Stahl ist einer der wichtigsten Werkstoffe in der Industrie und im Bauwesen. Durch den Prozess der Wärmebehandlung können Stahlsorten und einzelne Legierungen an bestimmte Anwendungen angepasst werden, wodurch die Eigenschaften und Merkmale dieses Rohstoffs verbessert werden. Obwohl der Name ein einheitliches Verfahren vermuten lässt, gibt es in Wirklichkeit viele verschiedene Methoden der Wärmebehandlung. In diesem Artikel werden wir uns die gängigsten Methoden ansehen und ihre Hauptmerkmale aufzeigen.
Wärmebehandlung – Arten und Auswahl der geeigneten Methode
Stahl ist eine heterogene Gruppe von Werkstoffen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, Kristallstrukturen und mechanischen Eigenschaften. Daher erfordern die einzelnen Stahlsorten spezifische Behandlungsbedingungen, um die gewünschten Eigenschaften und Merkmale zu erreichen. Eine geeignete Wärmebehandlung von Stahl kann unter anderem die Härte des Rohmaterials erhöhen, seine Plastizität, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Beständigkeit gegen andere mechanische und äußere Einflüsse verbessern.
Die Arten der Wärmebehandlung von Stahl können anhand vieler Kriterien klassifiziert werden, wie z. B.: die während des Prozesses herrschende Temperatur, die Dauer, das Kühlmedium, die Abfolge der Schritte oder der Zweck der Behandlung. Das Wesentliche jeder Methode ist es, spezifische Veränderungen in der Mikrostruktur des Stahls zu erreichen, die sich in den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts niederschlagen.
Die Vielfalt der Wärmebehandlungsmethoden ist kein Zufall. Jede von ihnen wurde als Antwort auf die spezifischen Anforderungen einzelner Industriezweige entwickelt. Mit dem technologischen Fortschritt und den steigenden Erwartungen an die Qualität und Spezifikationen von Produktionsmaterialien wurden (und werden auch weiterhin) die Verfahren zur Stahlbehandlung modifiziert und verbessert.
Grundlegende Arten der Wärmebehandlung von Stahl
Die Wärmebehandlung von Stahl ist ein Verfahren, mit dem optimale Eigenschaften dieses Materials erzielt werden können, wodurch seine Verwendung in verschiedenen Industriebereichen erweitert wird. Im Folgenden stellen wir die gängigen, grundlegenden Arten der Wärmebehandlung von Stahl vor.
Glühen
Das Glühen ist eine der beliebtesten Methoden der Stahlbehandlung. Es ermöglicht eine Erhöhung der Plastizität des Rohmaterials, eine Verringerung seiner Härte, die Beseitigung innerer Spannungen und die Erzielung einer homogenen Kornstruktur. Es verbessert die mechanischen Eigenschaften des Metalls, seine mikroskopische Struktur und gewährleistet die Beständigkeit gegen verschiedene Formen der Korrosion.
Beim Glühen wird der Stahl je nach Legierungsart und Verarbeitungszweck auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird diese für eine bestimmte Zeit konstant gehalten, wodurch sich die Kristallstruktur des Materials verändert. Im nächsten Schritt wird der Stahl langsam abgekühlt – im Ofen oder außerhalb des Ofens.
Es ist zu beachten, dass die Wahl der richtigen Art des Glühens und der Prozessparameter entscheidend für das Erreichen der gewünschten Ergebnisse ist. Es lassen sich mehrere Arten des Glühens unterscheiden, darunter:
- Normalisierungsglühen – wird bei Stählen mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt angewendet. Dabei wird das Material auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend an der Luft abgekühlt.
- Spannungsarmglühen – dient zur Beseitigung von inneren Spannungen, die durch Zerspanung, Schmieden, Walzen oder Härten entstanden sind. Der Stahl wird auf eine Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt.
- Weichglühen – wird hauptsächlich für Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt angewendet. Ziel ist es, eine ferritische Struktur mit feinen Karbiden zu erhalten, was zu einer Verbesserung der Plastizität und einer Verringerung der Härte der Legierung führt.
- Rekristallisationsglühen – eignet sich für Stahl nach plastischer Bearbeitung, z. B. nach dem Walzen oder Ziehen. Es zielt darauf ab, die Plastizität des Materials durch die Bildung neuer Körner mit regelmäßiger Struktur wiederherzustellen.
Härten
Das Härten ist eine Art der Stahlbearbeitung, die darauf abzielt, seine Härte und mechanische Festigkeit zu erhöhen. In der Anfangsphase wird der Stahl auf die entsprechende Austenitisierungstemperatur erhitzt, die von der Art und der chemischen Zusammensetzung der jeweiligen Legierung abhängt. Bei den meisten Kohlenstoff- und legierten Stählen liegt diese Temperatur zwischen 800 °C und 930 °C.
Nach Erreichen der entsprechenden Temperatur, die für eine bestimmte Zeit aufrechterhalten werden muss, wird der Stahl sofort abgekühlt. Zu diesem Zweck werden Kühlmittel wie Wasser, Öle oder Salzlösungen verwendet. Sowohl die Wahl des Kühlmittels als auch die Abkühlgeschwindigkeit hängen von den gewünschten End Eigenschaften ab. Die schnelle Abkühlung führt zur Umwandlung von Austenit in Martensit, was ein entscheidender Schritt im Härtungsprozess ist, der dem Stahl seine charakteristische Härte verleiht.
