Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm erklärt
Legierungsmetalle können in verschiedenen Phasen existieren. Phasen sind physikalisch homogene Zustände einer Legierung. Eine Phase besitzt eine genau definierte chemische…
Die Fertigungsindustrie nutzt Wärmebehandlungsverfahren, um die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen zu verbessern. Je nach gewünschten Eigenschaften können Prozesse wie Glühen, Normalisieren, Anlassen usw. gewählt werden.
In diesem Artikel betrachten wir den Normalisierungsprozess. Beginnen wir damit, zu verstehen, was darunter zu verstehen ist.
Normalisieren ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem das Metall auf eine festgelegte Temperatur erhitzt, dort für eine bestimmte Zeit gehalten und anschließend an der Luft (oder im Gas) auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Durch diesen Prozess erfolgt eine Rekristallisation der Materialmikrostruktur. Die neue Mikrostruktur bietet zahlreiche Vorteile, wie erhöhte Duktilität, größere Zähigkeit und verringerte Härte.
In Anwendungen, in denen diese Eigenschaften gefragt sind, ist das Normalisieren eine vergleichsweise schnelle und kostengünstige Methode, um sie zu erzielen.
Das Wort Normalisieren stammt vom Begriff „Normalisierung“, was bedeutet, in den Normalzustand zurückzukehren. Normalisieren wird daher meist nach Metallbearbeitungsprozessen angewandt, die zu einer Veränderung der Materialeigenschaften geführt haben.
Beispielsweise können Bearbeitungsverfahren wie Stanzen, Schmieden, Warmwalzen, Schweißen und Gießen erhebliche thermische und mechanische Spannungen im Material hervorrufen. Das Metall kann zudem zu hart werden.
Das Normalisieren bewirkt, dass sich die Kornstruktur neu und gleichmäßiger ausrichtet, wodurch das Metall den ursprünglichen Eigenschaften wieder näherkommt.
Muss das Material anschließend weiterverarbeitet werden, verbessert das Normalisieren die Zerspanbarkeit. Aber auch als letzter Schritt, um bestimmten Metalllegierungen vor dem Einsatz gewünschte Eigenschaften zurückzugeben, ist das Normalisieren geeignet.
Normalisieren wird auch bevorzugt, wenn das Budget begrenzt ist. Da beim Normalisieren die Abkühlung an der Luft erfolgt, benötigt der Prozess weniger Ofenzeit und ist somit kostengünstiger als das Glühen oder Anlassen. Nachdem die Temperatur erreicht und das Material ausreichend gehalten wurde, kann der Ofen abgeschaltet werden.
Gerade bei technischen Stählen wie niedriglegierten Stählen und weicheren Stählen sind die Eigenschaftsverbesserungen beim Glühen und Normalisieren identisch. In solchen Fällen ist das Normalisieren aufgrund der geringeren Kosten ratsam.
Der Unterschied ist größer beim Vergleich von Glühen und Normalisieren bei mittelgekohlten Stählen (0,3 bis 0,5 %C). Doch auch bei diesen Stählen kann man das Abschrecken plus Anlassen aus Kostengründen durch Glühen ersetzen.
In den meisten Fällen genügt das Normalisieren, wenn die Bauteile keiner hohen Belastung ausgesetzt werden.
Der Normalisierungsprozess umfasst drei Phasen:
In der Erholungsphase wird die Temperatur des Materials so weit erhöht, dass die vorhandene, uneinheitliche Kornstruktur verfeinert wird. In dieser Phase werden durch das Erwärmen Spannungen im Material abgebaut.
Das Metall wird anschließend über die Härtungstemperatur hinaus weiter erhitzt, wodurch es in die nächste Phase übergeht.
Diese Phase beginnt, sobald die Temperatur des Metalls die Rekristallisationstemperatur überschreitet. Diese liegt etwa 30–50 Grad Celsius über der oberen kritischen Temperatur (Ac3 oder Acm).
Sie ist höher als die Temperaturen beim Glühen oder Anlassen. Der Bereich liegt je nach Kohlenstoffgehalt des Stahls zwischen 780 und 950 Grad Celsius.
In dieser Phase verändern sich die Kristallstrukturen im Metall. Unerwünschte Strukturen wie Bainit und Karbide verschwinden. Es entstehen neue austenitische Strukturen, deren Körner kleiner sind als die vorherigen ferritischen Körner.
Das Metall wird für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten, was auch als Halten bezeichnet wird.
Diese Phase findet statt, wenn das Material von der Rekristallisationstemperatur an der Luft auf Raumtemperatur abkühlt. Die neugebildeten Körner entwickeln sich in dieser Phase vollständig aus. Die endgültigen mechanischen Eigenschaften werden durch die Art der Abkühlung beeinflusst.
Je schneller die Abkühlung erfolgt, desto härter wird das Endprodukt. Die Abkühlgeschwindigkeit beim Normalisieren ist schneller als beim Glühen, da an der Luft abgekühlt wird. Aus diesem Grund hat normalisierter Stahl eine höhere Härte als geglühter Stahl. Auch die Abmessungen des Stahls beeinflussen die Endhärte. Für die meisten Stähle liegt die Härte nach dem Normalisieren zwischen 100 HB und 250 HB.
Das Normalisieren bietet folgende Vorteile:
