Wärmebehandlungen von Stahl: Verfahren und Techniken

Wärmebehandlungen in der Metallurgie

Wärmebehandlungen sind metallurgische Prozesse, bei denen kristalline Strukturen durch gesteuertes Erhitzen und Kühlen gezielt verändert oder aufbereitet werden. Dabei müssen Temperaturen und Zeiten streng eingehalten werden.

Das Glühen und seine Verfahren

Glühen besteht aus dem Erhitzen des Metalls auf Temperaturen oberhalb des kritischen Punktes mit anschließender langsamer Abkühlung. Dies beseitigt innere Spannungen und regeneriert die Struktur (beides kann durch eine vorherige fehlerhafte Kühlung entstanden sein). Das Material wird dadurch extrem weich und dehnbar. Es gibt verschiedene Arten des Glühens:

Regeneration oder vollständige Austenitisierung

Durch langsames, gleichmäßiges Erwärmen wird der Stahl in das Austenit-Gebiet gebracht. Dort verbleibt er auf dieser Temperatur, bis die gesamte Struktur aus Austenit besteht. Dieses Glühen wird durchgeführt, um die Stahlstruktur zu erweichen und zu vereinheitlichen.

Unterkritisches Glühen

Dieses Verfahren wird angewendet, um interne Spannungen abzubauen und die Verformbarkeit zu erhöhen. Dabei wird der Stahl auf Temperaturen knapp unterhalb seines kritischen Punktes erhitzt. Wir unterscheiden drei Arten:

• 1) Enthärtung: Um die besten Voraussetzungen für die mechanische Bearbeitung von Stahl zu schaffen.
• 2) Gegen Kaltverfestigung (Sprödigkeit): Um die Verformbarkeit des Stahls für die weitere Verarbeitung zu erhöhen.
• 3) Kugelglühen (Kugelsternhaufen): Es wird verwendet, um die Härte des Stahls durch eine globulare (kugelige) Struktur zu verringern.

Kugelige oder unvollständige Austenitisierung

Hierbei wird der Stahl auf eine mittlere Temperatur zwischen dem oberen und unteren kritischen Punkt erhitzt, um eine kugelige Zementit-Struktur zu erreichen, die dieses Glühverfahren charakterisiert.

Doppel-Glühen

Hierbei folgt auf ein vollständiges Austenitisierungsglühen ein unterkritisches Glühen, ohne dass das Metall dazwischen vollständig abkühlt. Der Zweck ist das Erreichen sehr geringer Härtewerte.

Normalglühen (Standard)

Diese Wärmebehandlung ähnelt dem vollständigen Austenitisierungsglühen. Der Unterschied liegt darin, dass die Abkühlgeschwindigkeit etwas höher ist als die Heiztemperatur.

Das Härten (Temple)

Für ein ordnungsgemäßes Härten (Temple) sollte die gesamte Masse in die austenitische Struktur überführt werden. Dazu wird der Stahl gleichmäßig erhitzt, wobei die inneren Spannungen streng kontrolliert werden. Anschließend erfolgt eine Abkühlung bei unterschiedlichen Temperaturen, wodurch verschiedene Strukturen entstehen: Sorbit, Troostit und Martensit.

Einflussfaktoren auf das Härten

1. Stahltyp: Er bestimmt die ideale Abkühlgeschwindigkeit, die in der Regel mit zunehmendem Legierungsanteil sinkt.
2. Zustand der Struktur: Die Korngröße beeinflusst die kritische Abkühlgeschwindigkeit; je größer das Korn, desto niedriger die kritische Geschwindigkeit.
3. Wärmeleitfähigkeit und Bauteilgröße: Die Kühlung erfolgt in der Tiefe mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was die Gleichmäßigkeit der Härtung begrenzt.

Kühlmittel zum Härten

Die Untersuchung der Abkühlung führt zur Unterscheidung von drei Phasen:

• Zeitraum der Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Strahlung der Gasmasse (Dampf), abhängig von der Wärmeleitfähigkeit.
• Kühldampf-Transport, der von der Viskosität und dem Rühren des Bades abhängt.
• Kühlung durch Wärmeleitung und Konvektion in der Flüssigkeit sowie deren Wärmeleitfähigkeit.

Beachtung bei Kühlmitteln:

• Wasser: Wegen des niedrigen Siedepunkts verlängert sich die erste Phase, was die Verarbeitungsgeschwindigkeit beeinflusst.
• Öl: Wichtig sind der Verflüchtigungs- sowie der Entzündungs- und Verbrennungspunkt (Vermeidung von Badbränden).
• Quecksilber: Der Einsatz ist aufgrund hoher Kosten sehr begrenzt und nur bei Spezialteilen für extreme Härte gerechtfertigt.
• Blei und basische Salze: Die Temperatur fördert den Strukturwandel im Bad bei konstanter Temperatur (isothermer Prozess) und verbessert so die Qualität des Stahls.

Spezielle Wärmebehandlungsverfahren

Patentierung

Wird beim Drahtziehen (Trefilado) für hochfeste Drähte mit Sorbit-Struktur verwendet. Es ist ein isothermes Glühen, bei dem der Draht austenitisiert und dann in einem Bad abgekühlt wird, um eine feinkörnige Struktur zu erhalten.

Bainitisieren (Zwischenstufenvergüten)

Erhitzen des Stahls auf Austenitisierungstemperatur und anschließendes Abkühlen in einer Salzschmelze, bis er in Bainit umgewandelt wird. Diese Struktur bietet höhere Festigkeit, Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verformung.

Warmbadhärten

Diese Behandlung dient dazu, interne Spannungsrisse zu vermeiden und die Bearbeitbarkeit vor der endgültigen Umwandlung zu erhalten.

Anlassen (Härtegrad)

Dies ist ein unterkritisches Glühen, das nach dem Härten durchgeführt wird. Zweck ist der Abbau von Spannungen sowie die Verbesserung der Duktilität und Zähigkeit des Martensits. Die Ergebnisse hängen von der Temperatur und Dauer der Behandlung ab.

Behandlungen mit wechselnder Zusammensetzung

Diese thermochemischen Behandlungen werden häufig für Maschinenteile verwendet, die gleichzeitig Zähigkeit und Härte erfordern. Die Zähigkeit wird durch Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt erreicht, während Oberflächenhärte durch Legierungen erzielt wird.

• Zementieren (Aufkohlen): Erhöhung des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche durch hohe Temperaturen in Kontakt mit Brennstoffen (fest, gasförmig oder flüssig).
• Carbonitrieren: Gleichzeitige Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff. Stickstoff senkt die kritische Geschwindigkeit und verbessert die Martensitbildung.
• Sulfinieren (Sulfinización): Verbessert die Verschleißfestigkeit der Oberflächen ohne Erhöhung der Härte durch Schwefel aus Salzmischungen.