Glühen erklärt:Verbesserung der Metallfestigkeit, Haltbarkeit und Bearbeitbarkeit

Wenn Ingenieure und Hersteller mit Metallen arbeiten, verlangen sie Festigkeit und Haltbarkeit. Von Metallteilen wird erwartet, dass sie lange halten, und ihre Stressresistenz macht sie für vielfältige Anwendungen nützlich.

Manchmal benötigen Hersteller jedoch weiche und duktile Metalle. Denn wenn Metalle sehr hart sind, ist es schwieriger, sie zu biegen, zu formen und in die gewünschte Form zu schneiden. Mit anderen Worten bedeuten mehr Duktilität und weniger Härte aus Sicht des Metallverarbeiters eine bessere Bearbeitbarkeit.

Bei der Metallbearbeitung können Wärmebehandlungsprozesse wie Glühen eingesetzt werden, um die Duktilität von Metallen zu erhöhen und die Härte zu verringern, um sie besser bearbeitbar zu machen. In diesem Artikel wird untersucht, wie das Glühen funktioniert und wie es zur Verbesserung einer Vielzahl von Metallteilen (und manchmal auch Nichtmetallteilen) eingesetzt wird.

Was ist der Glühprozess?

Glühen ist ein Wärmebehandlungsprozess, der Metall weicher macht, seine Härte verringert, innere Spannungen abbaut und seine Duktilität erhöht. Alle diese physikalischen Veränderungen verbessern die Bearbeitbarkeit des Metalls und erleichtern die Verwendung in Herstellungsprozessen wie Biegen oder Bearbeiten.

Das Glühen erleichtert nicht nur die Bearbeitung von Metallen, sondern kann auch die chemischen Eigenschaften eines Materials stabilisieren und die Lebensdauer der fertigen Metallteile verlängern, da es dazu beiträgt, spätere Brüche zu verhindern. Das Verfahren kann sogar auf nichtmetallische Materialien wie Glas und Kunststoffe angewendet werden, um ähnliche Vorteile zu erzielen.

Wie funktioniert das Tempern?

Beim Glühen wird ein Material über seine Rekristallisationstemperatur, aber unter seinen Schmelzpunkt erhitzt. Dadurch können sich Atome in einem Prozess bewegen, der als Diffusion bezeichnet wird. Auf die Erhitzungsphase folgt ein kontrollierter Abkühlungsprozess, in dem sich neue, spannungsfreie Körner bilden. Eine genaue Steuerung der Abkühlraten ist von entscheidender Bedeutung, da eine zu schnelle oder langsame Abkühlung die Leistung negativ beeinflussen kann.

Durch den gesamten Prozess wird die Kristallstruktur des Metalls neu ausgerichtet, wodurch Versetzungen reduziert werden und das Metall weicher und für die weitere Herstellung leichter formbar wird.

Drei Phasen des Glühens

1. Erholung

Wenn die Temperatur des Metalls erhöht wird, durchläuft es eine Erholungsphase – so genannt, weil das Metall beginnt, seine „ursprünglichen“, weicheren Eigenschaften wiederherzustellen.

Durch die Rückgewinnung werden die Metalle weicher, indem Defekte, sogenannte Versetzungen, beseitigt, interne Gitterfehler beseitigt und Restspannungen reduziert werden. Dies geschieht, weil die Wärme den Atomen im Kristallgitter Energie liefert und ihnen ermöglicht, sich zu bewegen.

2. Rekristallisation

Die Rekristallisationsstufe findet bei der spezifischen Rekristallisationstemperatur des Materials statt, die höher als zuvor, aber unter dem Schmelzpunkt liegt. Während dieser Phase entstehen neue, spannungsfreie Körner und ersetzen ihre deformierten Vorgänger.

3. Getreidewachstum

Das Kornwachstum, die dritte Stufe, findet nur dann statt, wenn der Glühprozess über die vollständige Rekristallisation hinaus fortgesetzt wird.

Während der Kornwachstumsphase nimmt die Größe einzelner Körner zu. Dies führt zu einer Vergröberung der Mikrostruktur des Materials, was die Weichheit und Duktilität weiter verbessern kann, letztendlich aber auch zu einer Schwächung des Materials führen kann.

Arten des Glühens

Verschiedene Glüharten bzw. -varianten können zu unterschiedlichen Effekten führen. Zu diesen Glühuntertypen gehören:

• Spannungsabbauglühen :Beinhaltet eine Erwärmung des Materials bei niedriger Temperatur, um innere Spannungen durch Schweißen, Gießen oder Bearbeiten abzubauen, gefolgt von einer langsamen Abkühlung.
• Prozessglühen :Wird auch als Zwischenglühen, unterkritisches Glühen oder prozessinternes Glühen bezeichnet. Stellt die Duktilität zwischen den Kaltbearbeitungsphasen wieder her, ohne das Material vollständig zu erweichen.
• Vollständiges Glühen :Wird zur deutlichen Verbesserung der Duktilität, insbesondere von Stahl, verwendet. Dabei wird das Material über die kritische Temperatur erhitzt, gehalten und dann sehr langsam abgekühlt, um eine gleichmäßige Ferrit-Perlit-Struktur zu erzeugen.
• Isothermisches Glühen :Beinhaltet das Erhitzen des Materials zur Bildung von Austenit, gefolgt von schnellem Abkühlen und Halten, um die perlitische Umwandlung abzuschließen und eine gleichmäßige Härte zu erzeugen.
• Diffusionsglühen :Auch Homogenisieren genannt, beinhaltet hohe Temperaturen, um die Entmischung zu reduzieren.
• Lösungsglühen :Dabei wird die Legierung – typischerweise austenitischer Edelstahl – auf hohe Temperaturen erhitzt, um Niederschläge in eine feste Lösung aufzulösen, und dann schnell abgekühlt, um die Korrosionsbeständigkeit beizubehalten
• Blankglühen :Beinhaltet die Verwendung einer inerten Atmosphäre, um Oxidation zu verhindern und eine „helle“ Oberflächenbeschaffenheit zu erzeugen.
• Kurzzyklusglühen :Beinhaltet wiederholte Heiz- und Abkühlzyklen, um normales Ferrit in formbares Ferrit umzuwandeln.
• Sphäroidisieren :Dabei wird das Material über einen längeren Zeitraum knapp unter die kritische Temperatur erhitzt. Machen Sie Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt leicht bearbeitbar, indem Sie kugelförmige Hartmetallstrukturen (Sphäroide) bilden.

Wärmebehandlung Zweck Temperatur

Ändern

Auswirkung auf die Härte Typische Verwendungszwecke Glühen Material erweichen, Spannungen abbauen, Verarbeitbarkeit verbessern. Auf hohe Temperatur erhitzen, dann langsam abkühlen↓ Umformen, Bearbeitungsvorbereitung. Normalisieren. Kornstruktur verfeinern, Gleichmäßigkeit verbessern. Auf sehr hohe Temperatur erhitzen und dann an der Luft abkühlen braucht Zähigkeit

Wie Glühen die Bearbeitbarkeit und Bearbeitbarkeit von Materialien verbessert

Das Glühen ist ein wesentlicher Prozess zur Vorbereitung von Metallen für andere Herstellungsprozesse. Dies geschieht durch eine Erhöhung der Duktilität, die es Metallen und anderen Materialien ermöglicht, sich plastisch zu verformen, ohne zu brechen.

