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Das Gefüge eines Stahls beeinflusst in besonderem Maße seine Eigenschaften.
Das Stahlgefüge wird jedoch nicht nur durch die Erstarrungsbedingungen beeinflusst.
Das Gefüge kann auch durch nachfolgende Fertigungsprozesse wie Walzen, Tiefziehen und Schweißen negativ beeinflusst werden.
Aus diesen Gründen wurden Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, bei denen das Gefüge des Stahls durch hohe Temperaturen und gezielte Steuerung der Abkühlung nachträglich in gewünschter Weise verändert werden kann.
Damit lassen sich nicht nur unerwünschte Gefügeveränderungen, wie sie bei vielen Herstellungsprozessen auftreten, rückgängig machen, sondern zum Teil auch völlig neue Eigenschaften erzielen.
Im Folgenden sollen daher die wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren für Stahl näher erläutert werden.
Diese werden allgemein auch als Glühverfahren bezeichnet.
Ein feines Gefüge mit vielen kleinen Körnern führt im Allgemeinen zu sehr guten Zähigkeits- und Festigkeitswerten.
Erstrebenswert ist dabei ein homogenes Gefüge, das über den gesamten Bereich immer ähnlich große kleine Körner aufweist.
Nur so ist gewährleistet, dass der Werkstoff an jeder Stelle die gestellten Festigkeitsanforderungen in gleichem Maße erfüllt.
Die Erzielung eines homogenen Gefüges während der Erstarrung eines Stahls stellt jedoch hohe Anforderungen, da die Erstarrungsbedingungen nicht in der gesamten Schmelze gleich sind.
So kühlt z.B. Stahlguss an den Kontaktstellen mit der Formwand schneller ab als im Inneren.
Während sich also in den Randbereichen aufgrund der stärkeren Unterkühlung ein feinkörnigeres Gefüge einstellt, können sich im Inneren größere Körner bilden.
Nicht nur bei der Erstarrung, sondern beispielsweise auch beim Schmieden kann ein heterogenes Korngefüge entstehen, da sich die Korngrenzen bei hohen Temperaturen durch die Fusionsvorgänge verschieben und sich die Körner miteinander vereinigen können.
Es kommt also zu einer Kornneubildung, das sowohl kleine als auch große Körner entstehen lässt, mit der Folge eines heterogenen Gefüges.
Dasselbe Phänomen kann auch bei geschweißten Bauteilen im Bereich der Wärmeeinflusszone auftreten.
Deshalb ist es notwendig, ein inhomogenes Gefüge durch eine gezielte Wärmebehandlung zu homogenisieren.
Dadurch erhält der Stahl seine normalen Eigenschaften, die jederzeit reproduzierbar sind.
Die gezielte Homogenisierung eines Stahlgefüges wird daher auch als Normalglühen oder Normalisieren bezeichnet.
Beim Normalglühen wird der Stahl bis knapp über die GSK-Linie erwärmt, sodass sich das Perlit vollständig in Austenit umwandelt.
Anschließend wird der austenitisierte Stahl langsam an der Luft abgekühlt.
Da sich während der Gamma-Alpha-Umwandlung die Körner neu bilden, tritt eine Kornfeinung ein, die dem Gefüge eine homogene Struktur verleiht.
Die Temperatur beim Normalglühen sollte nicht höher als ca. 30 °Celsius über der GSK-Linie gewählt werden, da sonst die Gefahr der Grobkornbildung besteht.
Der Grund dafür ist, dass große runde Körner energetisch günstiger sind als viele kleine.
Daher strebt das Gefüge immer die Bildung eines einzigen großen Korns an.
Dazu sind unter anderem Diffusionsvorgänge notwendig, die durch höhere Temperaturen begünstigt werden.
Deshalb wird beim Normalglühen versucht, die Temperatur so niedrig wie möglich zu halten, um Grobkornbildung zu vermeiden.
