Wärmebehandlungsverfahren sind entscheidend, um gewünschte Eigenschaften verschiedener Metalle zu erzielen und sie für verschiedene Anwendungen geeignet zu machen. Durch Wärmebehandlung können viele mechanische Eigenschaften verändert werden, ohne die chemische Zusammensetzung eines Metalls zu beeinflussen.
Es gibt viele verschiedene Prozesse in der Wärmebehandlung. Einer der am häufigsten verwendeten ist das Abschrecken. Lassen Sie uns betrachten, was es damit auf sich hat.
Abschrecken ist ein schnelles Abkühlungsverfahren, das gezielt Eigenschaften von Werkstoffen verändert, indem die Abkühlrate gesteuert wird. Das Material wird über die Rekristallisationstemperatur, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes erhitzt, um eine Umstrukturierung des Gefüges zu ermöglichen, gefolgt von einer kontrollierten Abkühlung auf eine festgelegte Temperatur.
Die Temperaturen, auf die kohlenstoffhaltige Stähle beim Abschrecken erhitzt werden, lassen sich aus dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm ablesen. Für untereutektische Stähle (0,2…0,8 % C) liegt diese Temperatur 30–50 °C über Ac3, für übereutektische Stähle (C > 0,8 %) 30–50 °C über Ac1.
Ziel des Abschreckens ist es, die austenitische Phase in Martensit umzuwandeln – eine besonders harte Phase des Stahls. Um dies zu erreichen, wird das Material einem Abkühlmedium ausgesetzt und die Abkühlzeit stark verkürzt.
Wird untereutektischer Stahl über Ac1, aber nicht über Ac3 erhitzt, bleibt nach dem Abschrecken noch Ferrit im Gefüge, was die Härte reduziert. Bei übereutektischem Stahl ist es optimal, ihn auf eine Temperatur zwischen den Ac1- und Acm-Phasengrenzen zu erhitzen; so bleibt neben Martensit auch sekundärer Zementit bestehen. Wird die Acm-Grenze überschritten, besteht das Risiko, dass nach dem Abschrecken ein grobkörniges Gefüge entsteht, das den Stahl sehr spröde macht.
Insgesamt führt das Abschrecken zu einer erhöhten Härte und einer verringerten Duktilität des Werkstoffs. Da jedoch auch die Sprödigkeit zunimmt, ist die Wahl einer geeigneten Abkühlrate entscheidend, um unerwünschte Nebeneffekte wie Rissbildung und Verzug zu vermeiden.
Abschrecken und Anlassen werden oft kombiniert, um einen Teil der verlorenen Duktilität wiederherzustellen und die Härte auf ein brauchbares Maß zu reduzieren. Das Anlassen verringert zudem die Sprödigkeit.
Auch das Glühen wird gelegentlich angewandt, um die Härte von abgeschrecktem Stahl zu reduzieren.
Abschrecken wird eingesetzt, wenn eine erhöhte Härte gefordert ist. Viele Anwendungen wie Bauwesen, Bergbau, schwere Maschinen oder Militär erfordern Metalle mit harter Oberfläche – solche, die Abrieb, Kratzern und Stößen widerstehen können. Die durch das Abschrecken gesteigerte Härte verleiht diesen Werkstoffen die nötigen Eigenschaften.
Abschrecken kann bei einer Vielzahl von Werkstoffen angewendet werden, jedoch ist Stahl das am häufigsten abgeschreckte Metall. Abgeschreckter Stahl weist eine extrem hohe Härte auf.
Der Abschreckprozess kann auf zwei Arten erfolgen: durch Sprühabschreckung oder Tauchabschreckung.
Bei der Sprühabschreckung wird die heiße Oberfläche des Metalls durch einen aufgesprühten Abschreckstoff abgekühlt. Diese Methode ermöglicht eine höhere Wärmeabfuhr als die Tauchabschreckung.
Die Tauchabschreckung ist jedoch die geläufigere Methode. Hierbei wird das zu kühlende Material in ein Bad aus Flüssigkeit oder Gas eingebracht. Da das Abschreckmedium das Material vollständig umgibt, erfolgt eine schnelle Abkühlung.
Auch bei dieser raschen Abkühlung verläuft der Prozess in mehreren Phasen, die sich im Verlauf unterscheiden. Schauen wir uns diese Phasen im nächsten Abschnitt genauer an.
Während des Tauchabschreckverfahrens durchläuft das Material drei verschiedene Abkühlphasen:
Sobald das Material in das Abschreckmedium eingebracht wird, setzt die Dampfphase ein. Da die Temperatur des heißen Werkstücks über dem Siedepunkt des Mediums liegt, verdampft dieses und bildet eine stabile Dampfhülle um das Material.
Durch gezieltes Bewegen des Abschreckmediums wird der Kühlprozess beschleunigt und die Siedephase erreicht.
In der Siedephase bildet sich keine stabile Dampfhülle mehr. Das Kühlmedium tritt direkt mit der Metalloberfläche in Kontakt, doch da das Metall weiterhin über dem Siedepunkt des Mediums liegt, verdampft dieses und steigt auf.
Die umliegende Flüssigkeit nimmt den Platz ein und der Vorgang wiederholt sich fortlaufend. Unter den drei Abschreckphasen findet hier der größte Wärmeaustausch statt. Sobald die Temperatur des Metalls unter die Siedetemperatur des Mediums fällt, beginnt die dritte Phase des Abschreckens.
Die dritte Phase ist die Konvektionsphase. Das Kühlmedium verdampft nun nicht mehr an der Metalloberfläche, sondern nimmt lediglich die Wärme auf und steigt auf. Die umliegende Flüssigkeit strömt nach und ein Konvektionsprozess setzt ein.
In dieser Phase ist der Wärmeaustausch am geringsten. Hier besteht auch das größte Risiko für Verzug des Materials.
Das Abschreckmedium bezeichnet den Stoff, der beim Abschrecken die Wärme vom Metall aufnimmt. Es gibt zahlreiche Abschreckmedien, die jeweils eigene Vor- und Nachteile bieten.
Die Auswahl des Abschreckmediums hängt von Faktoren wie gewünschter Abkühlrate, Materialeigenschaften, Kosten, Wiederverwertbarkeit und Umweltverträglichkeit ab.
Zu den gängigen Abschreckmedien zählen:
Luft wird beim Abschrecken eher selten verwendet, kommt jedoch in bestimmten Fällen zum Einsatz. Die Abkühlung dauert hier am längsten. Bei diesem Verfahren strömt bewegte Luft über die Metalloberfläche und nimmt deren Wärme auf.
Gepresste Luft kühlt schneller als ruhende Luft und kann entweder durch Druckluftquellen oder mechanische Hilfsmittel wie Ventilatoren bereitgestellt werden. Die Abkühlrate hängt vom Luftdruck und der Oberfläche des Werkstücks ab.
Luftabgeschreckte Werkstoffe bieten eine bessere Kontrolle über Abkühlrate und Endhärte. Sie weisen zudem bessere mechanische Eigenschaften auf. Die erreichbare Härte ist jedoch geringer als bei anderen Abschreckmedien, da die Abkühlung langsamer erfolgt.
Wird ruhende Luft für eine langsame Abkühlung verwendet, spricht man nicht vom Abschrecken, sondern vom Normalglühen.
Auch inerte Gase kommen zum Einsatz, beispielsweise das Stickstoffabschrecken, das als kostengünstig gilt, da Stickstoff vor Ort erzeugt werden kann.
Das Abschrecken in Öl erfolgt schneller als in Luft, aber langsamer als in Wasser oder Sole. Öl ist zwar brennbar, kann aber helfen, Fehler wie Verzug und Rissbildung zu vermeiden.
Abschrecköle sind sehr vielseitig und können je nach Anwendung angepasst werden. Heutzutage ist Mineralöl das am häufigsten verwendete Abschrecköl.
Bei dieser Methode wird das erhitzte Metall in ein Wasserbad getaucht. Die Abkühlung erfolgt schneller als in Luft oder Öl. Wasser ist nicht brennbar und bietet damit einen Vorteil gegenüber Öl. Zudem ist es eine kostengünstige und umweltfreundliche Alternative.
Wird der Prozess jedoch nicht ausreichend kontrolliert, kann Wasser das Metall verziehen oder zum Reißen bringen.
Sole, also Salzwasser, ist eines der effektivsten Abschreckmedien. Es ermöglicht eine höhere Abkühlrate als Öl, Wasser oder Luft, da die Bildung von Luftbläschen und Dampfblasen verhindert wird.
Die Salze können nitrat- oder chloridbasiert sein. Das schnelle Abschrecken in Sole erhöht jedoch die Gefahr von Verzug am Werkstück.
Das Abschrecken mit Polymeren wird häufig gewählt, wenn das Material beim Ölabschrecken nicht die gewünschten Ergebnisse zeigt. Die Abkühlrate liegt unter der von Wasser oder Sole, jedoch über der von Luft. Polymerabschreckung erlaubt unterbrochenes Abschrecken, d. h., das Werkstück kann während des Abschreckvorgangs entnommen werden, um Verzug zu vermeiden – ohne Brandgefahr.
Das Abschrecken bietet folgende Vorteile:
