Was versteht man unter Nachschweiß-Wärmebehandlung?
Dieser Artikel behandelt den Prozess der Nachschweiß-Wärmebehandlung (NSWB) und deren Wirksamkeit bei der Reduzierung von Eigenspannungen sowie der Verbesserung der…
Wärmebehandlung ist der Prozess des gezielten Erwärmens und Abkühlens von Metallen, um bestimmte gewünschte Eigenschaften zu erzielen. Sowohl Eisen- als auch Nichteisenmetalle werden vor ihrem Einsatz einer Wärmebehandlung unterzogen.
Im Laufe der Zeit wurden zahlreiche verschiedene Methoden entwickelt. Auch heute arbeiten Metallurgen kontinuierlich daran, die Ergebnisse und die Kosteneffizienz dieser Verfahren weiter zu verbessern.
Dazu entwickeln sie neue Zeitpläne oder Zyklen, um verschiedene Güteklassen herzustellen. Jeder Zeitplan beschreibt eine andere Geschwindigkeit beim Erwärmen, Halten und Abkühlen des Metalls.
Diese Verfahren ermöglichen es, Metalle mit sehr spezifischen physikalischen und chemischen Eigenschaften und unterschiedlichen Qualitätsstandards herzustellen, sofern sie sorgfältig befolgt werden.
Es gibt zahlreiche Gründe für die Durchführung einer Wärmebehandlung. Manche Verfahren machen das Metall weich, andere erhöhen die Härte. Auch die elektrische und thermische Leitfähigkeit kann beeinflusst werden.
Einige Wärmebehandlungsverfahren bauen Spannungen ab, die durch vorherige Kaltumformungsprozesse entstanden sind. Andere Methoden verleihen dem Metall gewünschte chemische Eigenschaften. Die Wahl der optimalen Methode hängt letztlich von der Metallart und den gewünschten Eigenschaften ab.
In manchen Fällen durchläuft ein Metallteil mehrere Wärmebehandlungsschritte. Beispielsweise können Superlegierungen, die in der Luftfahrtindustrie verwendet werden, bis zu sechs verschiedene Wärmebehandlungsverfahren durchlaufen, um sie optimal an die Anwendung anzupassen.
Einfach ausgedrückt ist die Wärmebehandlung der Vorgang, bei dem das Metall erhitzt, auf Temperatur gehalten und anschließend wieder abgekühlt wird. Während dieses Prozesses ändern sich die mechanischen Eigenschaften des Metalls, da die hohe Temperatur die Mikrostruktur beeinflusst. Die Mikrostruktur ist entscheidend für die mechanischen Eigenschaften eines Materials.
Das Endergebnis hängt von vielen Faktoren ab: Erwärmungsdauer, Haltezeit auf einer bestimmten Temperatur, Abkühlgeschwindigkeit, Umgebungsbedingungen und mehr. Die genauen Parameter richten sich nach der gewählten Wärmebehandlungsmethode, der Metallart sowie der Größe des Bauteils.
Im Verlauf dieses Prozesses ändern sich verschiedene Eigenschaften des Metalls, darunter elektrischer Widerstand, Magnetismus, Härte, Zähigkeit, Duktilität, Sprödigkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Wie bereits erwähnt, verändert sich die Mikrostruktur von Legierungen während der Wärmebehandlung. Das Erwärmen erfolgt nach einem vorgegebenen Wärmeprofil.
Eine Legierung kann beim Erwärmen in einem von drei Zuständen existieren: als mechanische Mischung, als feste Lösung oder als Kombination beider.
Eine mechanische Mischung lässt sich mit Beton vergleichen: Zement bindet Sand und Kies zu einer Masse, aber Sand und Kies bleiben als Einzelpartikel sichtbar. Bei Metalllegierungen hält das Grundmetall die mechanische Mischung zusammen.
In einer festen Lösung hingegen sind alle Komponenten homogen vermischt, sodass sie selbst unter dem Mikroskop nicht mehr einzeln erkennbar sind.
Jeder Zustand bringt unterschiedliche Eigenschaften mit sich. Durch gezieltes Erwärmen gemäß Phasendiagramm kann der Zustand verändert werden. Die anschließende Abkühlung bestimmt jedoch das Endergebnis. Je nach Methode kann die Legierung in einem der drei Zustände enden.
Während des Haltens oder “Soakings” wird das Metall auf der erreichten Temperatur gehalten. Die Dauer richtet sich nach den Anforderungen.
Beim Einsatzhärten beispielsweise sind nur strukturelle Veränderungen an der Oberfläche notwendig, um die Oberflächenhärte zu erhöhen. Andere Verfahren hingegen benötigen gleichmäßige Eigenschaften im gesamten Werkstück – dann ist die Haltezeit entsprechend länger.