Aus diesem Grund werden überutektoide Stähle nicht vollständig bis in den Austenitbereich erwärmt.
Merke also: Ziel des Normalglühens ist die Einstellung eines gleichmäßigen, homogenen Gefüges mit reproduzierbaren Eigenschaften bei gleichzeitig guten Festigkeits- und Zähigkeitswerten.
Das Normalglühen findet vorzugsweise bei untereutektoiden Stählen Anwendung, deren Gefüge durch Fertigungsverfahren wie Schmieden, Walzen, Gießen oder Schweißen negativ beeinflusst wurden.
Beim Walzen kann das Normalglühen bereits während dem Walzprozess durchgeführt werden.
Dies bezeichnet man auch als normalisierendes Walzen.
Nicht jedes Bauteil muss auf hohe Festigkeits- und Zähigkeitswerte ausgelegt sein, wie sie durch Normalglühen erreicht werden können.
Bei einem gebogenen Bauteil, das lediglich eine optische Funktion hat, kommt es beispielsweise nicht darauf an, hohe Kräfte aufnehmen zu können.
Vielmehr steht bei der Werkstoffauswahl eine gute Umformbarkeit des Stahls im Vordergrund.
Wenn in dieses gebogene Bauteil später ein Absatz gefräst werden soll, muss zudem eine gute Spannbarkeit gegeben sein.
Dies spielt insbesondere bei der automatisierten Fertigung mit hohen Losgrößen eine wichtige Rolle, um die Fertigung wirtschaftlich zu gestalten.
Daher kann es erforderlich sein, das Gefüge eines Stahls so anzupassen, dass es sich besser umformen oder spanabhebend bearbeiten lässt.
Insbesondere im Hinblick auf die Umformbarkeit ist es daher notwendig, ein entsprechend weiches Gefüge zu erzeugen.
Dies kann durch sogenanntes Weichglühen erreicht werden.
Beim Weichglühen werden untereutektoide Stähle bis knapp unter die PS-Linie erwärmt, sodass der Zementit gerade noch nicht in Austenit zerfällt.
Der lamellare Zementit hat nun genügend Zeit, sich durch die Fusionsvorgänge in die thermodynamisch günstigere rundlichere Form umzuwandeln.
Es entsteht aus dem Streifenzementit des Perlit dann kugelförmiger Zementit.
Dieser wird auch Kugelzementit genannt.
Nach der Umwandlung des Zementits in die runde Form wird der Stahl langsam abgekühlt.
Im Gegensatz zu den untereutektoiden Stählen werden die übereutektoiden Stähle beim Weichglühen knapp oberhalb oder schwankend um die ESALinie erwärmt.
Ein besonders homogenes Gefüge mit fein verteiltem Kugelzementit kann durch Härten des Stahls vor dem Weichglühen erreicht werden.
Dabei bildet sich der Kugelzementit aus dem bereits relativ homogenen Martensitgefüge.
Nach dem Weichglühen weist der Stahl aufgrund der kugeligen Zementitform eine deutlich verbesserte Umformbarkeit auf.
Dies ist auf die erleichterte Versetzungsbewegung zurückzuführen.
Während sich die streifenförmigen Zementitlamellen teilweise vollständig von einem Kornende zum anderen erstrecken, sind die Zementitkugeln nur vereinzelt im Korn vorhanden.
Die Versetzungsbewegung wird daher durch den Kugelzementit weniger stark behindert als durch den Streifenzementit.
Entsprechend steigt die Verformbarkeit, während die Härte sinkt.
Dies erleichtert das anschließende Biegen, Walzen oder Tiefziehen, da geringere Umformkräfte erforderlich sind.
Außerdem wird durch den kugelförmigen Zementit eine bessere Zerspanbarkeit des Stahls erreicht, da die Zementitkugeln der Werkzeugschneide einen geringeren Widerstand entgegensetzen als die lamellare Zementitform.
