Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen

Definition nach DIN EN 10052: "Die Wärmebehandlung ist ein Vorgang, in dessen Verlauf ein Werkstück oder ein Bereich eines Werkstückes absichtlich Temperatur-Zeit-Folgen und/oder chemischen Einwirkungen ausgesetzt wird, um ihm Eigenschaften zu verleihen, die für seine Weiterverarbeitung oder Verwendung erforderlich sind."

Vor allem die Härte, die Festigkeit und die Bearbeitbarkeit lassen sich durch eine Wärmebehandlung verbessern. Der Grund dafür sind Veränderungen im Gefüge der Werkstoffe.

Übersicht:

Gefügearten von Eisenwerkstoffen
Kristallgitter und Gefüge bei Erwärmung
Vergleich der Wärmebehandlungsverfahren
Glühen
Härten
Härten der Randzone
Anlassen
Vergüten
Wärmebehandlung von Gusseisen

Gefügearten von Eisenwerkstoffen

Stahl und Gusseisen erhalten bei ihrer Herstellung einen gewissen Gehalt von Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoffgehalt ist massgebend für die Wärmebehandlung.

Unlegierte Eisenwerkstoffe haben nach langsamer Abkühlung je nach Kohlenstoffgehalt unterschiedliche Gefügearten:

Eisen ohne Kohlenstoff bildet ein Gefüge, dass aus vieleckigen Körnern besteht und Ferrit genannt wird. Es ist weich und zäh. Eisen mit weniger als ca. 2% Kohlenstoff nennt man Stahl .
Der Kohlenstoff kommt im Stahl nicht in reiner Form vor, sondern als chemische Verbindung, dem Eisenkarbid Fe3C. In der Metallografie nennt man diese Verbindung Zementit. Er ist hart und spröde. Bei geringem Kohlenstoffgehalt kommt der Zementit in Form von dünnen Streifen (Streifenzementit) vor, welche die Ferritkörner durchziehen.
Stahl mit weniger als 0,8% Kohlenstoff (untereutektoider Stahl) enthält zuwenig Kohlenstoff, um ein Gefüge bilden zu können, das aus Perlitkörnern besteht. Es ergibt sich ein Gefüge, das zum Teil Ferritkörner als auch Perlitkörner enthält. Man bezeichnet es als Ferrit-Perlit-Gefüge.
In Stahl mit 0,8% Kohlenstoff (eutektoider Stahl) sind alle Ferritkörner mit Streifenzementit durchzogen. Dieses Gefüge heisst wegen seines perlmuttartigen Aussehens im Schliffbild Perlit.
Stahl mit mehr als 0,8% Kohlenstoff (übereutektoider Stahl) enthält so viel Kohlenstoff, dass sich zusätzlich zum Streifenzementit in den Perlitkörnern noch Zementit an den Korngrenzen ablagert. Dieser Zementit heisst Korngrenzenzementit, das Gefüge wird Perlit-Zementit genannt. Je grösser der Zementitanteil im Gefüge ist, umso härter, aber auch umso spröder ist der Stahl.
Eisen mit mehr als ca. 2% Kohlenstoff nennt man Gusseisen. Durch die Gangart kommt ein hoher Anteil von Silizium ins Gusseisen. Es ist dafür verantwortlich, dass sich der Grossteil des Kohlenstoffs nicht in Form einer chemischen Verbindung (Zementit), sondern in reiner Form als Graphitlamellen ausscheidet. < Im Im Gusseisen kommt der unter 0.8% liegende Anteil von Kohlenstoff als Zementit vor, aus dem Rest bilden sich Graphitlamellen. Je nach dem, welches Gefüge die Grundmasse hat, unterscheidet man zwischen ferritischem, ferrit-perlitischem oder perlitischem Gusseisen mit Graphitlamellen. Gusseisen mit 4,3 % Kohlenstoff (Eutektikum) hat einen besonders niedrigen Schmelzpunkt von 1150 °C. Es bildet ein Gefüge, das man Ledeburit nennt.