Auch Materialart und Bauteilgröße beeinflussen die Haltezeit. Größere Teile erfordern mehr Zeit, wenn gleichmäßige Eigenschaften angestrebt werden, da der Kern länger benötigt, um die nötige Temperatur zu erreichen.
Nach dem Halten muss das Metall auf eine vorgeschriebene Weise abgekühlt werden. Auch in dieser Phase treten strukturelle Veränderungen auf. Eine feste Lösung kann beim Abkühlen unverändert bleiben, in eine mechanische Mischung übergehen – vollständig oder teilweise –, abhängig von verschiedenen Faktoren.
Verschiedene Medien wie Salzlake, Wasser, Öl oder Druckluft steuern die Abkühlgeschwindigkeit. Die Reihenfolge steht dabei für eine abnehmende Abkühlwirkung: Salzlake entzieht am schnellsten Wärme, Luft am langsamsten.
Auch Öfen können bei der Abkühlung eingesetzt werden. Die kontrollierte Umgebung ermöglicht hohe Präzision, besonders wenn langsames Abkühlen erforderlich ist.
Jede Metalllegierung hat ihr eigenes Phasendiagramm. Wie bereits gesagt, orientiert sich die Wärmebehandlung an diesen Diagrammen, die die strukturellen Veränderungen bei verschiedenen Temperaturen und chemischen Zusammensetzungen zeigen.
Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm ist das bekannteste und wird an Universitäten am häufigsten gelehrt.
Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm ist ein zentrales Werkzeug, um das Verhalten verschiedener Kohlenstoffstähle bei Wärmebehandlung zu verstehen. Die x-Achse zeigt den Kohlenstoffgehalt, die y-Achse die Temperatur.
Der Kohlenstoffanteil von 2,14% markiert die Grenze, ab der Stahl zu Gusseisen wird.
Das Diagramm zeigt verschiedene Bereiche, in denen das Metall in unterschiedlichen Mikrozuständen wie Austenit, Zementit und Perlit vorliegt. Diese Bereiche sind durch die Linien A1, A2, A3 und Acm begrenzt. An diesen Grenzflächen treten Phasenübergänge auf, sobald Temperatur oder Kohlenstoffgehalt überschritten werden.
A1: Obergrenze der Zementit/Ferrit-Phase.
A2: Grenze, an der Eisen seine Magnetisierung verliert. Die Temperatur, bei der ein Metall seine Magnetisierung verliert, wird auch als Curie-Temperatur bezeichnet.
A3: Grenze zwischen der Austenit + Ferrit-Phase und der γ (Gamma)-Austenitphase.
Acm: Grenze zwischen γ-Austenit und dem Feld Austenit + Zementit.
Das Phasendiagramm ist ein wesentliches Hilfsmittel, um zu beurteilen, ob eine Wärmebehandlung sinnvoll ist. Jede Struktur verleiht dem Endprodukt bestimmte Eigenschaften, sodass die Wahl der Wärmebehandlung darauf abgestimmt wird.
Es gibt zahlreiche Wärmebehandlungstechniken mit jeweils spezifischen Eigenschaften.
Zu den gängigsten Methoden zählen:
Beim Glühen wird das Metall über die obere kritische Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt.
Das Ziel des Glühens ist es, das Metall zu erweichen. Dadurch wird es besser umformbar und leichter zu bearbeiten. Zudem verbessert sich die Zerspanbarkeit, Duktilität und Zähigkeit.
Glühen baut auch Spannungen ab, die durch vorherige Kaltumformung entstanden sind. Die beim Glühen erreichte Rekristallisation entfernt die plastischen Verformungen, sobald die obere kritische Temperatur überschritten wird.
Metalle können verschiedene Glühverfahren durchlaufen, darunter Rekristallisationsglühen, Vollglühen, Teilglühen oder Endglühen.
Normalisieren ist ein Verfahren zur Beseitigung innerer Spannungen, die durch Schweißen, Gießen oder Abschrecken entstehen können.
Hierbei wird das Metall auf eine Temperatur von 30–50 °C über seiner oberen kritischen Temperatur erhitzt.
Diese Temperatur ist höher als beim Härten oder Glühen. Nach dem Halten auf dieser Temperatur über einen festgelegten Zeitraum erfolgt die Abkühlung an Luft. Das Normalisieren sorgt für eine gleichmäßige Korngröße und Zusammensetzung im gesamten Werkstück.
Normalisierte Stähle sind härter und fester als geglühte Stähle. Tatsächlich ist Stahl im normalisierten Zustand zäher als in jeder anderen Form. Daher werden Bauteile, die hohe Schlagzähigkeit oder große Lasten aufnehmen müssen, fast immer normalisiert.
Das wohl bekannteste Wärmebehandlungsverfahren ist das Härten, mit dem die Härte eines Metalls erhöht wird. Teilweise wird dabei nur die Oberfläche gehärtet.