Dies erhöht die Standzeit des Werkzeugs, das heißt die Zeit, die das Werkzeug im Eingriff verbringen kann, bevor es nachgeschliffen werden muss.
Das abgebildete Gefüge zeigt einen weichgeglühten Stahl C45.
Man erkennt die runden Zementitkügelchen, die aus dem Streifenzementit entstanden sind.
Merke also: Ziel des Weichglühens ist die Verbesserung der Umformbarkeit sowie der Zerspanbarkeit durch Kugelzementit anstelle von Streifenzementit im Gefüge.
Untereutektoide Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unterhalb ca. 0,3 % Kohlenstoff werden in der Regel nicht weichgeglüht, da diese ohnehin relativ weich sind.
Bei diesen Stählen ist zwar eine gute Umformbarkeit bereits gegeben, die Zerspanbarkeit ist aufgrund der Neigung zum sogenannten jedoch ungünstig.
Das weiche Material klebt durch die hohen Temperaturen bei der Bearbeitung regelrecht an der Werkzeugschneide fest.
Es entstehen sogenannte Aufbauschneiden.
Um solchen weichen kohlenstoffarmen Stählen dennoch eine gute Zerspanbarkeit zu verleihen, bietet sich als Wärmebehandlung das nachfolgend beschriebene Grobkorn-Glühen an.
Während ein grobkörniges Stahlgefüge wegen der geringeren Zähigkeits- und Festigkeitswerte in der Regel unerwünscht ist, liegt der Vorteil eines grobkörnigen Gefüges in der daraus resultierenden besseren Zerspanbarkeit, die auf die erhöhte Sprödigkeit des Grobkorns zurückzuführen ist.
Insbesondere bei den bereits angesprochenen kohlenstoffarmen Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,3 % bietet sich das Grobkorn-Glühen als Alternative zum Weichglühen an, um die Zerspanbarkeit entsprechend zu verbessern.
Beim Grobkorn-Glühen wird der Stahl im Bereich von 950 °C bis 1100 °C geglüht.
Bei diesen hohen Temperaturen können Diffusionsvorgänge in ausreichendem Maße stattfinden, sodass sich Atome an den Korngrenzen neu anordnen können und diese dadurch wachsen.
Die treibende Kraft hierfür ist letztlich die Verringerung der Oberflächenenergie, die mit einem größeren Korn anstelle vieler kleiner einhergeht.
Da die Diffusionsvorgänge Zeit benötigen, muss je nach Dicke des Werkstücks mehrere Stunden geglüht werden.
Dies macht das Grobkorn-Glühen relativ teuer.
Merke also: Ziel des Grobkorn-Glühens ist die Verbesserung der Spanbarkeit bei kohlenstoffarmen Stählen.
Wegen der im Allgemeinen ungünstigen Festigkeitseigenschaften bleibt das Grobkorn-Glühen auf kohlenstoffarme Stähle beschränkt und wird nur sehr selten angewendet.
Nach spanender Bearbeitung des Grobkorngefüges kann dieses jedoch durch Normalglühen wieder entfernt werden, um bessere Festigkeitseigenschaften zu erhalten.
Die vielen einzelnen Prozessschritte führen jedoch dazu, dass der Herstellungsprozess des Bauteils relativ teuer wird.
Das Gefüge gewalzter, gebogener oder tiefgezogener Werkstücke wird durch die hohen Umformkräfte stark verformt.
Dadurch ändern sich auch die Werkstoffeigenschaften.
So werden beispielsweise beim Walzen eines Stahlblechs die runden Körner in Walzrichtung gestreckt.
Eine solche gestreckte Gefügestruktur wird auch als Walztextur bezeichnet.
Das gewalzte Stahlblech verhält sich bei einem anschließenden Biegevorgang in Walzrichtung anders als quer zur Walzrichtung.
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.
Eine solche Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft wird allgemein als Anisotropie bezeichnet.