Häufig wird Stahl nach dem Härten einem zusätzlichen Prozess unterzogen, dem Anlassen. Sein Ziel ist es, die inneren Spannungen und die Sprödigkeit des Martensits zu verringern und gleichzeitig die durch den Härtungsprozess erzielte Härte zu erhalten. Gehärteter Stahl zeichnet sich aus durch:
- hohe Härte,
- erhöhte mechanische Festigkeit,
- geringere Plastizität im Vergleich zu ungehärtetem Stahl,
- potenzielle Anfälligkeit für Risse und sprödes Verhalten aufgrund zu hoher innerer Spannungen oder einer ungeeigneten Härtetechnik.
Oberflächenhärtung
Die Oberflächenhärtung ist ein Verfahren, dessen Ziel es ist, die Oberflächeneigenschaften von Stahl zu verbessern und gleichzeitig sein Inneres ausreichend weich und plastisch zu halten. Mit dieser Methode lässt sich ein Material mit hoher Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit erzielen, was besonders wichtig für Bauteile ist, die hohen mechanischen Belastungen oder ungünstigen äußeren Einflüssen ausgesetzt sind.
Die grundlegenden Methoden der Oberflächenhärtung sind:
- Aufkohlen – dabei wird die Oberflächenschicht des Stahls mit Kohlenstoff gesättigt und anschließend in einer geeigneten Atmosphäre mehrere Stunden lang auf eine Temperatur von 900-950 °C erhitzt. Anschließend wird durch schnelles Abkühlen, z. B. in Öl oder Wasser, gehärtet.
- Nitrieren – dabei wird die Oberflächenschicht des Stahls mit Stickstoff gesättigt und anschließend mehrere Stunden lang in einer stickstoffreichen Atmosphäre auf 500-600 °C erhitzt. Der Nitrierprozess erfordert keine weitere Härtung,
- Cyanidieren – ein Verfahren, bei dem Stahl in einem cyanidhaltigen Salzbad karbonisiert wird. Der Prozess umfasst das Erhitzen des Materials auf eine Temperatur von etwa 800-900 °C und anschließend das Abschrecken durch schnelles Abkühlen,
- Borieren – auch bekannt als Sättigung der Oberflächenschicht des Stahls mit Bor. In der Anfangsphase wird der Stahl in einem borreichen Salzbad oder in einer borhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur von 850-950 °C erhitzt. Anschließend kann (muss aber nicht) er gehärtet werden.
Entspannen
Die Wärmebehandlung von Stahl durch Entspannen ist eines der grundlegenden Verfahren zur Beseitigung von inneren Spannungen im Material. Diese Spannungen können durch verschiedene Bearbeitungsschritte wie Walzen, Schmieden, Schweißen oder Härten entstehen. Ihre Anhäufung kann zu unerwünschten Verformungen, Rissen oder einer Verringerung der Haltbarkeit des Stahls führen.
Der Entspannungsprozess besteht darin, das Material auf eine bestimmte, relativ niedrige Temperatur zu erhitzen und es anschließend langsam abzukühlen. Die Erwärmungstemperatur muss unter der Austenitisierungstemperatur liegen, aber hoch genug sein, um eine Umstrukturierung der Kristallstruktur des Stahls zu ermöglichen, was zu einer Entspannung der inneren Spannungen führt. Bei den meisten Kohlenstoff- und niedriglegierten Stählen erfolgt die Spannungsarmglühung im Temperaturbereich von 550 bis 650 °C.
Der Entspannungsprozess kann auch andere Eigenschaften des Stahls verändern, wie z. B. seine Härte, Festigkeit oder Kornstruktur. Die Wärmebehandlung durch Entspannung ist relativ einfach und wirtschaftlich und wird daher in der Industrie häufig angewendet.
Methoden der Wärmebehandlung von Stahl. Zusammenfassung
Die Wärmebehandlung von Metallen wie Stahl ist eine wirksame Methode zur Veränderung ihrer Eigenschaften und Struktur, um die gewünschten Eigenschaften des Endmaterials zu erzielen. Die Vielfalt der verfügbaren Methoden ergibt sich aus der Notwendigkeit, das Rohmaterial an die unterschiedlichen Bedürfnisse und Besonderheiten bestimmter Industriebereiche und Technologien anzupassen.
Die Arten der Wärmebehandlung von Stahl unterscheiden sich hinsichtlich Parametern wie Temperatur, Dauer und Umgebung, in der der Prozess durchgeführt wird. Die Wahl der geeigneten Methode hängt von vielen Faktoren ab, darunter der Art der Legierung, den gewünschten Eigenschaften und der endgültigen Verwendung des Produkts. Die Kenntnis der Eigenschaften und Möglichkeiten der einzelnen Wärmebehandlungsverfahren ermöglicht es, die beste Entscheidung zu treffen, die optimale und effektive Ergebnisse gewährleistet.