Das Werkstück wird auf die vorgeschriebene Temperatur erhitzt und dann rasch – meist durch Eintauchen in ein Kühlmedium wie Öl, Salzlake, Polymerlösungen oder am häufigsten Wasser – abgeschreckt. Das so behandelte Bauteil weist erhöhte Härte und Festigkeit auf, wird jedoch zugleich spröder.
Das Einsatzhärten ist eine spezielle Form des Härtens, bei der nur die äußere Schicht des Werkstücks gehärtet wird. Die Vorgehensweise ist identisch, doch wird nur eine dünne Oberflächenschicht behandelt, sodass das Werkstück außen hart und innen zäh bleibt.
Dies ist beispielsweise bei Wellen üblich. Eine harte Oberfläche schützt vor Verschleiß. Wird ein Lager auf eine Welle montiert, könnte sonst die Oberfläche beschädigt und Materialpartikel abgelöst werden, was den Verschleiß beschleunigt. Die gehärtete Oberfläche schützt davor, während der Kern die erforderlichen Eigenschaften für die Aufnahme von Ermüdungsspannungen behält.
Weitere Härtungsverfahren sind das Induktionshärten, Differenzialhärten und Flammhärten. Beim Flammhärten kann jedoch eine Wärmeeinflusszone entstehen, die nach dem Abkühlen zurückbleibt.
Das Ausscheidungshärten oder Ageing ist ein Verfahren zur Steigerung der Streckgrenze von gut verformbaren Metallen. Dabei bilden sich fein verteilte Teilchen im Korngefüge des Metalls, die die Eigenschaften gezielt verändern.
Das Ausscheidungshärten folgt meist auf ein anderes Wärmebehandlungsverfahren mit höheren Temperaturen. Beim Ageing selbst wird das Metall nur auf mittlere Temperaturen gebracht und rasch wieder abgekühlt.
Manche Materialien altern natürlich (bei Raumtemperatur), andere benötigen künstliche Alterung, das heißt erhöhte Temperaturen. Für natürlich alternde Werkstoffe empfiehlt sich oft die Lagerung bei niedrigen Temperaturen.
Spannungsarmglühen ist besonders bei Kesselbauteilen, Druckbehältern, Akkumulatoren usw. gebräuchlich. Das Metall wird dabei knapp unterhalb der unteren kritischen Temperatur gehalten und langsam, gleichmäßig abgekühlt.
So werden Spannungen abgebaut, die durch vorhergehende Prozesse wie Umformen, Zerspanen, Walzen oder Richten entstanden sind.
Anlassen dient dazu, die beim Härten entstandene überschüssige Härte und damit verbundene Sprödigkeit zu reduzieren. Auch innere Spannungen werden abgebaut. Durch das Anlassen werden Metalle für zahlreiche Anwendungen geeignet, die diese Eigenschaften erfordern.
Die Temperaturen liegen dabei deutlich unter denen des Härtens. Je höher die Anlasstemperatur, desto weicher wird das Bauteil. Die Abkühlgeschwindigkeit hat beim Anlassen keinen Einfluss auf die Metallstruktur; meist erfolgt die Abkühlung an ruhender Luft.
Beim Aufkohlen wird das Metall in Gegenwart eines Materials erhitzt, das beim Zersetzen Kohlenstoff freisetzt.
Der freigesetzte Kohlenstoff diffundiert in die Metalloberfläche und erhöht deren Kohlenstoffgehalt, wodurch die Oberfläche härter wird als der Kern.
Obwohl Eisenmetalle den Großteil der wärmebehandelten Werkstoffe ausmachen, können auch Kupferlegierungen, Magnesium, Aluminium, Nickel, Messing und Titan wärmebehandelt werden.
Etwa 80 % der wärmebehandelten Metalle sind unterschiedliche Stahlsorten. Eisenmetalle, die wärmebehandelt werden können, sind unter anderem Gusseisen, Edelstahl und verschiedene Werkzeugstähle.
Verfahren wie Härten, Glühen, Normalisieren, Spannungsarmglühen, Einsatzhärten, Nitrieren und Anlassen werden hauptsächlich bei Eisenmetallen angewendet.
Kupfer und dessen Legierungen werden beispielsweise geglüht, gealtert oder abgeschreckt.
Aluminium eignet sich für Glühen, Lösungsglühen, natürliche und künstliche Alterung. Die Wärmebehandlung von Aluminium erfordert besondere Präzision. Der Prozess muss exakt definiert und in jeder Phase streng kontrolliert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.
Offensichtlich sind nicht alle Werkstoffe für jede Art der Wärmebehandlung geeignet. Ebenso profitiert ein einzelnes Material nicht zwangsläufig von jedem Verfahren. Deshalb sollte jedes Material individuell untersucht werden, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Ausgangspunkt sind die Phasendiagramme und die verfügbaren Informationen zu den Effekten der genannten Methoden.
