Was ist Glühen und wie funktioniert es?

Glühen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das die physikalischen Eigenschaften eines Materials und manchmal auch seine chemischen Eigenschaften verändern kann, typischerweise durch Erhöhung der Duktilität und Verringerung der Härte, wodurch es leichter zu bearbeiten oder zu verarbeiten wird.

Überblick über das Glühen

Glühen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem ein Metall auf eine geeignete Temperatur erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend langsam (typischerweise im Ofen) auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das Wesentliche am Glühen ist die Erhitzung des Stahls zur vollständigen Austenitisierung, gefolgt von einem langsamen Abkühlprozess, der die perlitische Umwandlung begünstigt und zu einem nahezu im Gleichgewicht befindlichen Gefüge führt.

Funktion des Glühens

Das Glühen wird durchgeführt, um mehrere wichtige Ziele zu erreichen:

• Kornfeinung und Mikrostrukturhomogenisierung: Es verfeinert die Kornstruktur, homogenisiert die innere Mikrostruktur und reduziert die chemische Entmischung, wodurch das Material strukturell für nachfolgende Wärmebehandlungsprozesse vorbereitet wird.
• Spannungsarmglühen: Es beseitigt innere Restspannungen im Werkstück und verhindert so mögliche Risse oder übermäßige Verformungen, die durch diese Spannungen verursacht werden könnten.
• Härtereduzierung und Verbesserung der Plastizität: Es reduziert die Härte des Materials und erhöht seine Plastizität, was für die Verbesserung nachfolgender Kaltumformungs-, Kaltformungs- und Bearbeitungsvorgänge von entscheidender Bedeutung ist.

Der Glühprozess wird im Allgemeinen in 3 Hauptphasen unterteilt:

1. Erholungsphase: In der Erholungsphase wird ein Ofen oder eine andere Art von Heizgerät verwendet, um die Temperatur des Materials so weit zu erhöhen, dass seine inneren Spannungen abgebaut werden.
2. Rekristallisationsphase: In der Rekristallisationsphase wird das Material über seine Rekristallisationstemperatur erhitzt, jedoch unterhalb seiner Schmelztemperatur gehalten. Dadurch bilden sich neue, spannungsfreie Körner.
3. Kornwachstumsphase: Die neu gebildeten Körner entwickeln sich vollständig weiter. Dieses Wachstum wird durch eine gezielte Abkühlung des Materials gesteuert.

Die Durchführung von drei Stufen führt zu einer erhöhten Duktilität und verringerten Härte des Materials. Gelegentlich können nach dem Glühen weitere Prozesse folgen, um die mechanischen Eigenschaften des Materials weiter zu modifizieren.

Arten des Glühens

Glühverfahren werden im Allgemeinen anhand der Heiztemperatur im Verhältnis zu den kritischen Temperaturen (Ac1 oder Ac3) kategorisiert:

Phasenumwandlungs-Rekristallisationsglühen (oberhalb von Ac1 oder Ac3) umfasst vollständiges Glühen, Diffusionsglühen, unvollständiges Glühen und sphäroidisierendes Glühen.

Glühen unterhalb der kritischen Temperatur (unterhalb von Ac1 oder Ac3) umfasst Rekristallisationsglühen und Spannungsarmglühen.

Vollglühen

Das Verfahren beinhaltet das Erhitzen des Stahls auf 20–30 °C über die Ac3-Linie, das Halten für eine gewisse Zeit und das anschließende langsame Abkühlen (Ofenkühlung), um ein nahezu Gleichgewichtsgefüge zu erhalten (Erreichen einer vollständigen Austenitisierung).

• Anwendung: Hauptsächlich verwendet für untereutektoide Stähle (0.3 % bis 0.6 % Kohlenstoffgehalt), typischerweise mittelgekohlte Stähle und niedriggekohlte legierte Stahlgussteile, Schmiedeteile, warmgewalzte Profile und manchmal Schweißkonstruktionen.
• Ziel: Die Kornstruktur soll verfeinert, das Mikrogefüge homogenisiert, innere Spannungen abgebaut, die Härte reduziert und die Bearbeitbarkeit des Stahls verbessert werden. Das resultierende Gefüge in untereutektoidem Stahl besteht aus Ferrit und Perlit (F+P).
• Hinweis: Um die Produktivität in der Produktion zu steigern, werden die Teile oft aus dem Ofen genommen und an der Luft abgekühlt, sobald sie etwa 500°C erreicht haben.

Isothermisches Glühen

Vollständiges Glühen kann zeitaufwändig sein, insbesondere bei legierten Stählen mit relativ stabilem unterkühltem Austenit. Isothermes Glühen verkürzt die Glühzeit erheblich, indem der austenitisierte Stahl rasch auf eine Temperatur knapp unterhalb der Ar1-Temperatur abgekühlt, isotherm gehalten wird, um Austenit (A) in Perlit (P) umzuwandeln, und anschließend an der Luft auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Es eignet sich für Stähle mit stabilem Mikrogefüge, wie z. B. hochkohlenstoffhaltige Stähle (C > 0.6 %), legierte Werkzeugstähle und hochlegierte Stähle (Gesamtlegierungsgehalt > 10 %). Es trägt zu einem gleichmäßigen Mikrogefüge und gleichbleibenden Eigenschaften bei. Für Stahlbauteile mit großem Querschnitt oder große Ofenladungen ist es weniger geeignet, da es schwierig sein kann, eine gleichmäßige isotherme Temperaturverteilung innerhalb der Ladung zu erreichen.

Unvollständiges Glühen

Der Stahl wird auf eine Temperatur zwischen Ac1 und Ac3 (bei untereutektoidem Stahl) bzw. zwischen Ac1 und Acm (bei übereutektoidem Stahl) erhitzt, gehalten und dann langsam abgekühlt, um ein nahezu Gleichgewichtsgefüge zu erhalten.