Das Glühen verbessert die Bearbeitbarkeit und Zerspanbarkeit des Materials auf folgende Weise:

• Erhöht die Duktilität :Atomdiffusion reduziert die Anzahl der Versetzungen (Defekte) in der Kristallstruktur, stellt die Duktilität wieder her und verhindert die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs.
• Reduziert die Sprödigkeit :Höhere Duktilität bedeutet weniger Sprödigkeit, was bedeutet, dass das Metall frei gebogen, gepresst oder geformt werden kann, ohne dass es zu Rissen kommt.
• Erhöht die Weichheit :Das weichere Metall kann von der Werkzeugmaschine leichter durchtrennt werden, was schnellere und präzisere Schnitte ermöglicht.
• Reduziert den Werkzeugverschleiß :Das weichere und weniger abrasive Material ist schonender für das Schneidwerkzeug und verlängert die Lebensdauer des Werkzeugs.

Diese Vorteile machen das Glühen besonders wertvoll bei der Bearbeitung von Eisenmetallen wie Stahl und Gusseisen.

Die Vor- und Nachteile des Glühens unterscheiden sich von denen anderer Wärmebehandlungsverfahren. Alle oben genannten Vorteile können als Hauptvorteile des Glühens angesehen werden. Zu den Nachteilen des Glühens gehören jedoch der hohe Energieverbrauch, die benötigte Zeit und das Risiko einer übermäßigen Glühung und eines übermäßigen Kornwachstums, das zu einer Schwächung des Materials führen kann.

Wie geglühte Materialien in Herstellungsprozessen verwendet werden

Geglühte Metalle können mithilfe einer Reihe von Umform- und Schneidverfahren einfacher hergestellt werden. Im Folgenden sehen wir uns an, wie das Glühen diese verschiedenen Techniken unterstützen kann.

CNC-Bearbeitung

Glühen kann vor und nach der CNC-Bearbeitung eingesetzt werden, um die Qualität der bearbeiteten Teile zu verbessern.

Vor der Bearbeitung können Metalle durch Glühen weicher gemacht werden, wodurch sie leichter und präziser geschnitten werden können und der potenzielle Werkzeugverschleiß verringert wird. Nach der Bearbeitung kann ein Glühen eingesetzt werden, um die durch den Schneidprozess verursachten Spannungen zu beseitigen.

Umformen und Biegen

Durch das Glühen lassen sich Metalle leichter biegen, ohne zu brechen, und eignen sich daher ideal für Umform- und Biegeprozesse, bei denen die Metalle erheblich verformt werden. Durch das Glühen wird die durch vorherige Vorgänge verursachte Kaltverfestigung rückgängig gemacht und für die weitere Bearbeitung vorbereitet.

Stanzen und Tiefziehen

Der Glühprozess eignet sich ideal für Kaltumformprozesse wie Stanzen und Tiefziehen, da er die Sprödigkeit des Materials verringert und Fehler verhindert.

Schweißen

Durch das Glühen werden Metalle weicher und biegsamer, was ein Schweißen ohne die Gefahr eines Materialbruchs ermöglicht.

Bei Materialien wie einigen rostfreien Stählen und Nickellegierungen ist eine Wärmebehandlung vor dem Schweißen, z. B. Glühen, nützlich, um die Rissempfindlichkeit zu verringern und eine starke, zuverlässige Schweißverbindung sicherzustellen. Darüber hinaus dient das Glühen nach dem Schweißen dazu, innere Spannungen abzubauen, die spröde Wärmeeinflusszone (HAZ) nach intensiver Hitze zu erweichen und die Duktilität und Zähigkeit des Metalls wiederherzustellen.

3D-Druck

Die oben beschriebenen Prozesse umfassen das Glühen von Metallen wie Stahl, Aluminium und Titan. Es kann jedoch auch verwendet werden, um die Lebensdauer thermoplastischer 3D-gedruckter Teile zu verlängern.

Beim 3D-Druck-Tempern werden die Kunststoffteile bis knapp unter ihre Glasübergangstemperatur erhitzt, wodurch sich unorganisierte Polymerketten zu einer kristallineren Struktur ausrichten. Dadurch wird das Teil stärker, härter und hitzebeständiger.