Verhält sich ein Werkstoff hinsichtlich einer bestimmten Eigenschaft dagegen in allen Richtungen gleich, spricht man von Isotropie.
Eine Anisotropie in den Eigenschaften eines Werkstoffes ist in der Regel nicht erwünscht, da sie zu unvorhersehbaren Effekten führen kann.
Ziel muss es daher sein, die verformten Kristalle eines umgeformten Gefüges vor jedem mehrstufigen Umformprozess wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen.
Dies kann durch das sogenannte Rekristallisationsglühen erreicht werden.
Beim Rekristallisationsglühen wird der Stahl unterhalb der PSK-Linie im Bereich von 550 °C bis 700 °C geglüht.
Es findet also keine Gitterumwandlung statt, wie dies beim Normalglühen oder teilweise auch beim Weichglühen der Fall ist.
Obwohl auch bei diesen beiden Verfahren ein Rekristallisationseffekt eintritt, können die Korngrenzen durch die Fusionsvorgänge wandern und die Körner bilden sich neu.
Die verformten Körner nehmen ihre ursprüngliche Form wieder an und der Werkstoff erhält seine isotropen Verformungseigenschaften zurück.
Die Größe der rekristallisierten Körner hängt neben der Glühdauer und der Glühtemperatur insbesondere vom Verformungsgrad der einzelnen Körner ab.
Ein hoher Verformungsgrad mit sehr feinen, langgestreckten Kristallen führt zu einem eher feinkörnigen Gefüge.
Ein geringerer Verformungsgrad führt entsprechend zu einem grobkörnigeren Rekristallisationsgefüge.
Vor allem bei einem wenig verformten Gefüge besteht aber auch die Gefahr der Grobkornbildung.
Diese Gefahr kann vor allem bei kohlenstoffarmen Stählen mit Kohlenstoffgehalten unter 0,2 % auftreten, sodass unter Umständen das Normalglühen für das Rekristallisieren besser geeignet ist.
Für umwandlungsfreie Stähle, bei denen die Gamma-Alpha-Umwandlung durch Legierungszusätze vollständig unterdrückt wird, ist das Rekristallisationsglühen hingegen die einzige Möglichkeit zur Feinkornbildung.
Um bei mehrstufigen Umformprozessen die Verformbarkeit des Werkstoffs stets zu erhalten, muss das Gefüge zwischen jedem Umformschritt rekristallisiert werden.
Dieses Verfahren wird auch als Zwischenglühen bezeichnet.
Der Effekt des Rekristallisierens kann auch bereits während des Umformprozesses genutzt werden, indem im Bereich der Rekristallisationstemperatur umgeformt wird.
Man spricht dann von der sogenannten Warmumformung.
Wird der Werkstoff dagegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt, spricht man von Kaltumformung.
Die Warmumformung stellt wesentlich höhere Anforderungen an die beteiligten Maschinen, sodass stets die Wirtschaftlichkeit der Warmumformung zu prüfen ist.
Außerdem ist die Maßhaltigkeit beim Warmumformen aufgrund der hohen Temperatur und der damit verbundenen Wärmeausdehnung geringer als beim Kaltumformen.
Merke also: Ziel des Rekristallisationsglühens ist die Wiederherstellung eines verformungsfreien Gefüges zur Verbesserung der Umformbarkeit.
Bei der Erstarrung von Stählen mit hohen Legierungskonzentrationen kann es zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente im Gefüge kommen.
Diese Konzentrationsunterschiede innerhalb der einzelnen Kristalle werden auch als Kristallseigerungen bezeichnet.
Mit den unterschiedlichen Legierungskonzentrationen sind auch unterschiedliche Eigenschaften innerhalb eines Korns verbunden.
Daher kann es erforderlich sein, die Konzentrationsunterschiede innerhalb eines Gefüges durch sogenanntes Diffusionsglühen zu beseitigen.