Es wird bei übereutektoiden Stählen angewendet, um ein sphäroidisches Perlitgefüge zu erzielen. Dies trägt zum Abbau von inneren Spannungen bei, reduziert die Härte und verbessert die Bearbeitbarkeit. Das Kugelglühen ist eine Form des unvollständigen Glühens.

Sphäroidisierendes Glühen

Ein spezielles Wärmebehandlungsverfahren dient der Kugelbildung der Karbide im Stahl und führt zu einer körnigen Perlitstruktur (kugelförmige Karbide). Das Material wird auf 20–30 °C über Ac1 erhitzt, für eine geeignete Zeit (typischerweise 2–4 Stunden) gehalten und anschließend in der Regel langsam im Ofen abgekühlt oder isotherm für längere Zeit etwa 20 °C unterhalb Ar1 gehalten.

Es wird hauptsächlich für eutektoide und hypereutektoide Stähle verwendet, wie z. B. Kohlenstoff-Werkzeugstähle, legierte Werkzeugstähle und Wälzlagerstähle.

Das Gefüge von übereutektoidem Stahl nach dem Schmieden oder Walzen – lamellares Perlit mit Zementitnetzwerken – ist hart, spröde und schwer zu bearbeiten. CNC-Maschineund anfällig für Verformungen/Risse während der Endbearbeitung SchreckenDurch sphäroidisierendes Glühen entsteht sphäroidisches Perlit, bei dem die feinen, kugelförmigen Zementitpartikel in der Ferritmatrix verteilt sind. Dieses Gefüge weist eine geringere Härte und bessere Bearbeitbarkeit auf und verhindert entscheidend das Austenitkornwachstum beim anschließenden Abschrecken, wodurch die Neigung zu Verformung und Rissbildung reduziert wird.

Ist in übereutektoidem Stahl ein Zementitnetzwerk vorhanden, muss dieses durch Normalglühen beseitigt werden, bevor das Kugelglühen effektiv durchgeführt werden kann.

Diffusionsglühen

Dabei werden Blöcke, Gussstücke oder große Schmiedestücke auf eine hohe Temperatur, etwas unterhalb der Soliduslinie, erhitzt, über einen längeren Zeitraum gehalten und dann langsam abgekühlt, um chemische Ungleichmäßigkeiten (dendritische und regionale Entmischung) zu beseitigen.

Die Heiztemperatur ist sehr hoch und liegt typischerweise 100–200 °C über Ac3 oder Accm, abhängig vom Grad der Entmischung und der Stahlsorte. Die Haltezeit beträgt üblicherweise 10–15 Stunden.

Um die bei der Erstarrung der Blöcke entstehenden Entmischungen zu beseitigen, muss die chemische Zusammensetzung und das Mikrogefüge homogenisiert werden.

Nach dem Diffusionsglühen folgt üblicherweise eine Vollglühung oder Normalisierung, um das grobkörnige Gefüge zu verfeinern.

Es wird hauptsächlich bei hochlegierten Stählen und legierten Stahlgussteilen oder -blöcken mit starken Entmischungsproblemen eingesetzt.

Spannungsarmglühen

Beim Spannungsarmglühen wird das Stahlbauteil auf eine bestimmte Temperatur unterhalb der Ac1-Kritischen Linie (typischerweise 500–650 °C) erhitzt, bei dieser Temperatur gehalten (Haltezeit) und anschließend langsam abgekühlt (Ofenkühlung). Da die Temperatur beim Spannungsarmglühen unterhalb der Ac1-Kritischen Linie liegt, werden keine mikrostrukturellen Veränderungen hervorgerufen. Ziel ist es, Restspannungen im Bauteil abzubauen.

Rekristallisationsglühen

Durch Erhitzen eines kaltverformten Metalls auf eine Temperatur oberhalb seiner Rekristallisationstemperatur für eine geeignete Zeit wandeln sich die verformten Körner in gleichmäßige, gleichachsige Körner um, wodurch Kaltverfestigung und Eigenspannungen abgebaut werden.

Die Heiztemperatur sollte 100–200 °C über der niedrigsten Rekristallisationstemperatur (bei Stahl etwa 450 °C) liegen. Die minimale Rekristallisationstemperatur beträgt im Allgemeinen Tc = 0.4 * Tm (absolute Temperatur).

Überlegungen zur Wahl des Glühens

Die Auswahl des geeigneten Glühverfahrens erfolgt im Allgemeinen nach folgenden Grundsätzen:

• Bei Stählen mit hypoeutektoidem Gefüge wird im Allgemeinen eine vollständige Glühung gewählt. Um die Glühzeit zu verkürzen, kann auch eine isotherme Glühung durchgeführt werden.
• Für übereutektoiden Stahl wird üblicherweise eine Kugelglühung durchgeführt. Bei geringeren Anforderungen kann auch eine unvollständige Glühung erfolgen. Werkzeugstähle und Wälzlagerstähle werden häufig durch Kugelglühung behandelt. Diese Methode findet mitunter auch Anwendung bei kaltgepressten und kaltumgeformten Teilen aus niedrig- oder mittelgekohltem Stahl.
• Durch Rekristallisationsglühen kann die Kaltverfestigung beseitigt werden.
• Spannungsarmglühen kann eingesetzt werden, um durch verschiedene Fertigungsprozesse verursachte innere Spannungen abzubauen. Diffusionsglühen wird häufig für große Gussteile bestimmter hochlegierter Stähle gewählt, um die Ungleichmäßigkeit des Mikrogefüges und der chemischen Zusammensetzung zu verbessern.