Glühverfahren

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Definition des Glühens

Hoch- und Durchwärmen auf eine Temperatur, Halten und nachfolgendes Abkühlen zum Erzielen einer bestimmten Gefügeausbildung oder vermindern vorhandener Spannungen.[1] [2]
Das nachfolgende Glühschaubild zeigt die Temperaturlagen der verschiedenen Glühprozesse bei Stahl im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Grundlegenden Glüharten Glühtemperaturbereiche für Stahl- und Eisenwerkstoffe [3]
  • Glühen
  • Diffusionsglühen
  • Grobkornglühen
  • Spannungsarmglühen
  • Rekristallisationsglühen
  • Perlitglühen
  • Weichglühen
  • Normalglühen
  • Lösungsglühen
  • Bearbeitungsglühen
  • Ferritisierungsglühen
  • Zähglühen
  • Tempern
    • auf weißen Temperguß
    • auf schwarzen Temperguß
Glühen-1.jpg

Diffusionsglühen

Das Diffusionsglühen oder Homogenisieren ist ein Wärmebehandlungsprozeß, der darauf hinzielt, Konzentrationsunterschiede im Werkstück bzw. Gefügeheterogenitäten zu beseitigen. Die Gefügeheterogenität kann in folgende Gruppen eingeteilt werden:

  • zonenförmige Heterogenität
  • anisotrope Heterogenität
  • isotrope Heterogenität

Bei allen aufgeführten Arten kann sich die Heterogenität jeweils auf die Form, die Anordnung bzw. die Abmessungen der Gefügebestandteile oder Teilchen beziehen. Die zonenförmige Heterogenität erstreckt sich über größere Bereiche, wobei die Form der Zonen (z. B. Bereiche mit erhöhtem Anteil ausgeschiedener Phasen, Gebiete mit Härtungsgefüge) von der äußeren Form des Guß- bzw. Werkstückes abhängig ist. Die Bildung der anisotropen Heterogenität ist an das Vorhandensein von Vorzugsrichtungen im Werkstoff gebunden, wie sie z. B. bei der plastischen Deformation und der Transkristallisation entstehen. In die Gruppe der anisotropen Heterogenität sind z. B. die sekundäre Gefügezeiligkeit ferritisch-perlitischer Stähle und die zeilige Anhäufung von Karbiden bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt (Karbidzeiligkeít) einzuordnen. Die isotrope Heterogenität wird nicht von Vorzugsrichtungen im Werkstoff bestimmt. Typisch für diese Art der Heterogenität ist die ungleichmäßige Anordnung von Gefügebestandteilen in Nestern, die gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt sind. Entmischungen im mikroskopischen (Kristallseigerungen) Bereich führen zu den genannten anisotropen und isotropen Heterogenitäten. Die eigentliche Ursache liegt darin, daß bei einer technischen, d. h. ungleichgewichtsmäßigen Erstarrung immer Konzentrationsunterschiede entstehen, weil der Gleichgewichtszustand beim Übergang flüssig /fest nicht erreicht wird. Demzufolge sind immer Konzentrationsunterschiede zwischen den primär gebildeten Dendriten und den interdendritischen Räumen vorhanden, wobei die Anordnung geseigerter Bereiche im Gefüge von der Dendritenmorphologie abhängig ist. Die Neigung zur Entmischung während der Erstarrung im Mikrobereich wird von Art und Menge der anwesenden Legierungs- und Begleitelemente beeinflusst. Da bei verformtem Material, das in einer Vorzugsrichtung Verformt worden ist (z. B. durch Walzen oder Schmieden) diese geseigerten Mikrobereiche je nach ihrer Formänderungsfestigkeit mehr oder weniger stark in die Länge gestreckt werden, äußern sich die Kristallseigerungen in der Regel als zeilenförmige Anordnungen bzw. Primärzeilen.[1] Das Diffusionsglühen wird bei hohen Temperaturen >1050°C - 1300°C und sehr langen Haltezeiten 50h durchgeführt.

Diffusionsglühen Ablauf[4] Temperaturbereich des Diffusionsglühens[4] Anisotrope Heterogenität[5]
Diffusionsgluehen.png
Temperaturbereich diffusionsgluehen.png
Diffusion-1.jpg

Grobkornglühen

Beim Grobkornglühen handelt es sich um einen Wärmebehandlungsprozeß, der ebenso wie das Weichglühen darauf hinzielt, günstige Spanungseigenschaften zu erzielen. Die automatische Fertigung erfordert, daß sich die Werkstoffe wirtschaftlich spanabhebend bearbeiten lassen. Bei der Erfüllung dieser Forderung ist zu beachten, daß das Glühen auf nierdrigste Festigkeitswerte nicht in jedem Fall die beste Spanbarkeit ergibt, da unter Spanbarkeit ein Komplex von Eigenschaften verstanden werden muß. Je nach Bearbeitungsverfahren kommt der Werkzeugstandzeit, der Spanbildung, dem Energieaufwand und der erreichten Oberflächengüte besondere Bedeutung zu. Unter den Werkstoff bedingten Einflußfaktoren ist deshalb die Gefügeausbildung oft von größerer Bedeutung als die Härte und Festigkeit. Insbesondere bei niedriger Schnittgeschwindigkeit (Schneiden mit gehemmter Spanbildung, z. B. Räumen) wird durch die geringere Zähigkeit, die die grobkörnigen Gefüge in der Regel aufweisen, die erzielte Oberfiächengüte verbessert. Aus diesem Grund bietet sich bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (z. B. Einsatzstählen), die infolge ihrer geringen Härte naturgemäß zum Schmieren mit schlechter Oberflächenausbildung neigen, ein Glühen zum Zweck der Kornvergröberung an.[1] Beim Grobkornglühen wird der Stahl im Bereich zwischen 950 °C und 1100 °C geglüht. Da die Diffusionsprozesse Zeit benötigen, muss je nach Dicke des Werkstückes mehrere Stunden lang geglüht werden. Aufgrund der ungünstigen mechanischen Festigkeitseigenschaften, bleibt das Grobkornglühen auf kohlenstoffarme Stähle beschränkt und wird nur sehr selten angewandt. Nach der spanenden Bearbeitung des Grobkorngefüges (Ziel war es ja eine bessere Zerspanbarkeit herzustellen), kann dieses anschließend durch Normalglühen wieder beseitigt werden.

Grobkornglühen Ablauf[4] Temperaturbereich des Grobkornglühens[4]
Grobkorngluehen.png
Temperaturbereich grobkorngluehen.png

Spannungsarmglühen

Ziel des Spanngsarmglühens ist die Verminderung innerer Spannungen von Werkstücken und Bauteilen, ohne daß die Eigenschaften wesentlich verändert werden. Spannungen können als Folge einer Kaltverformung, einer ungleichmäßigen Abkühlung oder stattgefundener Umwandlungen entstehen. Die Überlagerung innerer Spannungen mit Beanspruchungsspannungen kann zu unerwünschten Formänderungen (Verzug) oder sogar bis zum Bruch führen. Ist zu erwarten, daß solche Schwierigkeiten z. B. nach dem Warm- oder Kaltrichten, der spanabhebenden Bearbeitung, dem Schweißen, dem Abkühlen eines Gußstückes, dem Härten, auftreten, soll möglichst unverzüglich nach dem Entstehen der Spannungen das Spannungsarmglühen durchgeführt werden (vor allen Dingen dann, wenn Rißbildung zu befürchten ist). Spannungen im Werkstück können nur dadurch abgebaut werden, daß sie eine plastische Deformation im Mikrobereich auslösen. Das erfordert jedoch, daß die Streckgrenze des Werkstoffs unter den Betrag der Spannungen gesenkt wird. Je weiter die Streckgrenze auf Werte unterhalb des Spannungsniveaus gesenkt werden kann, um so größer ist das Ausmaß der plastischen Deformation und somit die Möglichkeit des Spannungsabbaus. Die Festigkeit und die Streckgrenze nehmen bei den meisten Werkstoffen naturgemäß mit steigender Temperatur ab. Demzufolge beinhaltet das Spannungsarmglühen immer ein durchgreifendes Erwärmen auf ein entsprechend hohes Temperaturniveau.

Die Glühdauer sollte 1 bis 2 Minuten je mm Blechdicke (bei einigen Stählen mindestens 2 Minuten je mm Blechdicke), mindestens jedoch 20 bis 30 Minuten oder mehr nach vollständiger Durchwärmung betragen. Die Temperatur selbst ist im allgemeinen begrenzt durch die Gleichgewichtsumwandlungstemperatur A1. In der Regel erfolgt das Spannungsarmglühen im Temperaturbereich von 450 bis 650 °C. Einschränkend muß dazu bemerkt Werden, daß bei vergüteten Stählen die Glühtemperatur nach oben hin durch die Anlaßtemperatur begrenzt ist. Aus Sicherheitsgründen sollte die maximale Glühtemperatur jedoch 20 bis 30 °C unterhalb der Anlaßtemperatur liegen. Nach einer derartigen Behandlung muß allerdings mit einem hohen Restspannungsanteil gerechnet werden, wenn eine relativ niedrige Anlaßtemperatur vorgeschrieben ist. Übersteigt dieser die zulässige Grenze, dann ist nur durch einen Stahl mit höherer Härtbarkeit Abhilfe zu schaffen, der es ermöglicht, auf ein milderes Abschreckmittel zurückzugreifen.

Auch bei anderen Werkstoffen darf mit Rücksicht auf Festigkeitsveränderungen eine Maximaltemperatur nicht überschritten Werden. Zum Beispiel sollte Gußeisen aus diesem Grund nicht oberhalb 550 °C geglüht Werden. Je niedriger die Glühtemperatur ist, um so länger muß im allgemeinen die Glühdauer sein. Stähle, die über Ausscheidungen verfestigt Werden, wie z. B. mikrolegierte Feinkornstähle höherer Festigkeit, müssen ebenfalls sorgfältig spannungsarm geglüht werden, falls dies notwendig ist. Es ist zu beachten, daß der Temperaturbereich von 530 bis 580 °C weder unterschritten (ungenügender Spannungsabbau) noch überschritten werden sollte (Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch Beeinflussung des Ausscheidungszustandes). Ein ausreichender Spannungsabbau ohne Rißbildung kann auch bei solchen empfindlichen Stählen durch Einhalten der vorgeschriebenen Glühtechnologie erzielt werden.[1]

Beim Spannungsarmglühen wird das Werkstück unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 450 °C und 650 °C geglüht. Die Eigenspannungen können niemals vollständig abgebaut werden. Nach dem Glühen muss das Werkstück anschließend langsam abgekühlt werden, um ein erneutes Entstehen von Spannung zu vermeiden. Meisten bleibt das Werkstück dabei im ausgeschalteten Glühofen ruhen bis zu einer Temperatur von ca. 250°C, danach kann an ruhender Luft abgekühlt werden.

Spannungsarmglühen Temperaturbereich[4]
Temperaturbereich spannungsarmgluehen.png

Rekristallisationsglühen

Das Gefüge von gewalzten, gebogenen oder tiefgezogenen Werkstücken wird durch die hohen Umformkräfte stark verformt. Hierdurch ändern sich auch die Werkstoffeigenschaften. Bei gewalzten Blechen kann dies zu einer starken Anisotropie durch die langgestreckten Kristalle führen, die auch als Walztextur bezeichnet wird. Zudem kommt es im Bereich der Umformstelle zur Kaltverfestigung, was die Festigkeit ansteigen lässt und die Verformbarkeit entsprechend herabsetzt. Soll das Bauteil in diesem Zustand weiter umgeformt werden, so steigt die Gefahr der Rissbildung. Mehrstufige Umformprozesse sind ohne Weiteres somit nicht möglich. Viele Bauteile bzw. Halbzeuge müssen allerdings im Laufe ihrer Produktion mehrfach umgeformt werden, um ihren Endzustand zu erreichen. So kann bspw. ein Stahlblock von mehreren Zentimetern Dicke nicht in einem Zuge bis auf wenige Millimeter gewalzt werden. Ziel muss es deshalb sein, die verformten Kristalle eines umgeformten Gefüges vor jedem mehrstufigen Umformprozess wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen. Dies kann mithilfe des sogenannten Rekristallisationsglühens erreicht werden.[4]

Rekristallisationsglühen Ablauf[4] Temperaturbereich des Rekristallisationsglühens[4]
Rekristallisationsgluehen 02.png
Temperaturbereich rekristallisationsgluehen.png

Beim Rekristallisationsglühen wird der Stahl unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 550 °C bis 700 °C geglüht. Es findet somit keine Gitterumwandlung statt, wie dies beim Normalglühen oder teilweise auch beim Weichglühen der Fall ist, obwohl auch bei diesen beiden genannten Verfahren ebenfalls ein Rekristallisationseffekt einsetzt. Beim Rekristallisationsglühen können die Korngrenzen durch Diffusionsprozesse wandern und die Körner sich somit neu bilden. Die verformten Körner nehmen ihre ursprüngliche Gestalt wieder an und der Werkstoff erhält seine Verformbarkeit zurück. Die Größe der rekristallisierten Körner hängt neben der Glühdauer und -temperatur in besonderem Maße davon ab, wie stark die einzelnen Körner verformt waren. Ein hoher Umformgrad mit sehr feinen langgestreckten Kristallen lässt das Gefüge eher feinkörnig rekristallisieren. Ein geringerer Umformgrad führt entsprechend zu einem grobkörnigeren Rekristallisationsgefüge. Gerade für ein gering verformtes Gefüge besteht hierdurch allerdings auch die Gefahr der Grobkornbildung. Diese Gefahr kann sich vor allem für kohlenstoffarme Stähle mit Kohlenstoffkonzentrationen unter 0,2% ergeben, sodass sich unter Umständen das Normalglühen besser für eine Kristallneubildung eignet. Für umwandlungsfreie Stähle, bei denen durch Legierungszusätze die γγ-αα-Umwandlung vollständig unterdrückt wird, bietet das Rekristallisationsglühen die einzige Möglichkeit der Feinkornbildung. Um also bei mehrstufigen Umformprozessen die Verformbarkeit des Werkstoffes stets zu erhalten, muss das Gefüge zwischen jedem Umformschritt rekristallisiert werden. Diese Verfahrensform wird dann auch als Zwischenglühen bezeichnet. Der Effekt der Rekristallisation kann auch bereits während dem Umformprozess selbst genutzt werden, indem im Bereich der Rekristallisationstemperatur umgeformt wird. Man spricht dann vom sogenannten Warmumformen. Wird der Werkstoff hingegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt (z.B. bei Raumtemperatur) spricht man vom Kaltumformen.

Perlitglühen

Ziel des Perlitglühens ist das Einstellen eines voll- oder teilperlitischen Gefüges, um die Festigkeitseigenschaften zu erhöhen oder um die Eigenschaften in unterschiedlichen Wanddickenbereichen eines Gußstücks zu vergleichmäßigen. Das Perlitglühen wird - in Anlehnung an die entsprechende Wärmebehandlung bei Stahlguß häufig auch als Normalisieren oder Perlitisieren bezeichnet. Beim Perlitglühen ist es im Prinzip gleichgültig, welches Ausgangsgefüge vorliegt, ob ferritisch (hier löst sich im Austenit beim Glühen oberhalb Ac1 ein Teil des als Graphit vorliegenden Kohlenstoffs) oder perlitisch mit eingelagertem freien Zementit beziehungsweise anderen Carbiden. Höhere Ferritgehalte im Ausgangsgefüge verlangen jedoch eine längere Haltezeit im Austenitbereich, um ausreichend Kohlenstoff zu lösen; eine andere Möglichkeit besteht in einer zweifachen Glühbehandlung, wobei in der ersten bei normaler Haltezeit der Ferritanteil halbiert werden kann. Das Perlitglühen erfordert in der ersten Phase ein Austenitisierungsglühen. ln der zweiten Phase erfolgt ein beschleunigtes Abkühlen, das schnell genug erfolgen muß, um keine Ferritbildung zu begünstigen, jedoch andererseits nicht so schnell sein darf, daß Härtungsgefüge entstehen kann. Vor allem bei Gußeisen mit Kugelgraphit sollte die Austenitisierungstemperatur nur so hoch wie nötig sein, weil bei längerer Haltezeit oberhalb 900 bis 920 °C der Austenit und der daraus entstehende Perlit vergröbert wird, was negative Auswirkungen auf die Zähigkeitseigenschatten hat. Die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Austenitisieren wird von der aufgenommenen Wärmemenge der Gußstücke bestimmt: schwere, dickwandige Gußstücke müssen, um ein perlitisches Gelüge zu erhalten, meist an bewegter Luft abgekühlt werden, der gelegentlich noch ein Wassersprühnebel beigemischt wird, häufig kann die notwendige Abkühlgeschwindigkeit nur durch den Zusatz von Legierungselementen, wie zum Beispiel Kupfer, Nickel und/oder Molybdän, erreicht werden. Für dünnwandige Gußstücke genügt in der Regel das Abkühlen an ruhender Luft. Wird kein rein perlitisches Gefüge angestrebt, so kann dieses durch eine entsprechende Wahl von Glühtemperatur, -dauer und Abkühlgeschwindigkeit eingestellt werden.Auf diese Weise werden zum Beispiel bei Gußeisen mit Kugelgraphit Ferritanteile von 5 bis 20% in Form von Ferrithöfen um die Graphitkugeln erhalten, womit die Zähigkeitseigenschatten verbessert und die Rißwachstumgeschwindigkeit vermindert werden. Zum notwendigen Verringern der durch das schnelle Abkühlen eingebrachten meist höheren Spannungen genügt es theoretisch, nur bis etwa 550°C schnell abzukühlen, eventuell einige Zeit bei dieser Temperatur zu halten und anschließend im Ofen weiter abzukühlen. Da das exakte Abfangen bei diesen Temperaturen in der Praxis selten durchzuführen ist, wird meist auf unter 400°C abgekühlt und ein Spannungsarmglühen angeschlossen.[6]

Der Temperaturverlauf des Perlitglühens ist nachfolgend schematisch dargestellt.
Perlitglühen.jpg

Weichglühen

[4]Nicht jeder Werkstoff muss darauf ausgelegt sein, hohen mechanischen Kräften standzuhalten. Bei einer gebogenen Blechabdeckung mit ausgefrästen Sichtschlitzen kommt es bspw. nicht darauf an hohe Kräfte aufnehmen zu können. Vielmehr liegt der Fokus bei der Werkstoffauswahl dabei auf einer guten Verform- und Spanbarkeit des Stahls. Dies spielt insbesondere bei der automatisierten Fertigung mit hohen Losgrößen eine wichtige Rolle, um die Herstellung wirtschaftlich zu gestalten. Aus diesem Grund kann es erforderlich werden, das Gefüge eines Stahles so anzupassen, dass es sich besser umformen und/oder spanend bearbeiten lässt. Vor allem im Hinblick auf die Umformbarkeit gilt es also ein entsprechend weiches Gefüge herzustellen. Dies kann mithilfe des sogenannten Weichglühens erzielt werden.

Beim Weichglühen werden untereutektoide Stähle bis knapp unterhalb der PS-Linie erwärmt, sodass der Zementit gerade noch nicht zerfällt. Der lamellare Zementit hat nun genügend Zeit sich durch Diffusionsprozesse in die thermodynamisch günstigere, rundlichere Form umzuwandeln. Es bildet sich aus dem Streifenzementit des Perlits kugelförmiger Zementit (Kugelzementit). Nachdem der Zementit in die rundliche Form zerfallen ist, wird der Stahl langsam abgekühlt. Im Gegensatz zu untereutektoiden Stählen, werden übereutektoide Stähle beim Weichglühen dicht oberhalb bzw. pendelnd um die PSK-Linie erwärmt. Ein besonders homogenes Gefüge mit feinverteiltem Kugelzementit kann dadurch erreicht werden, dass der Stahl vor dem Weichglühen gehärtet wird. Der kugelförmige Zementit bildet sich dann aus dem bereits relativ homogenen Martensitgefüge.

Nach dem Weichglühen zeigt der Stahl aufgrund der kugelförmigen Zementitform eine wesentlich bessere Umformbarkeit. Ursache liegt in der erleichterten Versetzungsbewegung. Während sich die streifenförmigen Zementitlamellen teilweise komplett von einem Ende des Korns zum anderen ziehen, liegen die Zementitkugeln nur vereinzelt im Korn vor. Die Versetzungsbewegung wird durch den Kugelzementit somit weniger stark behindert als beim sich komplett durchziehenden Streifenzementit. Die Verformbarkeit nimmt entsprechend zu, während die Härte allerdings abnimmt. Somit wird ein nachträgliches Walzen, Biegen, Tiefziehen, etc. aufgrund verringerter Umformkräfte erleichtert. Außerdem wird durch den kugelförmigen Zementit eine bessere Spanbarkeit erreicht, da die Zementitkugeln gegenüber der Werkzeugschneide einen geringeren Widerstand entgegenbringen im Vergleich zur lamellaren Zementitform. Dies erhöht dementsprechend die Standzeit des Werkzeuges.

Weichglühen Ablauf[4] Temperaturbereich des Weichglühens[4]
Weichgluehen.png
Temperaturbereich weichgluehen.png

Normalglühen

Feine rundliche Körner führen im Allgemeinen zu besseren Zähigkeits- und Festigkeitswerten im Vergleich zu großen Körnern. Dabei ist ein einheitliches Gefüge wünschenswert, welches über den gesamten Bereich hinweg stets ähnlich kleine Körner aufweist. Nur so kann schließlich sichergestellt werden, dass der Werkstoff in jedem Punkt den gestellten Festigkeitsansprüchen im selben Maße gerecht wird. Ein homogenes Gefüge bereits während der Erstarrung zu erzielen erfordert hohe Ansprüche, da die Erstarrungsbedingungen nicht über die gesamte Schmelze hinweg identisch sein werden. So kühlt bspw. Stahlguss (in Formen gegossener Stahl) an den Kontaktstellen zur Formwand eventuell schneller ab als im Inneren. Während sich in den Randbereichen aufgrund der stärkeren Unterkühlung somit ein feinkörnigeres Gefüge einstellen wird, bilden sich im Inneren eventuelle größere Körner. Auch beim Schmieden kann ein heterogenes Korngefüge entstehen, da sich die Korngrenzen durch Diffusionsprozesse verschieben und sich die Körner gegenseitig vereinen können. Es kommt somit zu einer Kornneubildung mit der Folge eines heterogenen Gefüges. Denselben Effekt der Heterogenität können auch geschweißte Werkstücke im Bereich der Fügestelle aufweisen. Nicht nur innerhalb eines Werkstückes können sich auf die oben genannten Arten Unterschiede in den Stahleigenschaften einstellen, sondern auch von Charge zu Charge würden sich eventuell jedes Mal leicht unterschiedliche Eigenschaften ergeben. Kein Unternehmen kann es sich allerdings leisten, seinen Kunden Bauteile mit immer wieder unterschiedlichen (unvorhersehbaren) Eigenschaften anzubieten. Vielmehr muss sich der Kunde auf eine gleichbleibende Qualität verlassen können.

Aus diesem Grund ist es notwendig ein uneinheitliches Gefüge mithilfe einer gezielten Wärmebehandlung zu vereinheitlichen bzw. zu homogenisieren. Der Stahl bekommt hierdurch seine "normalen" Eigenschaften verliehen, die immer wieder reproduzierbar sind. Aus diesem Grund bezeichnet man das gezielte Homogenisieren bzw. Normalisieren eines Stahlgefüges auch als Normalglühen.[4]

Normalglühen Ablauf[4] Temperaturbereich des Normalglühens[4]
Normalgluehen.png
Temperaturbereich normalgluehen.png

Beim Normalglühen wird der Stahl bis knapp über die GSK-Linie erwärmt, sodass sich das Perlit vollständig in Austenit wandelt. Anschließend wird der austenitisierte Stahl langsam an Luft abgekühlt. Da sich während der γ-α-Umwandlung die Körner neu bilden, tritt eine Kornfeinung ein und verleiht dem Gefüge eine homogene Struktur. Die Temperatur während dem Normalglühen sollte nicht höher als ca. 30 °C über der GSK-Linie gewählt werden, da ansonsten die Gefahr der Grobkornbildung besteht. Ursache hierfür ist, dass große rundliche Körner energetisch gesehen günstiger sind als viele kleine. Deshalb ist das Gefüge stets bestrebt ein einziges großes Korn zu bilden. Hierfür sind unter anderem Diffusionsprozesse notwendig, die durch höhere Temperaturen begünstigt werden. Deshalb ist man beim Normalglühen bestrebt die Temperatur so gering wie möglich zu halten, um die Grobkornbildung zu vermeiden. Aus diesem Grund werden übereutektoide Stähle auch nicht komplett bis in das Austenitgebiet (oberhalb SE-Linie) erwärmt. Das Normalglühen findet vorzugsweise bei untereutektoiden Stählen Anwendung, deren Gefüge durch Fertigungsverfahren wie Schmieden, Walzen, Gießen, Schweißen etc. negativ beeinflusst wurden. Beim Walzen kann das Normalglühen bereits während dem Walzprozess durchgeführt werden (normalisierendes Walzen). Ein normalisiertes Gefüge zeichnet sich aufgrund der homogenen, feinen Struktur im Allgemeinen durch sehr gute Zähigkeits- und Festigkeitswerte aus.

Lösungsglühen und Stabilisierungsglühen bei Stahl

Die nichtrostenden austenitischen Stähle enthalten im allgemeinen als Hauptlegierungsbestandteile 16 bis 26% Chrom und 7 bis 26% Nickel. Die gebräuchlichsten Sorten liegen bei Chromgehalten zwischen 16,5 und 20 % und Nickelgehalten zwischen 8 und 17%. Bei diesen Legierungskombinationen wird durch den Nickelgehalt der Punkt A3 zu so tiefen Temperaturen verschoben, dass das γ-Gebiet praktisch nach unten offen ist und die γ - α Umwandlung nicht ablaufen kann. Diese Stähle sind deshalb unabhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit bei Raumtemperatur austenitisch.

Der Chromgehalt stellt die Korrossionsbeständigkeit sicher. Chrom ist unedler als Eisen und verbindet sich in den äußersten Atomschichten der Stahloberfläche an Luft oder in anderen oxydierenden Medien mit Sauerstoff zu einem für das Auge unsichtbaren, zusammenhängenden Oxidfilm, der den darunterliegenden Stahl vor weiterem Angriff schützt (passiviert). Einwandfreie Passivschichten bilden sich nur auf sauberen und glatten Oberflächen. Der Oxidfilm erneuert sich nach Beschädigung von selbst.

Erwärmt man einen homegenisierten austenitischen Stahl auf Temperaturen zwischen etwa 450 und 850°C, so verlässt der übersättigte gelöste Kohlenstoff die Zwangsbindung und bildet hochchromhaltige Karbide. Diese Karbide scheiden sich bevorzugt an Korngrenzen, aber auch an Zwillingsebenen aus, wo das gestörte Gitter Ausscheidungsvorgänge begünstigt. Die Grundmasse in der Umgebung der Korngrenzen kann dabei soweit an Chrom verarmen, dass in mikroskopisch schmalen Korngrenzenbereichen die Passivität des Stahles verlorengeht. Aggressive Medien. die mit einem durch Chromverarmung anfällig (sensibel) gewordenen nichtrostenden Stahl in Berührung kommen, fressen sich an den Grenzschichten interkristallin in den Stahl hinein und zerstören den Zusammenhalt der Körner. Beim Schweißen treten in den Wärmeeinflußzonen parallel und in bestimmten Abständen zur Schweißnaht zwangsläufig Sensibilisierungstemperaturen auf. Bei den austenitischen Stählen können sich deshalb in diesen Bereichen chromreiche Karbide an den Korngrenzen ausscheiden und damit zu kornzerfallsanfälligen (sensibilisierten) Zonen führen. Besonders anfällig ist der Stahl im Temperaturbereich zwischen etwa 600 und 700 °C.[7]

Ausbildung der interkristallinen Korrossion im Gefüge. [8][4]
Intergranular corrosion.JPG

Mit folgenden Maßnahmen kann der Kornzerfall bekämpft werden:

  • Lösungsglühen der Bauteile nach dem Schweißen bei 1000bis 1100°C und anschließendes schnelles Abkühlen durch den Temperaturbereich der Chromkarbidbildung. Wegen der Verzugsgefahr und der Größe der Bauteile ist dieses Verfahren nur begrenzt anwendbar und außerdem nur dann wirksam, wenn der Stahl nach den Schweißarbeiten noch keinem Angriffsmittel ausgesetzt war und im Betrieb oder auch bei Reparaturarbeiten nicht wieder kritische Temperaturen auftreten.
  • Stabilisierungsglühen der geschweißten Bauteile bei 700 bis 800 °C. Wenn lange genug geglüht wird, bis zu 24h, verbraucht sich der Kohlenstoff bei der Karbidbildung, und das diffusionsträgere Chrom wandert allmählich in die Chromverarmten Korngrenzenbereiche nach, die dadurch wieder zur Passivierung fähig werden. Voraussetzung für das Gelingen dieses Verfahrens ist ein genügend hoher Chromgehalt, der auch nach dem völligen Verbrauch des Kohlenstoffs für die Bildung chromreicher Karbide noch zur Passivierung ausreicht. Auch dieser aufwendigen Methode sind durch Form und Größe der Bauteile Grenzen gesetzt.

Lösungsglühen bei Aluminium

Das Lösungsglühen wird auch als Zwischenschritt in der Wertschöpfungskette zwecks einer vorübergehend besseren Bearbeitbarkeit angewendet. Die für die schlechte Bearbeitbarkeit verantwortlichen Ausscheidungen werden durch das Glühen gelöst. Wird das Werkstück dann rasch abgekühlt, so entsteht zunächst ein übersättigtes (metastabiles) Mischkristallgefüge ohne Ausscheidungen. In diesem Zustand wird vorrübergehend eine bessere Bearbeitbarkeit des Werkstoffes erzielt. Durch eine spätere Kalt- oder Warmauslagerung werden die Ausscheidungen dann gebildet und der Werkstoff erhält seine ursprünglichen Eigenschaften zurück. Dieses Verfahren findet bspw. bei der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen Anwendung.

Bearbeitungsglühen

Der in der Vergangenheit als BG-Glühen, jetzt FP, oder Bearbeitungsglühen bezeichnete Prozess wird in der aktuellen Normung mit dem Ferrit-Perlit-Glühen gleichgesetzt. Bezüglich der Prozessparameter Aufheizen und Halten ist das FP-Glühen mit dem Perlitisieren vergleichbar. Der wesentliche Unterschied besteht in einer gestaffelten Abkühlung mit einer Haltephase im Perlitbereich zur Bildung eines rein ferritisch-perlitischen Gefüges. Diese Wärmebehandlung zur Verbesserung der Zerspanbarkeit angewendet.

Ferritglühen

Ferritisierungsglühen

Glühen von Gußwerkstoffen zum Beseitigen von Carbiden mit nachfolgendem langsamen Abkühlen zum Erzielen einer guten Spanbarkeit.[2]

Zähglühen

Kurzzeitiges Glühen ferritischer Chromstähle bei 750°C bis 850 °C mit anschließendem schnellen Abkühlen.[2]

Tempern

Der Begriff Tempern beschreibt allgemein das erwärmen eines Materials über einen längeren Zeitraum. Durch Tempern ist es möglich, gezielt die Struktur eines Festkörpers zu ändern, beispielsweise das Gefüge bei Bauteilen aus Gusseisen[3] [9].

Tempern von Eisengusswerkstoffen

Bei Temperguss handelt es sich um eine Eisen-Kohlenstoff-Silizium-Gusslegierung mit einem Stahlgefüge aus Ledeburit. Anders als Eisengusswerkstoffe (Gusseisen mit Lamellengraphit und Gusseisen mit Kugelgraphit) erstarrt Temperguss graphitfrei. Erst durch eine anschließende Wärmebehandlung, die als Tempern bezeichnet wird und von welcher der Temperguss seinen Namen hat, wird die Gefügeumwandlung des Zementits ausgelöst. Nach einer langen Glühzeit zerfällt der Zementit und Graphit, der als Temperkohle bezeichnet wird, wird freigesetzt. Bei Temperguss unterscheidet man zwischen weißem und schwarzem Temperguss, was auf das Aussehen der Bruchfläche zurückzuführen ist[9].

Tempern auf weißen Temperguss

Um einen weißen Temperguss zu erhalten, wird der Temperrohguss (untereutektisches weißes Gusseisen) geglüht („Glühfrischen“). Damit wird der Kohlenstoffanteil im Gussstück weitestgehend gesenkt. Dadurch wird das Gussstück im Randbereich etwas zäher. Der Rohguss wird bei 1000 °C etwa 60–120h in einer oxidierenden Atmosphäre geglüht (im Gasstrom getempert). Dabei laufen folgende Reaktionen ab:

  • Reaktion 1 (im Inneren des Gussteils):
    • Fe3C → 3Fe + C
  • Reaktion 2 (an der Oberfläche des Gussteils):
    • C + O2 → CO2
  • Reaktion 3 (eigentliche Entkohlung – selbstlaufender Prozess)
    • CO2 + C → 2CO dazu kommt jetzt wieder O2 + 2CO → 2CO2

Der Zementit (Fe3C) des Gussstücks zerfällt in der ersten Reaktion in drei Eisen- und ein Kohlenstoffatom. Dieser Kohlenstoff reagiert an der Gussoberfläche mit dem Sauerstoff und wird dadurch dem Gussteil entzogen (Reaktion 2). Im Zuge des Bestrebens um einen Konzentrationsausgleich diffundiert weiter der Kohlenstoff aus dem Guss an den Rand des Gussstücks und verbindet sich mit dem Sauerstoff der umgebenden Luft. Dadurch findet eine allmähliche Entkohlung des Werkstücks statt (Reaktion 3). Gleichzeitig ballt sich der restliche Kohlenstoff im Kern des Gussstücks zu Temperkohleknöllchen zusammen. Die Entkohlung des Werkstücks ist stark abhängig von der Dauer des Tempervorgangs und von der Wanddicke des Gussstücks. Eine gleichmäßige Entkohlung entsteht nur bei einer Wanddicke von 2–3 mm, bei dickeren Gussstücken findet nur eine Randentkohlung und ein Zerfall des Zementits (Fe3C) zu Eisen und Temperkohle statt[9].

Gefügeausbildung des weißen Temperguss

Das Gefüge des weißen Tempergusses bei Wanddicken unter 3 mm besteht aus einer ferritischen Matrix und ganz wenig bzw. keinen Temperkohleknöllchen (in der Mitte). Bei Wanddicken über 3 mm teilt sich das Gefüge des weißen Tempergusses in drei Bereiche auf:

  • Die entkohlte Randzone, bestehend aus Ferrit. Die Oberfläche enthält oft einen mit Oxiden durchsetzten Saum.
  • Der Übergangsbereich, bestehend aus einer ferritisch-perlitischen Grundmatrix und einigen Temperkohleknöllchen.
  • Die Kernzone, bestehend aus einer perlitischen Grundmatrix und Temperkohleknöllchen.

Die Entkohlungstiefe wird durch eine mitgeglühte Keilprobe ermittelt. Ihr metallografischer Anschliff gibt Aufschluss über die Gefügeausbildung. Bei unsachgemäßem Tempern können Gefügefehler auftreten. Zum Beispiel können die Grafitnester zu sogenanntem „Faulbruch“ führen, sie sind schon im Rohguss entstanden. Es kann auch eine Rückentkohlungserscheinung auftreten, dabei scheiden sich am Rand Carbide am Ferrit ab in Form von Sekundärzementit, evtl. Ledeburit.[9]

Tempern auf schwarzen Temperguss

Beim Tempern wird bei neutraler Atmosphäre in zwei Stufen geglüht. Aufgrund der neutralen Atmosphäre wird hierbei das Gusseisen nicht entkohlt. Der Zementit zerfällt infolge des hohen Kohlenstoff– und Siliziumgehalts vollständig in Ferrit und Temperkohle: Fe3C → 3Fe + C. Die Temperkohle entsteht durch das Ausscheiden des elementaren Kohlenstoffs beim Glühen in Form von Knoten oder Flocken. Das Erscheinungsbild dieser Knoten hängt von dem Mangan–Schwefel–Verhältnis ab. Dadurch erreicht der Werkstoff stahlähnliche Eigenschaften der Duktilität.

  • Die erste Stufe dieser Wärmebehandlung wird auch 1. Grafitisierungsstufe genannt. Eutektische Carbide zerfallen und lösen sich bei 940–960 °C in einer Zeit von ca. 20 h im Grundgefüge (Austenit). Dabei scheidet sich auch elementarer Kohlenstoff, wie oben erwähnt, als Temperknoten aus. Das Gefüge besteht nun aus Austenit und Temperkohle.
  • Bei der zweiten Stufe, die man auch als 2. Grafitisierungsstufe bezeichnet, wird das Grundgefüge bestimmt. Um die zweite Stufe einzuleiten, wird die Temperatur auf ca. 800 °C abgesenkt. Wird nun langsam (mit 3–5 °C pro h) zwischen 800 und 700 °C abgekühlt oder mehrere Stunden zwischen 760 und 680 °C die Temperatur gehalten, so erfolgt eine stabile eutektoide Umwandlung. γ → α + C. Der Kohlenstoff hat somit die Möglichkeit, aus dem Austenit zu der bereits bestehenden Temperkohle zu diffundieren und dessen Bestandteil zu werden. Das Gefüge besteht dann aus Ferrit (Matrix) und Grafit und eventuellen Resten des Perlits. Die Temperkohle ist über den gesamten Querschnitt der Probe gleichmäßig verteilt. Der Werkstoff ist sehr weich und besteht aus Ferrit und Grafit. Bsp.: GJMB – 350 Bei der schnellen Abkühlung zwischen 800 und 700 °C an der Luft wird der eutektoide Bereich schnell durchlaufen und es entsteht ein eutektoid metastabil erstarrtes Gefüge aus Perlit.
  • Durch sehr schnelles Abkühlen entsteht ein martensitisches Gefüge. Nach dem Tempern kann noch angelassen werden. Bei beispielsweise 600 °C entsteht GJMB – 700, bei 700 °C GJMB – 450. Bei 620 °C wird der Perlit eingeformt (globularer Zementit).

Kennzeichnend für schwarzen Temperguss ist, dass das Gefüge bis auf eine schmale Randzone von 0,2 mm Tiefe ohne Temperkohle auf Grund der nichtentkohlenden Glühung wanddickenunabhängig ist[9].

Gefügeausbildung des schwarzen Temperguss

In der ersten Glühstufe zerfällt der Zementit des Ledeburits, bei 950 °C zu Austenit und Temperkohle. Während der zweiten Glühstufe zerfällt der Austenit zu Ferrit und Temperkohle. Das Grundgefüge hängt von der Abkühlungsgeschwindigkeit im eutektoiden Bereich ab.

  • Ferritisches Grundgefüge
    • Durch langsames Abkühlen zwischen 700 und 800 °C (Genaueres s. Herstellung) findet die eutektoide Umwandlung unter stabilen Bedingungen statt. γ → α + C
    • Der Ferrit bildet die Matrix, und die Temperkohle liegt gleichmäßig verteilt vor, wenn in allen Bereichen der Probe in etwa dieselben Abkühlungsbedingungen galten. Je weniger Mangan und Schwefel vorhanden sind, umso kompakter ist die Temperkohle ausgebildet. Mangan und Schwefel hindern den Grafit daran, sich in Kugelform zu agglomerieren, woraus die zerklüftete und knotenförmige Ausbildung der Temperkohle folgt.
  • Perlitisches Grundgefüge
    • Durch das Erwärmen auf 700–800 °C,schnelles Abkühlen (vorangegangenes Abschrecken s. Herstellung) erstarrt der Werkstoff metastabil zu Perlit. γ → α + Fe3C. Hier bildet der Perlit das Grundgefüge. Auch bei dieser Erstarrung kann die Temperkohle unterschiedlich ausgebildet sein.
  • Martensitisches Grundgefüge
    • Bei sehr schneller Abkühlung entsteht das martensitische Gefüge. Die Diffusion wird durch die sehr hohe Abkühlungsgeschwindigkeit unterdrückt. Durch den teilweisen Zusammenfall des Raumgitters entsteht ein durch den Kohlenstoff verzerrtes und verspanntes Gitter, es entsteht Martensit. Das Vergütungsgefüge entsteht durch das Anlassen des martensitischen Gefüges oder durch gesteuerte Abkühlung auf dieses Gefüge.
  • Mischgefüge
    • Es können auch ferritisch-perlitische Gefüge entstehen. Das geschieht, wenn die eutektische Erstarrung teilweise stabil und metastabil stattfindet. Schmelze → γ + C (stabil) und Schmelze → γ + Fe3C (metastabil).

Die eutektoide Umwandlung verläuft wieder metastabil. Zu erwarten ist ein Gefüge mit je nach Abkühlungsgeschwindigkeit unterschiedlich viel Perlit- und Ferritanteil und Temperkohle. Die Temperkohle kann unterschiedliche Formen, Größen und Anordnungen besitzen.[9]

Tempern nach galvanischen Prozess

Eine Wärmebehandlung während oder nach dem galvanischen Prozess, zum austreiben des aufgenommenen Wasserstoffes (H), z.B. bei der Herstellung von hochfesten Teilen der Verbindungstechnik (Schrauben, Bolzen usw.), wird ebenfalls als Tempern bezeichnet.

Tempern / Wasserstoffentspröden gemäß DIN EN 2081[10] und verschiedenen Werksnormen. Tempern ist eine Wärmebehandlung. Hochfeste Stahlteile, die eine Zugfestigkeit größer 1000 MPa haben, müssen nach einer galvanischen Bearbeitung oder dem Beizen getempert, d.h. wasserstoffentsprödet werden.

Verfahrensablauf beim Tempern / Wasserstoffentspröden
  • Der Verfahrensablauf bei der galvanischen Beschichtung sollte so abgestimmt sein, dass bei den einzelnen Verfahrensschritten nach Möglichkeit erst gar kein oder nur sehr wenig Wasserstoff aufgenommen werden kann. Auch kann es erforderlich sein, die gewünschte Schicht in zwei Schritten aufzubringen.
  • Eine Wasserstoffversprödung kann auch im Reinigungsprozess entstehen, da beim Beizen in Säure Wasserstoff freigesetzt wird, der sich in das Metallgefüge einlagern kann. Dieser Wasserstoff diffundiert im Laufe der Zeit in das Materialinnere. Dadurch wird das Metallgefüge insgesamt instabil und das Material kann bei Belastung brechen (Sprödbruch).
  • Um einen eventuellen Sprödbruch zu verhindern, wird nach dem Galvanisieren oder Beizen eine Wasserstoffentsprödung durch Tempern durchgeführt.
  • Bei diesem Temperprozess wird das Material in einem Umluftofen erwärmt und der im Material befindliche Wasserstoff bei Temperaturen zwischen 180°C und 230°C ausgetrieben.
  • Die Härte und die Materialstärke, aber auch die Geometrie der Teile (Schüttgut) bestimmen die Haltezeit, da die Teile je nach Geometrie mehr oder weniger aufeinanderliegen.
  • Phosphatierte Teile werden bei niedrigeren Temperaturen getempert.
  • Es findet keine Gefügeumwandlung statt.
  • Die Anlasstemperatur des Werkstoffes, bei z.B. Anlassempfindlichen Werkstoffen ist zu beachten.
Die Vorteile des Temperns / Wasserstoffentsprödens auf einen Blick:
  • Sprödbruch vermeiden
  • Materialspannungen reduzieren, Gefüge homogenisieren

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 H.J. Eckstein Herausgeber, Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig
  2. 2,0 2,1 2,2 TGL 21862/01, Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen - Klassifizierung und Terminologie der Grundverfahren, 1982, Norm der DDR
  3. 3,0 3,1 Arnold Horsch, Seminar Werkstoffprüfung + Metallographie für Auszubildende und Labormitarbeiter, Kapitel Grundlagen der Wärmebehandlung, Arnold Horsch e.K., Remscheid
  4. 4,00 4,01 4,02 4,03 4,04 4,05 4,06 4,07 4,08 4,09 4,10 4,11 4,12 4,13 4,14 Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler, 75443 Ötisheim, Akazienweg 8, Maschinenbau & Physik, www.ahoefler.de/de/maschinenbau/werkstoffkunde/27-waermebehandlung.html
  5. Arnold Horsch, Seminar Metallographie in der Praxis, Teil 1, Arnold Horsch e.K., Remscheid
  6. Wärmebehandeln von Bauteilen aus Gußeisen mit Lamellen- oder Kugelgraphit, Diether B. Wallers, aus "konstruieren+ gießen" Nr. 1/1989
  7. Metallographie in der Schadenuntersuchung, Egon Kauczor, Springer Verlag Berlin Heidelberg 1979, Seite 51-54
  8. Bild interkristalline Korrossion, Wickipedia, Abruf am 27.12.2016
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 Wikipedia - Temperguß, abgerufen Wikipedia am 12. Dezember 2016
  10. DIN EN 2081, Metallische und andere anorganische Überzüge - Galvanische Zinküberzüge auf Eisenwerkstoffen mit zusätzlicher Behandlung, Beuth Verlag, Berlin