das Wiedererhitzen von Stahl, der zu Anlasssprödigkeit Typ II neigt, auf die ursprüngliche hohe Anlasstemperatur kann diese Sprödigkeit beseitigen.

In der Fertigung wird das Anlassen häufig anhand der Erhitzungstemperatur und den geforderten Eigenschaften kategorisiert:

• Niedrigtemperaturvergütung (150–250 °C): Das Gefüge besteht aus vergütetem Martensit. Dadurch werden innere Spannungen und Sprödigkeit reduziert, Duktilität und Zähigkeit verbessert, während Härte und Verschleißfestigkeit erhalten bleiben. Anwendungsgebiete sind Messgeräte, Schneidwerkzeuge und Wälzlager.
• Anlassen bei mittleren Temperaturen (350–500 °C): Das Gefüge ist troostitisch. Erreicht hohe Elastizität bei gleichzeitig gewisser Duktilität und Härte. Verwendung findet sich bei Federn und Schmiedegesenken.
• Hochtemperaturvergütung (500–650 °C): Das Gefüge besteht aus Sorbit. Erzielt hervorragende mechanische Eigenschaften. Anwendung: Zahnräder und Kurbelwellen.

Die Kombination aus Abschrecken und anschließendem Anlassen bei hoher Temperatur wird als Abschrecken und Anlassen bezeichnet und führt zu hoher Festigkeit in Verbindung mit guter Duktilität und Zähigkeit.

III. Normalisierung

Normalglühen ist eine Wärmebehandlung zur Verbesserung der Zähigkeit von Stahl. Dabei wird ein Stahlbauteil auf eine Temperatur von 30 bis 50 °C über der Ac3-Temperatur erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend außerhalb des Ofens an ruhender Luft abgekühlt. Charakteristisch ist die schnellere Abkühlgeschwindigkeit im Vergleich zum Glühen, aber langsamer als beim Abschrecken. Durch diese etwas schnellere Abkühlung wird das Stahlgefüge verfeinert. Dies führt nicht nur zu einer zufriedenstellenden Festigkeit, sondern verbessert auch die Zähigkeit (gemessen am AKV-Wert) deutlich und reduziert die Rissanfälligkeit des Bauteils. Die mechanischen Eigenschaften einiger niedriglegierter warmgewalzter Stahlbleche, niedriglegierter Stahlschmiedestücke und Gussteile lassen sich durch Normalglühen erheblich verbessern, und auch ihre Bearbeitbarkeit wird gesteigert.

Anwendungen der Normalisierung

Untereutektoider Stahl: Normalglühen dient dazu, grobe, überhitzte Kornstrukturen und Widmanstätten-Gefüge in Guss-, Schmiede- und Schweißteilen zu beseitigen sowie Bänderbildung in Walzprodukten zu entfernen. Es verfeinert das Korn und kann als Vorwärmebehandlung vor dem Abschrecken eingesetzt werden.

Hypereutektoider Stahl: Durch Normalisieren kann das Netzwerk oder der Korngrenzenfilm aus sekundärem Zementit beseitigt und das Perlit verfeinert werden, was nicht nur die mechanischen Eigenschaften verbessert, sondern auch das nachfolgende Kugelglühen erleichtert.

Niedriggekohlter Stahl: Durch Normalglühen entsteht ein höherer Anteil an feinem Lamellenperlit, wodurch die Härte auf HB 140–190 steigt. Dies verhindert das Festkleben beim Schneiden und verbessert die Bearbeitbarkeit. Bei mittelgekohltem Stahl ist Normalglühen oft wirtschaftlicher und praktischer, wenn sowohl Normalglühen als auch Weichglühen möglich sind.

Mittelkohlenstoffhaltiger Baustahl: Bei geringen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften kann Normalglühen das Abschrecken und Anlassen bei hohen Temperaturen ersetzen. Dies vereinfacht den Prozess und stabilisiert das Mikrogefüge und die Abmessungen des Stahls.

Hochtemperaturnormalisieren (150 bis 200 °C über Ac3): Aufgrund der hohen Diffusionsrate bei erhöhten Temperaturen kann dieses Verfahren die Entmischung von Guss- und Schmiedeteilen reduzieren. Das durch das Hochtemperaturnormalisieren entstehende grobe Korn kann durch einen nachfolgenden zweiten Normalisierungsschritt bei niedrigerer Temperatur verfeinert werden.

Bei bestimmten niedrig- und mittelgekohlten legierten Stählen, die in Dampfturbinen und Kesseln verwendet werden, wird häufig Normalglühen eingesetzt, um ein bainitisches Gefüge zu erzielen, gefolgt von einem Hochtemperaturanlassen, das eine gute Kriechfestigkeit bei 400 bis 550°C gewährleistet.

Neben Stahlbauteilen und -werkstoffen wird das Normalisieren auch bei der Wärmebehandlung von duktilem (kugelförmigem) Gusseisen häufig eingesetzt, um eine perlitische Matrix zu erhalten und dadurch dessen Festigkeit zu erhöhen.

Da die Luftkühlung charakteristisch für das Normalglühen ist, beeinflussen die Umgebungslufttemperatur, die Stapelmethode, der Luftstrom und die Werkstückgröße das resultierende Mikrogefüge und die Eigenschaften. Das normalisierte Mikrogefüge kann auch zur Klassifizierung von legierten Stählen herangezogen werden. Legierte Stähle werden typischerweise anhand des Mikrogefüges, das beim Erhitzen einer Probe mit 25 mm Durchmesser auf 900 °C und anschließender Luftkühlung entsteht, in perlitische, bainitische, martensitische und austenitische Stähle eingeteilt.

IV. Glühen

Glühen ist ein Wärmebehandlungsverfahren für Metalle, bei dem das Metall langsam auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, ausreichend lange auf dieser Temperatur gehalten und anschließend mit einer geeigneten Geschwindigkeit abgekühlt wird. Man unterscheidet zwischen Vollglühen, Teilglühen und Spannungsarmglühen. Die mechanischen Eigenschaften geglühter Werkstoffe lassen sich mittels Zugversuchen oder Härteprüfungen ermitteln. Viele Stähle werden im geglühten Zustand geliefert. Zur Härteprüfung von Stahl kann das Rockwell-Härteprüfgerät verwendet werden. Bei dünneren Blechen, Bändern und dünnwandigen Rohren eignet sich das Oberflächenhärteprüfgerät nach Rockwell.

Zweck des Glühens

• Durch die Verbesserung oder Beseitigung verschiedener mikrostruktureller Defekte und Eigenspannungen, die durch Gießen, Schmieden, Walzen und Schweißen entstehen, wird eine Verformung und Rissbildung des Werkstücks verhindert.
• Das Werkstück für leichteres Erwärmen weicher machen Bearbeitung.
• Durch Verfeinerung der Kornstruktur und Verbesserung der Mikrostruktur werden die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks optimiert.
• Bereiten Sie das Mikrogefüge für die abschließende Wärmebehandlung vor.

Gängige Glühverfahren

Vollglühen oder Homogenisierendes Glühen: Dieses Verfahren dient der Verfeinerung des groben, überhitzten Gefüges mit schlechten mechanischen Eigenschaften, das beim Gießen, Schmieden und Schweißen von mittel- und niedriggekohlten Stählen entsteht. Das Werkstück wird auf 30 bis 50 °C über die Temperatur erhitzt, bei der sich das gesamte Ferrit in Austenit umwandelt, eine Zeit lang auf dieser Temperatur gehalten und anschließend langsam im Ofen abgekühlt. Während der Abkühlung wandelt sich der Austenit erneut um, wodurch ein verfeinertes Stahlgefüge entsteht.

Kugelglühen: Dieses Verfahren dient der Reduzierung der hohen Härte von Werkzeug- und Wälzlagerstählen nach dem Schmieden. Das Werkstück wird auf 20 bis 40 °C über die Austenitisierungstemperatur erhitzt, gehalten und anschließend langsam abgekühlt. Beim Abkühlen wandelt sich der lamellare Zementit im Perlit in kugelförmige Partikel um, wodurch die Härte verringert wird.

Isothermes Glühen: Dieses Verfahren dient der Reduzierung der hohen Härte bestimmter hochlegierter Nickel- und Chromstähle für die maschinelle Bearbeitung. Die Werkstücke werden typischerweise relativ schnell auf die Temperatur abgekühlt, bei der Austenit am instabilsten ist, dort für eine geeignete Zeit gehalten, und anschließend wandelt sich der Austenit in Troostit oder Sorbit um, wodurch die Härte abnimmt.

Rekristallisationsglühen: Es dient dazu, die durch Kaltziehen und Kaltwalzen verursachte Kaltverfestigung (erhöhte Härte, verringerte Duktilität) von Metalldrähten und -blechen zu beseitigen. Die Glühtemperatur liegt üblicherweise 50 bis 150 °C unterhalb der Austenitisierungstemperatur von Stahl. Dieser Bereich ist notwendig, um die Kaltverfestigung zu beseitigen und das Metall zu erweichen.

Graphitglühen: Dieses Verfahren dient dazu, zementitreiches Gusseisen in duktiles oder formbares Gusseisen mit guter Plastizität umzuwandeln. Dabei wird das Gussteil auf etwa 950 °C erhitzt, eine bestimmte Zeit lang bei dieser Temperatur gehalten und anschließend entsprechend abgekühlt. Dies führt zur Zersetzung des Zementits und zur Bildung von flockigem Graphit.

Diffusionsglühen oder Homogenisieren: Dieses Verfahren dient der Homogenisierung der chemischen Zusammensetzung von Legierungsgussteilen und der Verbesserung ihrer Gebrauchseigenschaften. Dabei wird das Gussteil auf die höchstmögliche Temperatur erhitzt, ohne dass es schmilzt, und über einen längeren Zeitraum gehalten. Dies ermöglicht es den verschiedenen Elementen der Legierung, sich gleichmäßig zu verteilen, bevor das Gussteil langsam abgekühlt wird.

Spannungsarmglühen: Es dient dem Abbau von Eigenspannungen in Stahlgussteilen und Schweißkonstruktionen. Bei Stahlprodukten werden die Eigenspannungen durch Erhitzen auf 100 bis 200 °C unterhalb der Austenitisierungstemperatur, Halten dieser Temperatur und anschließendes Abkühlen an der Luft beseitigt.