Beim Diffusionsglühen wird der Stahl bei relativ hohen Temperaturen zwischen 1050 °C und 1300 °C geglüht.
Dadurch wird sichergestellt, dass die Diffusionsvorgänge in ausreichendem Maße stattfinden können, damit die Atome die zum Teil relativ langen Diffusionswege zurücklegen können.
Dennoch sind in der Regel mehrere Stunden Glühzeit erforderlich.
Da Seigerungen bereits während der Erstarrung des Stahls entstehen, werden sie in der Regel direkt im Stahlwerk am Gussblock entfernt.
Dieses Verfahren ist wegen der hohen Temperaturen und langen Glühzeiten jedoch sehr anspruchsvoll und energieintensiv.
Ein Nachteil des Diffusionsglühens ist die durch die hohen Temperaturen bedingte Grobkornbildung.
Diese könnte zwar durch eine Temperaturabsenkung vermindert werden, jedoch wären dann längere Glühzeiten erforderlich und das Diffusionsglühen wäre nicht mehr wirtschaftlich.
Wenn also die Grobkornbildung beim Diffusionsglühen nicht verhindert werden kann, muss das Grobkorngefüge nachträglich entfernt werden.
Dies kann durch anschließendes Normalglühen erfolgen.
Merke also: Ziel des Diffusionsglühens ist der Ausgleich von Konzentrationsunterschieden.
Beim Schweißen oder auch beim Warmumformen treten durch die Wärmeeinwirkung und die unkontrollierte Abkühlung Gefügeumwandlungen im Stahl auf.
Dies ist vor allem bei austenitischen Stählen der Fall, bei denen es aufgrund der hohen Temperaturen im Bereich von 500 bis 800 °C zu Karbidausscheidungen an den Korngrenzen kommen kann.
Aufgrund der unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften führt dies zu interkristalliner Korrosion.
Um dies zu vermeiden, müssen die gebildeten Ausscheidungen wieder aufgelöst werden.
Dies kann durch das sogenannte Lösungsglühen im Bereich von ca. 1000 bis 1100 °C erreicht werden.
Bei verformten Stahlgefügen tritt dabei zusätzlich der Effekt der Rekristallisation auf.
Das Lösungsglühen wird auch als Zwischenschritt in der Wertschöpfungskette zur vorübergehenden Verbesserung der Zerspanbarkeit eingesetzt.
Die für die schlechte Zerspanbarkeit verantwortlichen Ausscheidungen werden durch das Glühen aufgelöst.
Wird das Werkstück anschließend schnell abgekühlt, entsteht zunächst ein übersättigtes metastabiles Mischkristallgefüge ohne Ausscheidungen.
In diesem Zustand wird vorübergehend eine bessere Zerspanbarkeit des Werkstoffs erreicht.
Durch eine anschließende Kalt- oder Warmauslagerung werden die Ausscheidungen gebildet und der Werkstoff erhält seine ursprünglichen Eigenschaften zurück.
Dieses Verfahren wird z.B. bei der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen angewendet.
Merke also: Ziel des Lösungsglühens ist das Lösen von gebildeten Ausscheidungen.
Wird ein Stahl ungleichmäßig erwärmt oder abgekühlt, können in ihm Spannungen entstehen, die auch als Eigenspannungen bezeichnet werden.
Häufig werden solche Eigenspannungen z.B. beim Schweißen hervorgerufen, da das Werkstück nicht gleichmäßig, sondern nur lokal an einer bestimmten Stelle erwärmt und anschließend wieder abgekühlt wird.
Aber auch beim Fräsen oder Drehen können Eigenspannungen im Werkstück entstehen, da in der Zerspanungszone des Werkstücks hohe Temperaturen auftreten können.
Solche Eigenspannungen können unter anderem die Festigkeit des Bauteils herabsetzen.