Anwendungen des Glühens

Glühen wird in vielen Branchen eingesetzt, um die Härte zu verringern, die Duktilität zu verbessern und innere Spannungen abzubauen, wodurch die Teile letztendlich haltbarer werden. Zu den üblichen geglühten Teilen gehören:

• Allgemeine Fertigung :Kaltgewalztes Blech, gezogenes Aluminium, Draht und geschweißte Baugruppen
• Bauwesen :Hydraulikzylinder, Kurbelwellen, Kolben
• Automobil :Achswellen, Zahnräder, Motorteile
• Luft- und Raumfahrt :Rahmen, Fahrwerk, Motorteile, Teile aus Titanlegierung
• Elektronik :Halbleiterwafer, Kupfer- und Aluminiumleiter

Metalle und Legierungen zum Glühen

Zum Glühen eignen sich mehrere Metalle und Legierungen, allerdings eignen sich unterschiedliche Temperaturen (und Glüharten) für unterschiedliche Materialien. Die folgende Tabelle zeigt geeignete Temperaturen für verschiedene Metalle sowie die zusätzlichen Vorteile, die sie neben der verbesserten Duktilität bieten.

Metall Typische Glühtemperatur Einzigartige Vorteile Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt750–900 °CStahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt800–850 °CLegierter Stahl750–900 °CEdelstahl (austenitisch)1.000–1.100 °CStellt die Korrosionsbeständigkeit durch Auflösen von Chromkarbiden wieder her.Edelstahl (ferritisch)750–850 °CGusseisen800–950 °CKonvertiert gebundenen Kohlenstoff zur Verbesserung in freien Graphit DämpfungAluminium300–415 °CStellt die elektrische Leitfähigkeit nach der Kaltumformung wieder herKupfer400–650 °CMaximiert die elektrische und thermische LeitfähigkeitMessing450–650 °CVerhindert Spannungsrisskorrosion bei der KaltumformungBronze500–700 °CVerbessert die Verschleißverträglichkeit in LagerlegierungenTitan650–760 °CVerhindert WasserstoffversprödungNickel und Nickel Legierungen700–1.100 °CStellt die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen wieder her

Fazit:Fortschrittliche Annealing-Lösungen mit 3ERP

Das Glühen bietet wichtige Vorteile bei der Metallbearbeitung und ermöglicht es Herstellern, Prozesse wie Formen und Bearbeiten durchzuführen, ohne das Metallmaterial zu beschädigen. Aufgrund seiner vielen Untertypen handelt es sich um ein vielseitiges Verfahren, das für verschiedene Legierungen und Anwendungen geeignet ist.

Zu den aufkommenden industriellen Anwendungen des Glühens gehört der Einsatz in der additiven Fertigung, wo die mit dem 3D-Druck verbundenen Schwächen – innere Spannungen und Hohlräume – durch Wärmebehandlung gemildert werden können. Eine weitere moderne Anwendung des Temperns ist die Halbleiterfertigung, wo fortschrittliche Prozesse wie Laser-Tempern und Mikrowellen-Tempern auf bestimmte Funktionsschichten in 3D-Chips abzielen können.

Ganz gleich, welche Glühanforderungen Sie haben, die Metallbearbeitungsspezialisten von 3ERP können bei der Umsetzung Ihres Projekts auf unsere langjährige Erfahrung zurückgreifen. Fordern Sie hier ein Angebot an.

FAQs

Was sind die drei Phasen des Glühens?

Die drei Phasen des Glühens sind Erholung (erzeugt Bewegung von Atomen), Rekristallisation (ermöglicht die Keimbildung spannungsfreier Körner) und Kornwachstum (weitere Veränderung der mechanischen Eigenschaften).

Was ist magnetisches Glühen?

Magnetisches Glühen ist eine spezielle Wärmebehandlung für weichmagnetische Materialien, die eine kontrollierte Atmosphäre erfordert. