Grundlagen der Wärmebehandlung: Unterschied zwischen den Versionen

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(→‎Wärmebehandlung von Stahl- und Eisenwerkstoffen)
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'''In diesem Kapitel wird die Wärmebehandlung von Stahl - Eisenwerkstoffen und Aluminium behandelt, es werden nicht die Grundlagen der Metallkunde erläutert sondern nur die Verfahren beschrieben.'''
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    Ich biete zu diesem Thema die Seminare an.<br>
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    Schauen Sie auf [http://arnold-horsch.de meiner Homepage] vorbei und sichern Sie sich Ihren Platz!
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* '''[[Hauptseite|Zur Hauptseite]]'''
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='''Die Wärmebehandlung von Metallen'''=
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In diesem Kapitel wird die Wärmebehandlung von Stahl - Eisenwerkstoffen und Aluminium behandelt, es werden nicht die Grundlagen der Metallkunde erläutert sondern nur die Wärmebehandlungsverfahren beschrieben. Die nachfolgende Zusammenfassung stellt nur eine Kurzbeschreibung der gängigen Wärmebehandlungsverfahren bei Eisen - und Stahlwerkstoffen dar, wenn Sie mehr über Wärmebehandlung Wissen möchten, besuchen Sie doch eines meiner [http://www.arnold-horsch.de/seminare '''Seminare'''] zu diesem Themen.
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Die Wärmebehandlung von Metallen stellt einen der wichtigsten Produktionsschritte in der Veredelung von Bauteilen aus Metallen dar. Alle aus Metallen hergestellten Erzeugnisse werden im Laufe der Produktion mehrfach Temperaturänderungen (Wärmebehandlungen) ausgesetzt. Schon frühzeitig wurde erkannt, dass damit Eigenschaftsveränderungen verbunden sind, die ausgenutzt werden können, um einen beanspruchungsgerechten Werkstoffzustand herzustellen. Das Ergebnis war die Herausbildung von Wärmebehandlungstechnologien als eigenständige Prozessstufe. Darüber hinaus kann man heute feststellen, dass die gesammelten Erfahrungen in Verbindung mit der wissenschaftlichen Durchdringung der Verfahren es gestatten, in vollem Umfang alle ablaufenden Temperaturänderungen zu einer gezielten Beeinflussung der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften zu nutzen. Das bedeutet, dass sich das Gebiet der Wärmebehandlung erweitert und der Begriff folgerichtig alle vorgesehenen thermischen Operationen umfassen sollte, die Eigenschaftsänderungen des Werkstoffs zum Ziel haben.
  
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='''Grundlagen der Wärmebehandlung'''=
 
 
Wenn wir über Wärmebehandlung sprechen benötigen wir erst ein mal eine Definition was Wärmebehandlung ist.
 
Wenn wir über Wärmebehandlung sprechen benötigen wir erst ein mal eine Definition was Wärmebehandlung ist.
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|'''Definition Wärmebehandlung'''<ref name="HK2007"/>
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=='''Definition Wärmebehandlung'''<ref name="HK2007"/>==
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|Wärmebehandlung ist eine folge von Wärmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, um eine Änderung seiner Eigenschaften und/oder seines Gefüges herbeizuführen. Die Behandlung kann mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung (thermochemische Behandlung) oder auch einem Umformen (thermomechanische Behandlung) verbunden sein.
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|<big><big>'''Definition Wärmebehandlung'''</big></big><ref name="HK2007"/>
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|<big><big>'''Wärmebehandlung ist eine folge von Wärmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, um eine Änderung seiner Eigenschaften und/oder seines Gefüges herbeizuführen.'''</big></big>
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<big><big>'''Die Behandlung kann mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung (thermochemische Behandlung) oder auch einem Umformen (thermomechanische Behandlung) verbunden sein.'''</big></big>
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Entsprechend dem Ziel des Verfahrens wird die Wärmebehandlung durch folgende Angaben charakterisiert:
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Entsprechen dem Ziel des Verfahrens wird die Wärmebehandlung durch folgende Angaben charakterisiert:
 
 
* Art des Erwärmens
 
* Art des Erwärmens
 
* Haltetemperatur
 
* Haltetemperatur
 
* Haltedauer
 
* Haltedauer
 
* Art des Abkühlens (Ofen-, Luft-, Öl-, Wasserabkühlung)
 
* Art des Abkühlens (Ofen-, Luft-, Öl-, Wasserabkühlung)
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=='''Ziel der Wärmebehandlung'''==
 
Ziel einer Wärmebehandlung kann beispielsweise sein:
 
Ziel einer Wärmebehandlung kann beispielsweise sein:
 
* Herstellung eines bestimmten Ausgangsgefüges (Lösungsglühen bei Aluminium Legierungen)
 
* Herstellung eines bestimmten Ausgangsgefüges (Lösungsglühen bei Aluminium Legierungen)
 
* Beseitigung von Kaltverfestigung (Rekristallisationsglühen)
 
* Beseitigung von Kaltverfestigung (Rekristallisationsglühen)
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* Verbesserung der Bearbeitbarkeit (Weichglühen)
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* Verbesserung der Bearbeitbarkeit (Weichglühen, Grobkornglühen)
 
* Arbeitsgang der Erzeugung (Härten von Werkzeugen)
 
* Arbeitsgang der Erzeugung (Härten von Werkzeugen)
 
* Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Vergüten von Stahl, Aushärten von Al-Legierungen)
 
* Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Vergüten von Stahl, Aushärten von Al-Legierungen)
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* Verminderung des Verschleißes (Randschichthärten von Zahnrädern)
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* Verminderung des Verschleißes und Erhöhung der Dauerfestigkeit (Randschichthärten von Zahnrädern)
 
* Abbau von Bearbeitungs- Guss- oder Schweißspannungen (Spannungsarmglühen)
 
* Abbau von Bearbeitungs- Guss- oder Schweißspannungen (Spannungsarmglühen)
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='''Wärmebehandlung von Stahl- und Eisenwerkstoffen'''=
  
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='''Wärmebehandlung von Stahl- und Eisenwerkstoffen'''=
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Das Gefüge eines Stahls beeinflusst im besonderen Maße dessen Eigenschaften,das Stahlgefüge wird allerdings nicht nur durch die Erstarrungsbedingungen beeinflusst. Das sich bildende Gefüge kann auch durch nachträgliche Fertigungsverfahren wie Walzen, Tiefziehen, Schweißen, etc. beeinflusst werden. So werden bspw. beim Walzen eines Stahlbleches die rundlichen Körner in Walzrichtung gestreckt. Eine solche gestreckte Gefügestruktur bezeichnet man dann auch als Walztextur. Das gewalztes Stahlblech verhält sich bei einem anschließenden Biegeprozess in Walzrichtung schließlich anders als quer dazu. Während der Stahl beim Biegen parallel zur Walzrichtung eher zur Rissbildung neigt, ist die Rissgefahr beim Biegen quer zur Walzrichtung wesentlich geringer. Die Umformbarkeit ist also durch das Walzen richtungsabhängig geworden, was sich fertigungstechnisch in der Regel nachteilig auswirkt. Die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft (z.B. Umformbarkeit, Zerspanbarkeit, Stromleitfähigkeit, Reflexionsvermögen, etc.) wird im Allgemeinen als Anisotropie bezeichnet. Verhält sich ein Werkstoff bezüglich einer bestimmten Eigenschaft hingegen in alle Richtungen gleich, so spricht man von Isotropie ("iso" = gleich) bzw. von einem isotropen Werkstoff. Eine Anisotropie in den Eigenschaften eines Werkstoffes ist in der Regel nicht erwünscht, da dies unvorhersehbare Effekte nach sich ziehen kann.
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Aber nicht nur beim Walzen kann das Gefüge eines Stahls negativ beeinflusst werden. Im Bereich der Fügestelle zweier geschweißter Bleche kann es ebenfalls zu unerwünschten Gefügeänderungen kommen. Diese sind den hohen Temperaturen und einer unkontrollierten Abkühlung nach dem Schweißen geschuldet. Die Schweißnaht kann hierdurch spröde werden, sodass die Fügestelle unter hohen Belastungen auseinander zu reißen droht. Aus diesen Gründen wurden bestimmte Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, bei denen das Stahlgefüge durch Aussetzen hoher Temperaturen und gezielter Steuerung der Abkühlung nachträglich in gewünschter Weise geändert werden kann. Auf diese Weise können unerwünschte Gefügeänderungen nicht nur rückgängig gemacht werden (z.B. Rekristallisationsglühen beim Walzen oder Spannungsarmglühen nach dem Schweißen), sondern teilweise völlig neue Eigenschaften erzielt werden (z.B. durch Härten oder Vergüten).
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Durch die Wärmebehandlung von Werkstoffen können also wesentliche Eigenschaften geändert und festgelegt werden. Die Kenntnisse über die Vorgänge in metallischen Werkstoffen bei der Wärmebehandlung erlauben dem Anwender daher die gezielte Optimierung von Bauteilen – passend zur Verwendung.<ref name="HK2007"/><ref name="Höfler"/><ref name="Metallographie in der Praxis"/>
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Die Angaben der Wärmebehandlungsverfahren und der zugehörigen Prüfverfahren sollte immer normgerecht erfolgen, siehe hierzu Kapitel [[Normgerechte Wärmebehandlungsangaben und Prüfvorschriften erstellen|'''Normgerechte Prüfvorschriften erstellen''']] und die entsprechenden Regelwerke wie, DIN ISO 15787<ref name="DIN ISO 15787 "/>, DIN EN ISO 4885<ref name="ISO 4885"/> und weitere.
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Die Eisenwerkstoffe nehmen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche kristalline Zustände ein, deren Eigenschaften zum Teil erheblich voneinander abweichen. Beschleunigtes Abkühlen von der Austenitisierungstemperatur führt zu Unterkühlungserscheinungen, d. h., die Umwandlung des Austenits erfolgt bei tieferen Temperaturen unter veränderten Diffusionsbedingungen für den Kohlenstoff und die Legierungselemente. Die Eigenschaften der Umwandlungsprodukte hängen daher stark von der Umwandlungstemperatur und den dann herrschenden Diffusionsmöglichkeiten ab. Die Erscheinung der allotropen Modifikation und die leichte Unterkühlbarkeit sind die Gründe dafür, dass bei keinem anderen metallischen Werkstoff durch Wärmebehandlungen tiefgreifendere und vielfältigere Eigenschaftsänderungen vorgenommen werden können als bei Eisen-Kohlenstofflegierungen (Stahl). Die Wärmebehandlung ist damit ein Verfahren oder die Kombination mehrerer Verfahren, bei denen ein Werkstück im festen Zustand Temperaturänderungen unterworfen wird, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Dabei kann durch die Umgebung eine Änderung der chemischen Zusammensetzung erfolgen (z. B. Aufkohlen, Aufsticken). Folgende Eigenschaften können geändert werden:
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* die spangebende Bearbeitbarkeit verbessern (z. B. Weichglühen, Grobkornglühen),
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* die Festigkeit erhöhen oder verringern (z. B. Härten, Normalglühen, Weichglühen),
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* die Auswirkung der Kaltverformung beseitigen (z. B. Rekristallisationsglühen, Normalglühen),
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* beseitigen oder Verringern von Seigerungen (z. B. Diffusionsglühen),
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* ändern der Korngröße (z. B. Normalglühen, Rekristallisationsglühen, Grobkornglühen),
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* beseitigen von Eigenspannungen (z. B. Spannungsarmglühen),
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* erzeugen bestimmter Gefügezustände (z. B. Normalglühen, Weichglühen, Härten).
  
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<ref name="HK2007"/><ref name="Höfler"/>Das Gefüge eines Stahls beeinflusst im besonderen Maße dessen Eigenschaften,das Stahlgefüge wird allerdings nicht nur durch die Erstarrungsbedingungen beeinflusst. Das sich bildende Gefüge kann auch durch nachträgliche Fertigungsverfahren wie Walzen, Tiefziehen, Schweißen, etc. beeinflusst werden. So werden bspw. beim Walzen eines Stahlbleches die rundlichen Körner in Walzrichtung gestreckt. Eine solche gestreckte Gefügestruktur bezeichnet man dann auch als Walztextur. Das gewalztes Stahlblech verhält sich bei einem anschließenden Biegeprozess in Walzrichtung schließlich anders als quer dazu. Während der Stahl beim Biegen parallel zur Walzrichtung eher zur Rissbildung neigt, ist die Rissgefahr beim Biegen quer zur Walzrichtung wesentlich geringer. Die Umformbarkeit ist also durch das Walzen richtungsabhängig geworden, was sich fertigungstechnisch in der Regel nachteilig auswirkt. Die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft (z.B. Umformbarkeit, Zerspanbarkeit, Stromleitfähigkeit, Reflexionsvermögen, etc.) wird im Allgemeinen als Anisotropie bezeichnet. Verhält sich ein Werkstoff bezüglich einer bestimmten Eigenschaft hingegen in alle Richtungen gleich, so spricht man von Isotropie ("iso" = gleich) bzw. von einem isotropen Werkstoff. Eine Anisotropie in den Eigenschaften eines Werkstoffes ist in der Regel nicht erwünscht, da dies unvorhersehbare Effekte nach sich ziehen kann.
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Die Verfahren der Wärmebehandlung können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden:
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* Glühen
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* Härten
  
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Aber nicht nur beim Walzen kann das Gefüge eines Stahls negativ beeinflusst werden. Im Bereich der Fügestelle zweier geschweißter Bleche kann es ebenfalls zu unerwünschten Gefügeänderungen kommen. Diese sind den hohen Temperaturen und einer unkontrollierten Abkühlung nach dem Schweißen geschuldet. Die Schweißnaht kann hierdurch spröde werden, sodass die Fügestelle unter hohen Belastungen auseinander zu reißen droht. Aus diesen Gründen wurden bestimmte Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, bei denen das Stahlgefüge durch Aussetzen hoher Temperaturen und gezielter Steuerung der Abkühlung nachträglich in gewünschter Weise geändert werden kann. Auf diese Weise können unerwünschte Gefügeänderungen nicht nur rückgängig gemacht werden (z.B. Rekristallisationsglühen beim Walzen oder Spannungsarmglühen nach dem Schweißen), sondern teilweise völlig neue Eigenschaften erzielt werden (z.B. Härten oder Vergüten).
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[[Glühverfahren|Glühbehandlungen]] verändern das Gefüge in Richtung eines dem Gleichgewicht näheren Zustandes: die Abkühlung erfolgt langsam.  
  
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Durch die Wärmebehandlung von Werkstoffen können also wesentliche Eigenschaften geändert und festgelegt werden. Die Kenntnisse über die Vorgänge in metallischen Werkstoffen bei der Wärmebehandlung erlauben dem Anwender daher die gezielte Optimierung von Bauteilen – passend zur Verwendung.
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Beim [[Härten - Vergüten - Anlassen|Härten]] wird der Austenit mit einer von der Stahlzusammensetzung abhängigen Mindestabkühlgeschwindigkeit (= kritische Abkühlgeschwindigkeit) so schnell abgekühlt, dass das Ungleichgewichtsgefüge Martensit entsteht<ref name="Werkstoffkunde"/>.
  
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Die Angaben der Wärmebehandlung sollte immer normgerecht erfolgen, hierbei empfiehlt sich die Anwendung der Regelwerke wie, DIN ISO 15787<ref name="DIN ISO 15787 "/> oder der DIN ISO 4885<ref name="ISO 4885"/> halten
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<big>'''Eine Wärmebehandlung besteht immer aus 3 Schritten:'''</big><br>
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* '''Erwärmen'''<br>
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* '''Halten'''<br>
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* '''Abkühlen'''
  
 
='''Die verschiedenen Wärmbehandlungsverfahren'''=
 
='''Die verschiedenen Wärmbehandlungsverfahren'''=
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* '''Kombinationsverfahren'''
 
* '''Kombinationsverfahren'''
 
* '''Umformungsthermische Verfahren'''
 
* '''Umformungsthermische Verfahren'''
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{| class="wikitable"
 
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|Grundverfahren der Wärmebehandlung <ref name="Eckstein"/> <ref>TGL 21862/01, ''Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen - Klassifizierung und Terminologie der Grundverfahren'', 1982, Norm der DDR</ref>
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|Grundverfahren der Wärmebehandlung <ref name="Eckstein"/><ref>TGL 21862/01, ''Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen - Klassifizierung und Terminologie der Grundverfahren'', 1982, Norm der DDR</ref><ref name="WBH-Grundlagen"/>
 
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* '''Anwärmen''' (auch Aufwärmen oder Hochwärmen)
 
* '''Anwärmen''' (auch Aufwärmen oder Hochwärmen)
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** In der Anwärmphase wird das Werkstück auf die Haltetemperatur gebracht.
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** In der Anwärmphase wird das Werkstück auf die Haltetemperatur gebracht. Es wird durchgewärmt und dient dem Temperaturausgleich im Werkstück bis es auch der Kern die gewünschte Haltetemperatur erreicht hat.  
  
 
* '''Halten'''
 
* '''Halten'''
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** In der Haltephase wird das Werkstück bei einer konstanten Haltetemperatur gehalten. Sie dient dem Temperaturausgleich im Werkstück und der Gleichgewichtseinstellung chemischer und physikalischer Vorgänge im Werkstoff. Die dazu notwendige Dauer wird Haltezeit genannt und ist außer von dem zu erzielenden Ergebnis auch von der Werkstückgeometrie und der Anordnung der Werkstücke im Glühofen bzw. der Wärmebehandlungsanlage abhängig.
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** In der Haltephase wird das Werkstück bei einer konstanten Haltetemperatur gehalten. Sie dient der Gleichgewichtseinstellung chemischer und physikalischer Vorgänge im Werkstoff. Die dazu notwendige Dauer wird Haltezeit genannt und ist außer von dem zu erzielenden Ergebnis auch von der Werkstückgeometrie und der Anordnung der Werkstücke im Glühofen bzw. der Wärmebehandlungsanlage abhängig. Die Haltezeit wird erst ab den Zeitpunkt gerechnet ab den der Bauteilkern die Temperatur erreicht hat.
  
 
* '''Abkühlen'''
 
* '''Abkühlen'''
 
** In der Abkühlphase wird das Werkstück wieder auf Umgebungstemperatur gebracht.
 
** In der Abkühlphase wird das Werkstück wieder auf Umgebungstemperatur gebracht.
 
Sowohl in der Anwärm- als auch in der Abkühlphase kann die Einhaltung spezifischer Anwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich sein. Werkstoffe für hohe Anforderungen erfordern teilweise eine Auflösung der drei genannten Phasen in weitere Teilphasen. Zur sprachlichen Unterscheidung werden solche komplexen Wärmebehandlungen auch Glühvorschrift oder Glühprogramm genannt. Wobei Glühvorschrift unabhängig von der Art der Glühung gebraucht wird und auch die zeitliche Abfolge von Glühungen verschiedener Werkstücke oder die Zusammenstellung der möglichen Glühungen für ein Produkt(-sortiment) bedeuten kann.  
 
Sowohl in der Anwärm- als auch in der Abkühlphase kann die Einhaltung spezifischer Anwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich sein. Werkstoffe für hohe Anforderungen erfordern teilweise eine Auflösung der drei genannten Phasen in weitere Teilphasen. Zur sprachlichen Unterscheidung werden solche komplexen Wärmebehandlungen auch Glühvorschrift oder Glühprogramm genannt. Wobei Glühvorschrift unabhängig von der Art der Glühung gebraucht wird und auch die zeitliche Abfolge von Glühungen verschiedener Werkstücke oder die Zusammenstellung der möglichen Glühungen für ein Produkt(-sortiment) bedeuten kann.  
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{|class="wikitable"
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|'''Die Glühverfahren sind ein eigenes umfangreiches Kapitel für die eine eigene WIKI Seite erstellt wurde.'''
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'''[[Glühverfahren|Detaillierte Erklärungen zu den Glühverfahren]]'''
  
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* [[Glühverfahren|''' Detaillierte Erklärungen zu den Glühverfahren''']]
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==='''Härten - Anlassen - Vergüten nach Volumenerwärmung'''===
 
==='''Härten - Anlassen - Vergüten nach Volumenerwärmung'''===
  
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===='''Härten'''====
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Stahl oder Eisenlegierungen sind der einzigen Werkstoffe der gehärtet werden können.
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<br>Wird dieser Begriff bei anderen Werkstoffen wie z.B. Aluminium verwendet meint er nicht das klassische Härten (Erwärmen und schnelles abkühlen) sondern andere Prozesse wie aushärten/auslagern, die auch mit einer Steigerung der Festigkeit/Härte verbunden sind.
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{|class="wikitable"
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|'''Die Härteverfahren werden als eigenes Kapitel dargestellt, für die eine eigene WIKI Seite erstellt wurde.'''
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'''[[Härten - Vergüten - Anlassen|Detaillierte Erklärungen zu den Härteverfahren]]'''
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Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Das Austenitisieren ist der Behandlungsschritt, in dem das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird und durch vollständige Phasenumwandlung und Carbidauflösung die Matrix des Stahls austenitisch wird. Nach dem Austenitisieren erfolgt das Abkühlen. Damit das gesamte Werkstück ein martensitisches Gefüge annimmt, muss die Geschwindigkeit des „Temperatursturzes“ größer sein als die sogenannte kritische Abkühlgeschwindigkeit des jeweiligen Stahls.<ref name="Eckstein"/>
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=='''Oberflächenhärteverfahren '''==
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Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden (Öl, Abschrecklösung, Wasser, Luft, Stickstoff).
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Das Oberflächenhärten ist eine besondere Verfahrenstechnik, hierbei wird gezielt eine gewisse Tiefe der Werkstoff härtetechnisch beeinflusst. <br> Es gibt zwei große Gruppen der Oberflächenhärteverfahren:  
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Nach dem Härten besteht das Gefüge, untereutektoider Stähle aus Martensit + evtl. Restaustenit und übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Dem Anteil dieser Phasen ist z.B. bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen große Bedeutung beizumessen, da Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst werden.<ref>EFD Härterei, K. Hirsch, H. Stiele, HH-R01-D01-HAERTEN-GRUNDLAGEN.DOC, Versionsdatum : 29.01.2006, Quellen: EFD- Archiv, Rübig, Ipsen, Industrieverband für Härtetechnik (IHT) Grundlagen der Wärmebehandlung & Härtetechnik</ref>
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* Randschichthärten nur thermische Veränderung der Randzone
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* Oberflächenhärten thermisch - chemische Veränderung der Randzone
  
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
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|'''Funktionsprinzip Härten - Anlassen - Vergüten'''<ref name="Höfler"/>
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|-class="hintergrundfarbe9"
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|'''Verfahrensschritte Härten - Anlassen - Vergüten'''<ref name="Höfler"/>
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|'''Oberflächenhärten Erzeugung einer harten Randschicht bei zähem Kern '''
 
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|[[File:Haerten flussdiagramm.png|500px]]
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|[[File:Zahnrad-1.png|300px|center]]
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|[[File:Haerten verfahrensschritte.png|500px]]
 
 
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|}
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{|class="wikitable"
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|-class="hintergrundfarbe9"
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|'''Die Oberflächenhärteverfahren werden als eigenes Kapitel dargestellt, für die eine eigene WIKI Seite erstellt wurde.'''
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'''[[Oberflächenhärteverfahren|Detaillierte Erklärungen zu den Oberflächenhärteverfahren ]]'''
  
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Voraussetzung für die Härtbarkeit eines Stahles ohne jegliche Vorbehandlung ist ein Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,3%. Bei Werkstücken mit kleinen Abmessungen kann eine vollständige Martensitbildung über den gesamten Querschnitt erfolgen (Durchhärtung / Einhärtung). Bei großen Abmessungen wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit nur bis zu einer bestimmten Tiefe erreicht (Einhärtung), die Tiefe der Einhärtung ist abhängig von:
+
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−
* dem Querschnitt des Werkstückes
 
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* der kritischen Abkühlgeschwindigkeit des Werkstoffes (beeinflussbar durch Legierungselemente)
 
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* dem Kühlvermögen des Abkühlmittels
 
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Die erreichbare Höchsthärte (Aufhärtung) ist allein vom Kohlenstoffgehalt abhängig, der zum Zeitpunkt des Abschreckens im Austenit gelöst war. Die Legierungselemente beeinflussen nur die Durchhärtung. Die maximal erreichbare Härte bei 100%iger Umwandlung zum Martensit liegt bei ca. 66 HRC (Rockwellhärteeinheiten) und wird bei ungefähr 0,8% des im γ-Mischkristall gelösten Kohlenstoffes erreicht, ab ca. 0,5% C wird beim Abkühlen neben Martensit auch Restaustenit vorhanden sein. Die nachfolgende Graphik gibt den Grundsätzlichen Einfluss des Kohlenstoffs und der Legierungselemente wieder.
 
−
 
 
−
[[File:C+Leg.-Einfluss.jpg|800px]]
 
−
 
 
−
===='''Vergüten'''====
 
−
Vergüten ist die unmittelbare Verbindung der Verfahren Härten und nachfolgendes Anlassen, und zwar bei höheren Temperaturen (350 – 700°C), zur Erzielung hoher Zähigkeit bei entsprechender Festigkeit. Es wird angewendet bei Stählen mit 0,2 – 0,6% Kohlenstoff (Vergütungsstähle). Durch eine Gefügeverfeinerung hinsichtlich der Korn- und Karbidgröße sowie der Karbidverteilung werden beim Vergüten die genannten mechanischen Eigenschaften erreicht. Die erreichbaren Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften sind querschnittsabhängig. Eine Durchvergütung größerer Querschnitte ist nur bei legierten Stählen möglich. Gegenüber dem normalisierten Zustand wird durch Vergüten eine erhebliche Zunahme der Festigkeit bei geringer Abnahme der Zähigkeitseigenschaften erreicht.
 
−
 
 
−
===='''Anlassen'''====
 
−
 
 
−
Das Anlassen schließt sich unmittelbar dem Härten an. Das Anlassen gehört wie das Härten zu den thermischen Verfahren, die das gesamte Bauteil, d.h. von der Randzone bis in die Kernbereiche, in ihren mechanischen Eigenschaften beeinflussen.
 
−
Im gehärteten Zustand weist das Bauteil je nach Stahlzusammensetzung eine sehr hohe Härte auf, ist aber gleichzeitig sehr spröde und kann im gehärteten Zustand nicht
 
−
eingesetzt werden. Dabei gilt die Faustformel, dass mit steigender Härte die Zähigkeit sinkt.
 
−
 
 
−
Das Anlassen verfolgt den Zweck, die Härte eines gehärteten Bauteils so weit zu verringern, dass die geforderten Zähigkeitswerte erreicht werden. Der gleichzeitig auftretende Härteverlust wird in Kauf genommen. Welcher Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit eingestellt werden muss, entscheidet der Konstrukteur; denn nur er kennt den Verwendungszweck und die Belastung des Bauteils. Legt man ein Kriterium fest, z.B. die Anlasshärte, ist die Zähigkeit auch festgelegt. Es ist nicht möglich, beide Eigenschaften
 
−
unabhängig voneinander einzustellen.
 
−
 
 
−
Die Dauer der Anlassbehandlung richtet sich nach dem Bauteilquerschnitten und der Chargengröße; die minimale Haltezeit nach vollständiger Durchwärmung der Werkstücke ist 1 Stunde. Das Anlassen kann in Schutzgasanlagen, Vakuumanlagen, Salzbädern oder in Anlagen mit Luft durchgeführt werden. Die Wahl der Atmosphäre beeinflusst  die Oberfläche der Bauteile. Die sich einstellenden Gefügeänderungen sind abhängig von den Anlasstemperaturen und Anlasszeiten, wobei im Stahl vorhandene Legierungselemente die Anlassstufen zu höheren Temperaturen verschieben.
 
−
* Anlassstufe: 80 - 150° C
 
−
** Verringerung der tetragonalen Verzerrung durch Diffusion der auf Zwischengitterplätzen zwangsgelösten Kohlenstoffatome, Bildung des kubischen Martensits (Volumenverringerung)
 
−
* Anlassstufe: 130 - 290°C
 
−
** Umwandlung des Restaustenits in kubischen Martensit (Volumenzunahme), Abnahme der Härte bis zu 4 HRC
 
−
* Anlassen über 300°C
 
−
** Anlassen zum Vergüten und deutlicher Steigerung der Zähigkeit. Erst die Kombination Härten + Anlassen (= Vergüten) erzeugt das Vergütungsgefüge mit den optimierten mechanischen Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzfall.
 
−
** Bei Werkzeug-, Warmarbeits- und Schnellarbeitsstählen, sind mehrfache Anlassbehandlungen (bis zu 4 mal, zum Erzielen des Sekundärhärtemaximums) notwendig, um optimale mechanische Eigenschaften zu erhalten.
 
  
 
=='''Kombinationsverfahren'''==
 
=='''Kombinationsverfahren'''==
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* Randschichthärten und Anlassen
 
* Randschichthärten und Anlassen
 
* Einsatzhärten und Anlassen
 
* Einsatzhärten und Anlassen
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wobei in den Wortangaben entsprechend der Reihenfolge ihrer Durchführung die einzelnen Wärmbehandlungsschritte aufzuzählen sind, z. B. „gehärtet und angelassen“.<ref name="DIN ISO 15787 "/>
+
wobei in den Wortangaben entsprechend der Reihenfolge ihrer Durchführung die einzelnen Wärmbehandlungsschritte aufzuzählen sind, z. B. „gehärtet und angelassen“<ref name="DIN ISO 15787 "/>, auch ist auf die richtige Bezeichnung nach DIN EN ISO 4885 zu achten<ref name="ISO 4885"/>.
  