Werden Eisenwerkstoffe über 723°C hinaus erwärmt, treten noch andere Gefügearten auf. Eine Übersicht darüber gibt das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm (kurz FeC-Diagramm). Es gilt nur für unlegierte Eisenwerkstoffe.

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Kristallgitter und Gefüge bei Erwärmung

Alle Metalle haben in festem Zustand ein bestimmtes Kristallgitter. Dieses kann sich verändern, es bleibt allerdings innerhalb bestimmter Temperaturen konstant.
Bei steigenden Temperaturen verändern sich auch die Gefüge der Metalle. Wie die Kristallgitter bilden sie sich jedoch bei langsamer Abkühlung wider zurück.

Reines Eisen

Ferrit oder a-Eisen (Alpha-Eisen) bildet bei Raumtemperatur einen kubisch-raumzentrierten (krz) Kristallwürfel aus 9 Eisenatomen. Ferrit ist magnetisierbar.

Ab 911°C bildet Eisen einen kubisch-flächenzentrierten (kfz) Kristallwürfel aus 14 Eisenatomen. Es heisst nun Austenit oder y-Eisen (Gamma-Eisen). Austenit ist weich, zäh, nicht magnetisierbar und bildet spitzeckige Körner.

Stahl mit 0,8% Kohlenstoff (Perlit)

Bei Raumtemperatur ist das Kristallgitter gleich wie bei a-Eisen. Jedoch ist hier das Kohlenstoffatom an 3 Eisenatome gebunden. Die Umwandlung in a-Eisen erfolgt aber unter Einwirkung des Kohlenstoffes schon bei 723 °C.
In die dabei frei werdende Würfelmitte des Gitters lagert sich ein Kohlenstoffatom aus dem Streifenzementit ein. Es entsteht ein Mischkristall.

Stahl mit weniger als 0,8% Kohlenstoff

Im Gegensatz zum Perlit-Gefüge vollzieht sich die Gefügeumwandlung beim Ferrit-Perlit-Gefüge mit 723°C nicht vollständig. Nur der Perlit-Anteil wandelt sich sofort in Austenit um. Der Ferrit wandelt sich Gemäss dem Dreieck P-S-G des FeC-Diagramms nur allmählich in Austenit um.

Stahl mit mehr als 0,8% Kohlenstoff

Auch beim Perlit-Zementit-Gefüge wandelt sich bei 723°C nur der Perlit-Anteil sofort um. Der Korngrenzenzementit wandelt sich zwischen der S-K und der S-E-Linie mit steigender Temperatur langsam in Austenit um.

Vergleich der Wärmebehandlungsverfahren

Bei hohen Temperaturen muss mit Schutzgas gearbeitet werden, damit keine Hochtemperaturkorrosion (Verzunderung) (Korrosion) auftritt.

Glühen von Stahl

Definition: Langsames Erwärmen und Halten auf entsprechender Glühtemperatur mit nachfolgendem langsamen Abkühlen.
Glühverfahren werden eingesetzt, um die Festigkeits- und Bearbeitungseigenschaften metallischer Werkstoffe zu verbessern und um Eigenspannungen im Werkstück oder Bauteil abzubauen.

Die Glühdauer richtet sich nach der Werkstückgrösse und dem Glühverfahren.
Übersicht über die verschiedenen Glühtemperaturen.

Spannungsarmglühen

Ausgleichen und abbauen von Eigenspannungen ohne Gefügeumklappung. Die Glühtemperatur liegt bei 550 - 650 °C, die Glühdauer beträgt 1 bis 2 Stunden.
Anwendung: Bei Werkstücken, die durch ungleichmässige Beanspruchung verspannt wurden (z.B. durch Giessen, Walzen, Schmieden oder Schweissen).

Rekristallisationsglühen

Durch Kaltverformung wird das Kristallgitter gequetscht, und das Material versprödet. Zwischen 500 - 700°C beginnen neue Kristalle aus den intakten Keimen zu wachsen. Eine höhere Temperatur ergibt ein grösseres Korn. Das Glühen dauert mehrere Stunden.
Anwendung: Durch Biegen, Drücken, (Tief)Ziehen, Walzen, usw. kaltverfestigte Werkstücke werden Rekristallisationsgeglüht.

Weichglühen

Durch Weichglühen wandeln sich der Streifenzementit und ein Teil des Korngrenzenzementits in kleine Zementitkügelchen um.
Beim Langzeitglühen erwärmt man untereutektoider Stahl bis knapp unter 723 °C, übereutektoider Stahl bis knapp darüber, und hält ihn dort mehrere Stunden.
Durch Pendelglühen, abwechselnd knapp oberhalb und unterhalb der 723°C-Linie, erreicht man die gleich Wirkung. Das Abkühlen erfolgt langsam.
Anwendung:Werkstücke, welche für die spanende Bearbeitung vorgesehen sind und gehärteter Stahl werden weichgeglüht.

Normalglühen

Normalglühen ist ein kurzzeitiges Glühen knapp über der G-S-K-Linie. Bei der dabei auftretenden Kornneubildung entsteht ein feines, gleichmässiges Gefüge.
Anwendung: Baustahl (N für Normalgeglüht), Stahlguss, Zwischenglühen bei Ziehvorgängen.

Grobkornglühen

Das Grobkornglühen ist ein Normalglühen bei überhöhter Temperatur (ca. 950 - 1000°C), mit zweckentsprechender Abkühlung zur Erreichung eines gröberen Korns. Nach der zerspanenden Bearbeitung wird im Allgemeinen wieder eine Kornverfeinerung durch Normalglühen herbeigeführt.
Anwendung: Wird auf untereutekoide Stähle angewendet, um die Spanbarkeit zu verbessern.

Diffusionsglühen

Langzeitiges Glühen bei Temperaturen um 1000 - 1250°C) mit langer Haltedauer (bis zu 50 Stunden).
Anwendung: Dieses Glühverfahren wird zum Ausgleich örtlicher Unterschiede in der Stahlzusammensetzung durch Diffusion (Seigerungen) und auch zur Beseitigung von Wasserstoff angewendet.

Härten von Stahl

Definition: Erwärmen und Halten auf entsprechender Härtetemperatur (Austenitbildung) mit nachfolgendem schnellem Abschrecken (Martensitbildung). Durch Härten können Härte und Festigkeit auf Kosten der Zähigkeit gesteigert werden.

Gittervorgänge beim Härten

Kühlt man Austenit langsam ab, so klappt das Kristallgitter wieder in ein raumzentriertes Gitter um, und das C-Atom verlässt die Würfelmitte. Erfolgt die Abkühlung jedoch überaus schnell (Abschrecken), so wird in sehr kurzer Zeit ein raumzentriertes Eisengitter gebildet. Den Kohlenstoffatomen bleibt deshalb nicht genügend Zeit, aus dem Gitterwürfel herauszuwandern und Zementit zu bilden. Das festgehaltene Kohlenstoffatom im raumzentrierten Gitter verspannt das Kristallgitter. Diese Verspannung führt zur Bildung eines feinnadeligen, sehr harten Gefüges, dem Martensit.

Stahl mit weniger als 0,2% Kohlenstoff ist nicht härtbar, weil ein zu geringer Martensitanteil gebildet wird.

Erwärmen

Zum Härten erwärmt man unlegierte Stähle etwa 30 - 60°C über die G-S-K-Linie im FeC-Diagramm, damit der Perlit sicher in Austenit umgewandelt werden kann. Die Härtetemperatur von legierten Stählen ist höher als von unlegierten und kann auf Normblättern abgelesen werden.
Die Gefügeumwandlung beruht auf kristallinen Vorgängen: Das kubisch-raumzentrierte Kristallgitter des Ferrit klappt schlagartig in das kubisch-flächenzentrierte Kristallgitter des Austenit um. Dadurch wird der Mittelplatz im Gitterwürfel frei, der von Kohlenstoffatomen besetzt wird. Diese C-Atome waren bei tiefen Temperaturen im Perlit gebunden und lösen sich nun im flächenzentrierten Kristallgitter des Austenits. Im Gefüge verschwinden die Zementitstreifen.

Halten auf Härtetemperatur

Durch das Halten auf Härtetemperatur wird erreicht, dass das Gefüge über den ganzen Querschnitt des Werkstücks umgewandelt wird. Je grösser der Querschnitt, je länger die Haltedauer. Bei legierten Stählen ist die Haltedauer länger als bei unlegierten.

Abschrecken

Abschrecken bedeutet Abkühlen eines Werkstücks mit grösserer Geschwindigkeit als an ruhender Luft. Das geschieht durch schnelles Eintauchen in Wasser, Öl oder an bewegter Luft.

Unlegierte Stähle sind Wasserhärter, niedrig legierte Stähle Ölhärter und hoch legierte Stähle Lufthärter.

Beim Abschrecken sind die Form, die Haltung des Werkstücks beim Eintauchen und seine Bewegungen in der Abschreckflüssigkeit von entscheidender Bedeutung. Am Werkstück haftende, sowie in Löchern eingeschlossene Dampfblasen wirken wärmeisolierend und verhindern das rasche Abkühlen. Das Werkstück bleibt an diesen Stellen weich. Durch Bewegen wird das Werkstück stets mit frischer Abschreckflüssigkeit in Berührung gebracht und dadurch gleichmässig abgekühlt und gehärtet.

Beim Eintauchen gilt:

• grösserer Querschnitten voraus => kein Verzug
• stabförmige Werkstücke längs eintauchen => kein Verzug
• flächige Werkstücke mit der schmalen Seite voraus => kein Verzug
• Grundlöcher mit dem Boden voraus (Dampfblasen können entweichen)

Nach dem Abschrecken ist der Stahl sehr spröde. Er muss deshalb angelassen werden.

Einhärtungstiefe von unlegierten Stählen

Beim Abschrecken wird die Wärme in der Randschicht des Werkstücks schneller abgeleitet als im Inneren des Werkstückes. Aufgrund der unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten bilden sich unterschiedliche Gefüge, das Werkstück wird nicht an allen Stellen gleich hart.
In der Randschicht entsteht die grösste Härte, die in das Werkstück hinein immer kleiner wird. Bei unlegierten Stählen wird deshalb nur eine etwa 5mm dicke Randschicht gehärtet, während der Werkstückkern weich und damit zäh bleibt.
Für viele Anwendungen ist geringe Einhärtungstiefe erwünscht. In anderen Fällen benötigt man durchgehärtete Werkstücke. Legierte Stähle härten überwiegend durch.

Härten der Randzone

Definition: Beim Härten der Randzone wird die Randzone des Werkstücks gehärtet, während der Kern zäh bleibt.

Dieses Verfahren wird zum Beispiel bei Zahnrädern, Bolzen, Gleitbahnen, Kolben und mechanisch hochbeanspruchten Wellen eingesetzt.

Einsatzhärten

Beim Einsatzhärten wird die Randschicht eines kohlenstoffarmen Stahls (weniger als 0.2% C) aufgekohlt und anschliessend gehärtet.

Die zu härtenden Teile werden dabei in einen Stahlkasten eingebettet, der mit kleinen Kohlekörnern gefüllt ist. Der Kasten wird verschlossen und in einen Ofen geschoben. Dort werden die Werkstücke bei ca. 900°C einige Stunden lang geglüht. Die Kohlenstoffatome dringen dabei in die Randschicht ein. Die so mit Kohlenstoff angereicherte Randzone kann nun gehärtet werden.

Neben dem soeben beschriebenen Pulveraufkohlen kommen auch noch Salzbadaufkohlen und Gasaufkohlen zum Einsatz.

Randschichthärten

Die Randzone eines härtbaren Stahls (mehr als 0.2% C) wird rasch erwärmt und anschliessend sofort wider abgeschreckt. Durch die schnelle Erwärmung kommt nur die Aussenschicht eines Werkstücks auf Härtetemperatur, der Kern bleibt weich.

Beim Flammhärten erwärmt man die Randschicht des Werkstücks mit einer Leuchtgas oder Acetylen-/Sauerstoffflamme in sehr kurzer Zeit auf Härtetemperatur. Noch bevor die Wärme ins innere des Werkstücks eindringen kann, wird mit Werkstückgerecht geformten Brausen abgeschreckt. Die tiefe der gehärteten Randschicht hängt von der Dauer der Flammeinwirkung ab.

Beim Induktionshärten werden die Werkstücke mit hochfrequentem Wechselstrom erwärmt. Nach dem Erwärmen der Aussenschicht schreckt man das Werkstück im Wasser- oder Ölbad ab. Bei automatisierten Induktionshärteanlagen besorgt eine mit Druckwasser betriebene Brause die Abschreckung unmittelbar nach der Erwärmung.

Nitrieren

Durch Nitrieren (Zuführen von Stickstoff) lässt man Stickstoff in die Randschicht des Stahls
eindringen. Enthält der Stahl als Legierungsbestandteile Chrom oder Aluminium, so bilden sich feinnadelige Eisen-Stickstoff-Verbindungen (Nitride), die sehr hart sind. Ihre Härte übertrifft bei weitem alle anderen Härteverfahren, die Härtetiefe beträgt jedoch nur einige Hundertstel- oder Zehntelmillimeter. Nach dem Nitrieren muss man nicht abschrecken, weil die Härte beim Nitrieren entsteht.

Das Salzbadnitrieren ist ein Nitrieren in zyanhaltigen Salzbädern. Die Werkstücke werden vorgewärmt in das auf 500 - 550°C erwärmte Bad gebracht, und bleiben dort 10 bis 90 Minuten. Anschliessend werden sie an ruhender Luft abgekühlt und zuletzt im Wasser gespült.

Beim Gasnitrieren werden die Werkstücke in einem gasdichten Glühofen bei 500 bis 520°C in einer Ammoniakatmosphäre 12 bis 96 Stunden geglüht. Sollen einzelne Stellen des Werkstücks nicht gehärtet werden, verzinnt man sie oder deckt sie mit Paste ab.

Anlassen

Definition: Durch Anlassen werden Sprödigkeit und innere Spannungen von gehärtetem Stahl auf Kosten der Härte abgebaut.

Beim Anlassen erwärmt man das Bauteil auf 200 bis 350°C (unlegierte und niedrig legierte Stähle) bzw. auf 500 bis 650°C (hochlegierte Stähle) und kühlt es nach mindestens einer Stunde wieder auf Raumtemperatur ab. Die Abkühlung muss langsam erfolgen.
Durch das Anlassen wird die Sprödigkeit der Stähle vermindert, sie erhalten ein gewisses Mass an Zähigkeit. Die Härte nimmt durch das Anlassen nur geringfügig ab, da das Härtegefüge nur wenig verändert wird. Bei manchen Stählen, z.B. Warmarbeitsstähle, Schnellarbeitsstähle, sind mehrfache Anlassbehandlungen notwendig, um optimale mechanische Eigenschaften zu erhalten.

Das Anlassen in einem Ofen nennt man Anlassen von aussen. Andere Verfahren zum Anlassen von aussen sind das Erwärmen im Salzbad, auf glühender Platte oder glühendem Dorn sowie an der Flamme eines Brenners.

Beim Anlassen von innen kommt die Wärme aus dem beim Abschrecken nicht völlig abgekühlten Werkstückkern oder aus nicht abgeschreckten Werkstückbereichen. So taucht man z.B. beim Härten eines Meissels nur die Schneide in das Abschreckbad, da nur sie gehärtet werden soll. Der nicht abgeschreckte Schaft behält noch so viel Wärme, um die Schneide wieder auf die Anlasstemperatur zu erwärmen.

Beim Anlassen bilden sich auf blanken Werkstückoberflächen typische Farben, die so genannten Anlassfarben. Sie können, falls keine Temperaturmessgeräte vorhanden sind, zum Abschätzen der Anlasstemperatur benutzt werden.

Vergüten

Definition: Vergüten ist ein Härten mit hohem Anlassen. Durch Vergüten erhalten Eisenwerkstoffe eine höhere Festigkeit bei gleichzeitig verbesserter Zähigkeit.

Vergüten ist Härten mit nachfolgendem Anlassen auf so hohe Temperaturen (über 723°C-Linie), dass eine Gefügeveränderung im Werkstoff eintritt und damit hohe Festigkeit bei guter Zähigkeit erreicht wird. Dazu wird der Stahl auf 820 - 900°C erwärmt, in Wasser oder Öl abgeschreckt und anschliessend bei Temperaturen von 530 - 670°C angelassen. Um Anlasssprödigkeit zu vermeiden, kann danach erneut abgeschreckt werden.
Vergütungsstähle enthalten etwa 0.2 - 0.65% Kohlenstoff. Die durch Vergüten erreichbaren Festigkeiten betragen bei unlegierten Stählen bis zu 1000 N/mm², bei legierten Stählen bis 1400 N/mm².

Zwischenstufenvergüten ist eine besondere Art des Vergütens, bei dem Zwischenstufengefüge gebildet werden. Dabei wird das Werkstück mit Härtetemperatur in einem Salzbad auf eine Zwischentemperatur abgeschreckt, dort gehalten und dann an der Luft abgekühlt.

Anwendung: Hochbeanspruchte Maschinenteile wie Achsen, Kurbelwellen, Pleuelstangen.

Wärmebehandlung von Gusseisen

Glühen von Gusseisen

Das Glühen von Gusseisen dient der Erzeugung gewünschter Gefüge. Wird Grauguss (Gusseisen mit Lamellengraphit) in Kokillen gegossen, erhält man Gussstücke, die eine glättere Oberfläche als Sandguss haben und wesentlich masshaltiger sind als diese. Durch die Abschreckwirkung in der Kokille kann sich jedoch nur wenig Graphit ausscheiden. Der meiste Kohlenstoff bleibt als Eisenkarbid gebunden und erzeugt einen harten, schlecht bearbeitbaren und wenig schwingungsdämpfenden Gusswerkstoff. Um nachträglich die Ausscheidung des Graphits zu erreichen, werden die Werkstücke nach dem Erstarren in der Kokille, in einem Glühofen geglüht.

Sphäroguss (Gusseisen mit Kugelgraphit) kann durch glühen zäher gemacht werden. Durch die Glühbehandlung scheidet sich aus der ferritisch-perlitischen Grundmasse weiterer Kohlenstoff aus, so dass ein Gusswerkstoff mit überwiegend ferritischer Grundmasse entsteht.

Zur Herstellung von weissem Temperguss soll dem Rohgussstück an der Oberfläche Kohlenstoff entzogen werden. Dazu glüht man es bei 900 - 1050°C in kohlenstoffentziehenden Mitteln und erhält eine kohlenstoffarme Randschicht mit den Eigenschaften zähen Stahls.

Zur Erzeugung schwarzem Temperguss werden die Gusstücke unter Luftabschluss bei 800 - 900°C geglüht. Dadurch zerfällt der im Gusseisen enthaltene Zementit in Ferrit und Temperkohle, was eine Verbesserung der Zähigkeit des Gusseisens zur Folge hat.

Härten und Vergüten von Gusseisen

Sphäroguss, Temperguss und Stahlguss können gehärtet und vergütet werden. Grauguss kann nicht gehärtet werden.

Gusseisen besteht aus einer Eisen - Grundmasse und ausgeschiedenem Graphit. Diese Grundmasse kann ferritisch, ferritisch-perlitisch oder perlitisch sein. Für das Härten bzw. Vergüten des Gusseisens gilt das gleiche wie bei Stählen mit entsprechendem Gefüge. Gusseisen mit ferritischer Grundmasse lässt sich nicht härten und vergüten, Gusseisen mit ferritisch-perlitischer Grundmasse oder perlitischer Grundmasse ist härt- und vergütbar. Stahlguss, der von der Zusammensetzung her ein Stahlwerkstoff ist, wird wie Stahl gehärtet und vergütet.

Zur Verminderung des Verschleisses, z.B. bei Führungsbahnen von Werkzeugmaschinen, können Werkstücke aus geeigneten Gusseisenarten durch Flammhärten oder Induktionshärten randschichtgehärtet werden.