Darüber hinaus können Eigenspannungen auch zu einem Verzug des Bauteils bei einer nachfolgenden spanenden Bearbeitung führen, wenn die Eigenspannungen dabei schlagartig freigesetzt werden.
Beim Härten beruht der Härteverzug ebenfalls auf Eigenspannungen, die bei der ungleichmäßigen Abkühlung entstehen.
Daher ist es in manchen Fällen notwendig, die im Werkstück entstandenen Eigenspannungen zu beseitigen.
Dies geschieht durch das sogenannte Spannungsarmglühen.
Beim Spannungsarmglühen wird das Werkstück unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 550 und 650 °C geglüht.
Der Effekt des Spannungsabbaus beruht darauf, dass die Festigkeit des erwärmten Bauteils mit höherer Temperatur abnimmt.
Fällt die Streckgrenze, genauer gesagt die sogenannte Warmdehngrenze, dabei unter den Wert der Eigenspannungen, so beginnen die Versetzungen zu wandern und die Eigenspannungen werden durch plastische Verformung abgebaut.
Die Eigenspannungen können daher immer nur maximal bis zur jeweiligen Warmstreckgrenze abgebaut werden, niemals vollständig.
Nach dem muss das Werkstück langsam abgekühlt werden, um ein erneutes Entstehen von Spannungen zu vermeiden.
Meist wird das Werkstück dazu im ausgeschalteten Glühofen langsam abgekühlt.
Merke also: Ziel des Spannungsarmglühens ist das Lösen von Eigenspannungen.
Abschließend sollen die wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren und ihre Anwendung nochmals kurz zusammengefasst werden.
Das Ziel einer besseren Umformbarkeit kann beispielsweise durch Weichglühen erreicht werden.
Auch eine bessere Zerspanbarkeit wird hierdurch erzielt.
Bei kohlenstoffarmen Stählen wird in diesen Fällen jedoch meist das Grobkorn-Glühen angewendet.
Die Einstellung einer bestimmten Korngröße kann nicht nur durch Grobkorn-Glühen, sondern auch durch Normalglühen oder Rekristallisationsglühen erfolgen.
Bei den beiden letztgenannten Glühverfahren steht in der Regel die Erzielung eines feinkörnigen und homogenen Gefüges im Vordergrund.
Zur Homogenisierung der Legierungselemente bei ungleichmäßiger Verteilung der Legierungselemente oder zur Beseitigung von Ausscheidungen wird das Diffusions- oder Lösungsglühen angewendet.
Wenn das Ziel die Verringerung der Eigenspannungen infolge ungleichmäßiger Erwärmung oder Abkühlung ist, wird das Spannungsarmglühen angewendet.
Ist dagegen die Einstellung einer bestimmten Festigkeit das Ziel, so wird Normalglühen für eine höhere Festigkeit oder Weichglühen für eine niedrigere Festigkeit und bessere Umformbarkeit durchgeführt.
Die Steuerung der Festigkeit kann auch durch ein spezielles Wärmebehandlungsverfahren, das sogenannte Vergüten, erfolgen.
Darüber hinaus kann durch das Härten als weitere Wärmebehandlung die Härte gezielt beeinflusst werden.
Während bei den zuvor genannten Glühverfahren die treibende Kraft für die jeweilige Gefügeänderung immer das Erreichen eines energieärmeren Zustandes, also das Streben nach einem thermodynamischen Gleichgewicht ist, wird beim Härten und Vergüten gezielt ein thermodynamischer Ungleichgewichtszustand im Gefüge herbeigeführt.
Die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes wird dabei durch eine schnelle Abkühlung gezielt verhindert.
Aufgrund dieser prinzipiellen Unterschiede werden die Wärmebehandlungsverfahren Härten und Vergüten in der Regel getrennt von den Glühverfahren aufgeführt.
Aufgrund der Komplexität des Härtens und Vergütens gehen wir in einem separaten Video näher darauf ein.