−
=='''Randschichthärten'''==
+
=='''Umformungsthermische Verfahren'''==
−
Das Randschichthärten ist eine besondere Verfahrenstechnik. Hier wird gezielt eine gewisse Tiefe der Werkstoff härtetechnisch beeinflusst. Nach DIN 17014 ist der Begriff definiert als „Härten mit einem auf die Randschicht beschränkten Austenitisieren“. Zwischen dem gehärteten Bereich und dem unbeeinflussten Material entsteht die sogenannte „Übergangszone“. Es ist zweckmäßig die Art der Randschichthärtung durch das eingesetzte Verfahren zu beschreiben, z.B. Induktionshärten oder Laserstrahlhärten. Randschichthärten wird angewendet bei niedrig- und unlegierten Stählen mit 0,3 - 0,7% Kohlenstoff (obere Grenze zur Vermeidung von Härterissen), insbesondere bei Kurbelwellen, Zapfen, Walzen, Zahnrädern u.a.. Ziel dieses Verfahrens ist eine harte und verschleißbeständige Oberfläche bei zähem Kern. Dazu wird die Randschicht des Werkstückes auf Härtetemperatur erhitzt und durch Abkühlen (Abschrecken) gehärtet. Das Randschichthärten ist mit folgenden Verfahren möglich:
+
'''Kapitel ist in Erstellung'''
−
* Induktionshärten
 
−
* Laserhärten
 
−
* Flammhärten
 
  
−
===='''Funktionsprinzip des Randschichthärtens'''====
+
= '''Anlagentechnik''' =
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* Erzeugung harte Randschicht bei zähem Kern
+
Kapitel ist in Erstellung
  
−
[[File:Zahnrad-1.png|300px]]<ref name="Höfler"/>
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='''Wärmebehandlung von Aluminium'''=
−
 
 
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===='''Flammhärten'''====
 
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<ref name="Höfler"/>Beim Flammhärten wird eine Brennerflamme über die zu härtende Werkstoffoberfläche geführt, die hieraufhin austenitisiert wird. Unmittelbar hinter den Brennerflammen sind Wasserdüsen angebracht, die dann für die notwendige Abkühlung zur Martensitbildung sorgen (Abschrecken). Die Dicke der gehärteten Randschicht hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Brennerflammen über die Werkstückoberfläche gezogen werden. Je langsamer die Geschwindigkeit desto tiefer kann die Wärme eindringen und das Gefüge austenitisieren und umso dicker wird nach dem Abschrecken die gehärtete Randschicht sein. Gleichzeitig muss natürlich auch die zur Martensitbildung notwendige Abkühlgeschwindigkeit in den tieferen Randschichten gegeben sein! Da Legierungselemente im Allgemeinen die kritische Abkühlgeschwindigkeit senken, können bei hochlegierten Stählen tiefere Randschichten gehärtet werden.
 
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Das Flammhärten stößt aufgrund der relativ sperrigen Anordnung der Brennerdüsen und Wasserbrausen vor allem bei kleinen Bauteilen mit komplexen Geometrien an Grenzen. Auch in Sachen Genauigkeit (Einstellung der Härtetiefe) steht das Flammhärten im Allgemeinen dem Induktionshärten und Laserhärten nach. Grundsätzlich sollte das Erwärmen bei den entsprechenden Oberflächenhärteverfahren so zügig wie möglich erfolgen, um die Wärmeeinflusszone auf unerwünschte Bereiche gering zu halten. Ansonsten besteht die Gefahr von Wärmespannungen bzw. des Verzuges der Bauteilgeometrie (Härteverzug). Darüber hinaus kommt es bei langen Heizzeiten zu einer verstärkten Zunderbildung, was in der Regel eine entsprechende Nachbearbeitung erforderlich macht. Bei einer entsprechend raschen Erwärmung muss jedoch beachtet werden, dass kein thermodynamischer Gleichgewichtszustand im Gefüge mehr gegeben ist. Dies führt dazu, dass sich die Umwandlungstemperatur für die Austenitisierung zu höheren Temperaturen hin verschiebt.
 
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'''Funktionsprinzip Flammhärten'''
 
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===='''Induktionshärten'''====
 
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<ref name="Höfler"/>Die Brennerflammen beim Flammhärten führen im Allgemeinen zu einer großen Wärmeeinflusszone. Dies kann bei kleinen Geometrien zu einer unerwünschten Durchhärtung über den gesamten Querschnitt führen. Um auch solche dünnwandige Werkstücke nur an deren Oberfläche im Bereich von wenigen zehntel Millimetern zu härten kann das Induktionshärten angewandt werden.
 
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Das Prinzip des Induktionshärtens beruht auf dem Induktionseffekt, welcher auch bei Induktionskochfeldern oder Transformatoren genutzt wird. Dabei wird in einer Werkzeugelektrode aus Kupfer, die der Form des zu härtenden Werkstückes angepasst ist, ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugt ("Primärspule"). Dies wiederum führt zu einem sich stetig wechselnden Magnetfeld um die Elektrode, welches in das angrenzende Werkstück eindringt und nach dem Induktionseffekt Wirbelströme erzeugt ("Sekundärspule"). Diese sehr großen Wirbelströme von teilweise mehreren Tausend Ampere pro Quadratmillimeter führen zum Erwärmen des Werkstücks. Dass die Wärmeentwicklung dabei vorwiegend an der Oberfläche und weniger im Werkstoffinneren stattfindet ist einem weiteren physikalischen Phänomen zu verdanken, dem sogenannten Skin-Effekt. Während bei Gleichstrom die Stromdichte in einem Leiterquerschnitt konstant ist, so nimmt bei Wechselstrom die Stromdichte mit steigender Frequenz in den äußeren Bereichen zu und im Inneren ab. Die Frequenz der Wirbelströme im Werkstück richtet sich nach der Frequenz des Wechselstromes in der Elektrode (auch Induktor genannt). Hierdurch ergibt sich auch eine relativ einfache Steuerung der Einhärtetiefe. Je höher die Frequenz, desto stärker ist der Skin-Effekt und umso dünnere Härteschichten können erzielt werden.
 
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Die einzustellenden Frequenzen richten sich also nach den zu erzielenden Dicken der Härteschichten. Bei Netzfrequenz von 50 Hz sind Härteschichten im Bereich von 20 mm bis 10 mm erzielbar. Im Mittelfrequenzbereich von 1 kHz bis etwa 10 kHz sind Einhärtetiefen von etwa 5 bis 1 mm erreichbar. Im Hochfrequenzbereich von bis zu mehreren Megahertz können sogar Härteschichten von nur wenigen zehntel Millimetern erzielt werden. Das Abschrecken der austenitisierten Oberfläche erfolgt beim Induktionshärten in der Regel durch nachgeschaltete Wasserbrausen, die mitsamt dem Induktor gleichmäßig über das Werkstück gezogen werden. In Fällen wo nur sehr geringe Einhärtetiefen erzielt werden, kann die Abschreckung auch ohne Wasserbrause über den relativ kühlen Werkstoffkern erfolgen (Selbstabschreckung). Dadurch dass beim Induktionshärten eine sehr große Härte in der Oberfläche erzielt werden kann, kann es zu großen Eigenspannungen kommen. Dies kann ein nachträgliches Anlassen bei geringen Temperaturen erforderlich machen.
 
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Die Heizzeiten sind beim Induktionshärten im Allgemeinen wesentlich geringer als beim Flammhärten, da eine ca. 10-fach größere spezifische Heizleistung von mehreren Kilowatt pro Quadratzentimeter erzielt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Zunderbildung relativ gering ausfällt und der Nachbearbeitungsaufwand dementsprechend reduziert wird. Auch die Gefahr eines Härteverzugs wird hierdurch deutlich verringert. Darüber hinaus entstehen beim Induktionshärten keine (giftigen) Abgase wie beim Flammhärten. Zu den weiteren Vorteilen des Induktionshärtens zählt die gleichmäßigere Erwärmung der Oberfläche, sofern der Induktor optimal auf das Werkstück angepasst ist. Dies erfordert einen entsprechend hohen konstruktiven Werkzeugaufwand im Vorfeld, sodass das Induktionshärten vor allem in automatisierten Fertigungsstraßen bei hohen Losgrößen wirtschaftlich ist. Aufgrund der hohen Stromkosten steigt die Wirtschaftlichkeit, wenn nur geringe Oberflächengrößen an einem Werkstück gehärtet werden müssen.
 
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'''Funktionsprinzip Induktivhärten'''
 
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===='''Laserhärten'''====
 
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<ref name="Höfler"/>Nochmals geringere Aufheizzeiten der zu härtenden Oberfläche als beim Induktionshärten bietet das Laserstrahlhärten (kurz: Laserhärten). Hierdurch werden der ohnehin schon geringe Härteverzug und die Verzunderung nochmals deutlich verringert. Unter Schutzgas können Oxidationen der Oberfläche sogar komplett verhindert werden. Beim Laserhärten wird ein Laserstrahl mit sehr hoher spezifischer Leistung (etwa Faktor 10 im Vergleich zum Induktionshärten) über die zu austenitisierende Werkstückoberfläche geführt. Die enorme Wärmeleistung des Diodenlasers von mehreren Kilowatt führt in kürzester Zeit zum Aufheizen der Randschicht bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur! Da die Wärmeeinbringung nur auf den lokalen Brennfleck des Lasers begrenzt ist, wird eine unnötige Erwärmung unerwünschter Bereiche vermieden. Dies führt dazu, dass die lokal erwärmte Stelle rasch durch die kühleren Umgebungsbereiche abgeschreckt wird. Aufgrund dieser sogenannten Selbstabschreckung entfällt ein Abschrecken mit Wasserbrausen.
 
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Der Laserfleck umfasst je nach Fokussierung und Prozessführung eine Spurbreite von 1 bis ca. 50 mm. Großflächigere Randschichten müssen mit dem Laser somit zeilenweise abgerastert werden. Typische Randhärtetiefen beim Laserhärten liegen im Bereich von 0,1 bis 2 mm. Wie bereits beim Induktionshärten so gilt auch beim Laserhärten, dass die Wirtschaftlichkeit umso höher ist, je kleiner die zu härtenden Flächen und je geringer die Randschichttiefen ausfallen sollen. Vor allem für sehr schwer zugängliche Stellen wie Absätze oder Sacklochbohrung eignet sich das Laserhärten (partielles Härten).
 
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'''Funktionsprinzip Laserhärtens unter Schutzgas'''
 
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=='''Thermisch chemische Verfahren'''==
 
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==='''Einsatzhärten'''===
 
  
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==='''Nitrieren'''===
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Das Wärmebehandeln von Aluminium ist nicht mit dem der Stahlwerkstoffe zu vergleichen. Die Aluminium Zentrale hat hierzu das hervorragendes '''''Merkblatt W7 - Wärmebehandlung von Aluminium Werkstoffen''''' heraus gegeben.<ref>https://www.aluminiumdeutschland.de/wp-content/uploads/2022/11/W7_Waermebehandlung_von_Aluminiumlegierungen.pdf</ref> Hier wird detailliert die Wärmebehandlung von Aluminium Werkstoffen beschrieben.
  
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==='''Borieren'''===
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'''Kapitel ist in Erstellung'''
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=='''Umformungsthermische Verfahren'''==
 
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='''Wärmebehandlung von Aluminium'''=
 
  
 
= '''Einzelnachweise''' =
 
= '''Einzelnachweise''' =
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<ref name="Eckstein"> H.J. Eckstein Herausgeber, Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig</ref>
 
<ref name="Eckstein"> H.J. Eckstein Herausgeber, Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig</ref>
 
<ref name="HK2007">Arnold Horsch, ''Grundlagen der Härteprüfung'', Vortrag, 63. Härtereikolloquium, Wiesbaden, 2007</ref>
 
<ref name="HK2007">Arnold Horsch, ''Grundlagen der Härteprüfung'', Vortrag, 63. Härtereikolloquium, Wiesbaden, 2007</ref>
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<ref name="Höfler">Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler, 75443 Ötisheim, Akazienweg 8, Maschinenbau & Physik, www.ahoefler.de/de/maschinenbau/werkstoffkunde/27-waermebehandlung.html</ref>
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<ref name="DIN ISO 15787 ">[https://www.beuth.de/de/norm/din-iso-15787/122364177 DIN ISO 15787] Technische Produktdokumentation - Wärmebehandelte Teile aus Eisenwerkstoffen - Darstellung und Angaben, Beuth Verlag Gmbh, Berlin</ref>
+
<ref name="Höfler">Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler, Rosenstr. 94, 76287 Rheinstetten, Maschinenbau & Physik, https://www.tec-science.com/de/werkstofftechnik/waermebehandlung-stahl/oberflaechenhaerten-randschichthaerten/#more-3068</ref>
−
<ref name="ISO 4885"> [http://www.beuth.de/de/norm/iso-4885/2053899 '''DIN ISO 4885'''], Ferrous products — Heat treatments — Vocabulary</ref>
+
<ref name="DIN ISO 15787">[https://www.beuth.de/de/norm/din-iso-15787/122364177 DIN ISO 15787], Technische Produktdokumentation - Wärmebehandelte Teile aus Eisenwerkstoffen - Darstellung und Angaben, Beuth Verlag Gmbh, Berlin</ref>
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<references />
+
<ref name="ISO 4885">[https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-4885/289121134 DIN EN ISO 4885], Eisenwerkstoffe - Wärmebehandlung - Begriffe / Ferrous products — Heat treatments — Vocabulary</ref>
 +
<ref name="Metallographie in der Praxis">[http://www.arnold-horsch.de/seminare Arnold Horsch], Seminar Metallographie in der Praxis, Teil 1, Arnold Horsch e.K., Remscheid</ref>
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<ref name="WBH-Grundlagen">[http://www.arnold-horsch.de/seminare '''Arnold Horsch'''], Seminar Werkstoffprüfung + Metallographie für Auszubildende und Labormitarbeiter, Kapitel Grundlagen der Wärmebehandlung, Arnold Horsch e.K., Remscheid</ref>
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Aktuelle Version vom 25. Dezember 2023, 14:14 Uhr

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  • Aufgezählter Listeneintrag

Die Wärmebehandlung von Metallen

In diesem Kapitel wird die Wärmebehandlung von Stahl - Eisenwerkstoffen und Aluminium behandelt, es werden nicht die Grundlagen der Metallkunde erläutert sondern nur die Wärmebehandlungsverfahren beschrieben. Die nachfolgende Zusammenfassung stellt nur eine Kurzbeschreibung der gängigen Wärmebehandlungsverfahren bei Eisen - und Stahlwerkstoffen dar, wenn Sie mehr über Wärmebehandlung Wissen möchten, besuchen Sie doch eines meiner Seminare zu diesem Themen.

Die Wärmebehandlung von Metallen stellt einen der wichtigsten Produktionsschritte in der Veredelung von Bauteilen aus Metallen dar. Alle aus Metallen hergestellten Erzeugnisse werden im Laufe der Produktion mehrfach Temperaturänderungen (Wärmebehandlungen) ausgesetzt. Schon frühzeitig wurde erkannt, dass damit Eigenschaftsveränderungen verbunden sind, die ausgenutzt werden können, um einen beanspruchungsgerechten Werkstoffzustand herzustellen. Das Ergebnis war die Herausbildung von Wärmebehandlungstechnologien als eigenständige Prozessstufe. Darüber hinaus kann man heute feststellen, dass die gesammelten Erfahrungen in Verbindung mit der wissenschaftlichen Durchdringung der Verfahren es gestatten, in vollem Umfang alle ablaufenden Temperaturänderungen zu einer gezielten Beeinflussung der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften zu nutzen. Das bedeutet, dass sich das Gebiet der Wärmebehandlung erweitert und der Begriff folgerichtig alle vorgesehenen thermischen Operationen umfassen sollte, die Eigenschaftsänderungen des Werkstoffs zum Ziel haben.

Wenn wir über Wärmebehandlung sprechen benötigen wir erst ein mal eine Definition was Wärmebehandlung ist.

Definition Wärmebehandlung[1]

Definition Wärmebehandlung[1]
Wärmebehandlung ist eine folge von Wärmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, um eine Änderung seiner Eigenschaften und/oder seines Gefüges herbeizuführen.

Die Behandlung kann mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung (thermochemische Behandlung) oder auch einem Umformen (thermomechanische Behandlung) verbunden sein.

Entsprechend dem Ziel des Verfahrens wird die Wärmebehandlung durch folgende Angaben charakterisiert:

  • Art des Erwärmens
  • Haltetemperatur
  • Haltedauer
  • Art des Abkühlens (Ofen-, Luft-, Öl-, Wasserabkühlung)

Ziel der Wärmebehandlung

Ziel einer Wärmebehandlung kann beispielsweise sein:

  • Herstellung eines bestimmten Ausgangsgefüges (Lösungsglühen bei Aluminium Legierungen)
  • Beseitigung von Kaltverfestigung (Rekristallisationsglühen)
  • Verbesserung der Bearbeitbarkeit (Weichglühen, Grobkornglühen)
  • Arbeitsgang der Erzeugung (Härten von Werkzeugen)
  • Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Vergüten von Stahl, Aushärten von Al-Legierungen)
  • Verminderung des Verschleißes und Erhöhung der Dauerfestigkeit (Randschichthärten von Zahnrädern)
  • Abbau von Bearbeitungs- Guss- oder Schweißspannungen (Spannungsarmglühen)

Wärmebehandlung von Stahl- und Eisenwerkstoffen

Das Gefüge eines Stahls beeinflusst im besonderen Maße dessen Eigenschaften,das Stahlgefüge wird allerdings nicht nur durch die Erstarrungsbedingungen beeinflusst. Das sich bildende Gefüge kann auch durch nachträgliche Fertigungsverfahren wie Walzen, Tiefziehen, Schweißen, etc. beeinflusst werden. So werden bspw. beim Walzen eines Stahlbleches die rundlichen Körner in Walzrichtung gestreckt. Eine solche gestreckte Gefügestruktur bezeichnet man dann auch als Walztextur. Das gewalztes Stahlblech verhält sich bei einem anschließenden Biegeprozess in Walzrichtung schließlich anders als quer dazu. Während der Stahl beim Biegen parallel zur Walzrichtung eher zur Rissbildung neigt, ist die Rissgefahr beim Biegen quer zur Walzrichtung wesentlich geringer. Die Umformbarkeit ist also durch das Walzen richtungsabhängig geworden, was sich fertigungstechnisch in der Regel nachteilig auswirkt. Die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft (z.B. Umformbarkeit, Zerspanbarkeit, Stromleitfähigkeit, Reflexionsvermögen, etc.) wird im Allgemeinen als Anisotropie bezeichnet. Verhält sich ein Werkstoff bezüglich einer bestimmten Eigenschaft hingegen in alle Richtungen gleich, so spricht man von Isotropie ("iso" = gleich) bzw. von einem isotropen Werkstoff. Eine Anisotropie in den Eigenschaften eines Werkstoffes ist in der Regel nicht erwünscht, da dies unvorhersehbare Effekte nach sich ziehen kann.

Aber nicht nur beim Walzen kann das Gefüge eines Stahls negativ beeinflusst werden. Im Bereich der Fügestelle zweier geschweißter Bleche kann es ebenfalls zu unerwünschten Gefügeänderungen kommen. Diese sind den hohen Temperaturen und einer unkontrollierten Abkühlung nach dem Schweißen geschuldet. Die Schweißnaht kann hierdurch spröde werden, sodass die Fügestelle unter hohen Belastungen auseinander zu reißen droht. Aus diesen Gründen wurden bestimmte Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, bei denen das Stahlgefüge durch Aussetzen hoher Temperaturen und gezielter Steuerung der Abkühlung nachträglich in gewünschter Weise geändert werden kann. Auf diese Weise können unerwünschte Gefügeänderungen nicht nur rückgängig gemacht werden (z.B. Rekristallisationsglühen beim Walzen oder Spannungsarmglühen nach dem Schweißen), sondern teilweise völlig neue Eigenschaften erzielt werden (z.B. durch Härten oder Vergüten).

Durch die Wärmebehandlung von Werkstoffen können also wesentliche Eigenschaften geändert und festgelegt werden. Die Kenntnisse über die Vorgänge in metallischen Werkstoffen bei der Wärmebehandlung erlauben dem Anwender daher die gezielte Optimierung von Bauteilen – passend zur Verwendung.[1][2][3]

Die Angaben der Wärmebehandlungsverfahren und der zugehörigen Prüfverfahren sollte immer normgerecht erfolgen, siehe hierzu Kapitel Normgerechte Prüfvorschriften erstellen und die entsprechenden Regelwerke wie, DIN ISO 15787[4], DIN EN ISO 4885[5] und weitere.

Die Eisenwerkstoffe nehmen in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche kristalline Zustände ein, deren Eigenschaften zum Teil erheblich voneinander abweichen. Beschleunigtes Abkühlen von der Austenitisierungstemperatur führt zu Unterkühlungserscheinungen, d. h., die Umwandlung des Austenits erfolgt bei tieferen Temperaturen unter veränderten Diffusionsbedingungen für den Kohlenstoff und die Legierungselemente. Die Eigenschaften der Umwandlungsprodukte hängen daher stark von der Umwandlungstemperatur und den dann herrschenden Diffusionsmöglichkeiten ab. Die Erscheinung der allotropen Modifikation und die leichte Unterkühlbarkeit sind die Gründe dafür, dass bei keinem anderen metallischen Werkstoff durch Wärmebehandlungen tiefgreifendere und vielfältigere Eigenschaftsänderungen vorgenommen werden können als bei Eisen-Kohlenstofflegierungen (Stahl). Die Wärmebehandlung ist damit ein Verfahren oder die Kombination mehrerer Verfahren, bei denen ein Werkstück im festen Zustand Temperaturänderungen unterworfen wird, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Dabei kann durch die Umgebung eine Änderung der chemischen Zusammensetzung erfolgen (z. B. Aufkohlen, Aufsticken). Folgende Eigenschaften können geändert werden:

  • die spangebende Bearbeitbarkeit verbessern (z. B. Weichglühen, Grobkornglühen),
  • die Festigkeit erhöhen oder verringern (z. B. Härten, Normalglühen, Weichglühen),
  • die Auswirkung der Kaltverformung beseitigen (z. B. Rekristallisationsglühen, Normalglühen),
  • beseitigen oder Verringern von Seigerungen (z. B. Diffusionsglühen),
  • ändern der Korngröße (z. B. Normalglühen, Rekristallisationsglühen, Grobkornglühen),
  • beseitigen von Eigenspannungen (z. B. Spannungsarmglühen),
  • erzeugen bestimmter Gefügezustände (z. B. Normalglühen, Weichglühen, Härten).

Die Verfahren der Wärmebehandlung können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden:

  • Glühen
  • Härten

Glühbehandlungen verändern das Gefüge in Richtung eines dem Gleichgewicht näheren Zustandes: die Abkühlung erfolgt langsam.

Beim Härten wird der Austenit mit einer von der Stahlzusammensetzung abhängigen Mindestabkühlgeschwindigkeit (= kritische Abkühlgeschwindigkeit) so schnell abgekühlt, dass das Ungleichgewichtsgefüge Martensit entsteht[6].

Eine Wärmebehandlung besteht immer aus 3 Schritten:

  • Erwärmen
  • Halten
  • Abkühlen

Die verschiedenen Wärmbehandlungsverfahren

Unterschieden werden die Wärmebehandlungsverfahren in 4 Hauptgruppen:

  • Thermische Verfahren
  • Thermisch chemische Verfahren
  • Kombinationsverfahren
  • Umformungsthermische Verfahren
Grundverfahren der Wärmebehandlung [7][8][9]
WBH-Basis1.jpg

Thermische Verfahren

Glühverfahren

Unter Glühen versteht man in der Werkstoffkunde das Anwärmen, Durchwärmen und Abkühlen von Halbzeugen und Werkstücken zur Erzielung definierter Werkstoffeigenschaften. Glühen ist ein Teilgebiet der Wärmebehandlung und zählt nach DIN 8580 zu den Fertigungsverfahren durch Änderung der Stoffeigenschaft.

Man unterteilt den Glühvorgang in mindestens drei Phasen:

  • Anwärmen (auch Aufwärmen oder Hochwärmen)
    • In der Anwärmphase wird das Werkstück auf die Haltetemperatur gebracht. Es wird durchgewärmt und dient dem Temperaturausgleich im Werkstück bis es auch der Kern die gewünschte Haltetemperatur erreicht hat.
  • Halten
    • In der Haltephase wird das Werkstück bei einer konstanten Haltetemperatur gehalten. Sie dient der Gleichgewichtseinstellung chemischer und physikalischer Vorgänge im Werkstoff. Die dazu notwendige Dauer wird Haltezeit genannt und ist außer von dem zu erzielenden Ergebnis auch von der Werkstückgeometrie und der Anordnung der Werkstücke im Glühofen bzw. der Wärmebehandlungsanlage abhängig. Die Haltezeit wird erst ab den Zeitpunkt gerechnet ab den der Bauteilkern die Temperatur erreicht hat.
  • Abkühlen
    • In der Abkühlphase wird das Werkstück wieder auf Umgebungstemperatur gebracht.

Sowohl in der Anwärm- als auch in der Abkühlphase kann die Einhaltung spezifischer Anwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich sein. Werkstoffe für hohe Anforderungen erfordern teilweise eine Auflösung der drei genannten Phasen in weitere Teilphasen. Zur sprachlichen Unterscheidung werden solche komplexen Wärmebehandlungen auch Glühvorschrift oder Glühprogramm genannt. Wobei Glühvorschrift unabhängig von der Art der Glühung gebraucht wird und auch die zeitliche Abfolge von Glühungen verschiedener Werkstücke oder die Zusammenstellung der möglichen Glühungen für ein Produkt(-sortiment) bedeuten kann.

Die Glühverfahren sind ein eigenes umfangreiches Kapitel für die eine eigene WIKI Seite erstellt wurde.

Detaillierte Erklärungen zu den Glühverfahren

Härten - Anlassen - Vergüten nach Volumenerwärmung

Stahl oder Eisenlegierungen sind der einzigen Werkstoffe der gehärtet werden können.
Wird dieser Begriff bei anderen Werkstoffen wie z.B. Aluminium verwendet meint er nicht das klassische Härten (Erwärmen und schnelles abkühlen) sondern andere Prozesse wie aushärten/auslagern, die auch mit einer Steigerung der Festigkeit/Härte verbunden sind.

Die Härteverfahren werden als eigenes Kapitel dargestellt, für die eine eigene WIKI Seite erstellt wurde.

Detaillierte Erklärungen zu den Härteverfahren

Oberflächenhärteverfahren

Das Oberflächenhärten ist eine besondere Verfahrenstechnik, hierbei wird gezielt eine gewisse Tiefe der Werkstoff härtetechnisch beeinflusst.
Es gibt zwei große Gruppen der Oberflächenhärteverfahren:

  • Randschichthärten nur thermische Veränderung der Randzone
  • Oberflächenhärten thermisch - chemische Veränderung der Randzone
Oberflächenhärten Erzeugung einer harten Randschicht bei zähem Kern
Zahnrad-1.png
Die Oberflächenhärteverfahren werden als eigenes Kapitel dargestellt, für die eine eigene WIKI Seite erstellt wurde.

Detaillierte Erklärungen zu den Oberflächenhärteverfahren

Kombinationsverfahren

Der Härteprozess kann grundsätzlich immer auch als Kombinationsverfahren durchgeführt werden. Hierbei werden verschiedene Wärmebehandlungsschritte durchgeführt die jeder für sich alleine oder eben in Kombination mit anderen Wärmebehandlungsschritten durchgeführt werden. Dies sind z.B.-

  • Härten + Anlassen
  • Vergüten
  • Randschichthärten und Anlassen
  • Einsatzhärten und Anlassen

wobei in den Wortangaben entsprechend der Reihenfolge ihrer Durchführung die einzelnen Wärmbehandlungsschritte aufzuzählen sind, z. B. „gehärtet und angelassen“[4], auch ist auf die richtige Bezeichnung nach DIN EN ISO 4885 zu achten[5].

Umformungsthermische Verfahren

Kapitel ist in Erstellung

Anlagentechnik

Kapitel ist in Erstellung

Wärmebehandlung von Aluminium

Das Wärmebehandeln von Aluminium ist nicht mit dem der Stahlwerkstoffe zu vergleichen. Die Aluminium Zentrale hat hierzu das hervorragendes Merkblatt W7 - Wärmebehandlung von Aluminium Werkstoffen heraus gegeben.[10] Hier wird detailliert die Wärmebehandlung von Aluminium Werkstoffen beschrieben.

Kapitel ist in Erstellung

Einzelnachweise

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Arnold Horsch, Grundlagen der Härteprüfung, Vortrag, 63. Härtereikolloquium, Wiesbaden, 2007
  2. ↑ Dipl.-Ing.-Päd. Andreas Höfler, Rosenstr. 94, 76287 Rheinstetten, Maschinenbau & Physik, https://www.tec-science.com/de/werkstofftechnik/waermebehandlung-stahl/oberflaechenhaerten-randschichthaerten/#more-3068
  3. ↑ Arnold Horsch, Seminar Metallographie in der Praxis, Teil 1, Arnold Horsch e.K., Remscheid
  4. ↑ 4,0 4,1 DIN ISO 15787, Technische Produktdokumentation - Wärmebehandelte Teile aus Eisenwerkstoffen - Darstellung und Angaben, Beuth Verlag Gmbh, Berlin
  5. ↑ 5,0 5,1 DIN EN ISO 4885, Eisenwerkstoffe - Wärmebehandlung - Begriffe / Ferrous products — Heat treatments — Vocabulary
  6. ↑ Werkstoffkunde 10. Auflage, Hans-Jürgen Bargel · Günter Schulze (Hrsg.),Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008
  7. ↑ H.J. Eckstein Herausgeber, Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig
  8. ↑ TGL 21862/01, Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen - Klassifizierung und Terminologie der Grundverfahren, 1982, Norm der DDR
  9. ↑ Arnold Horsch, Seminar Werkstoffprüfung + Metallographie für Auszubildende und Labormitarbeiter, Kapitel Grundlagen der Wärmebehandlung, Arnold Horsch e.K., Remscheid
  10. ↑ https://www.aluminiumdeutschland.de/wp-content/uploads/2022/11/W7_Waermebehandlung_von_Aluminiumlegierungen.pdf

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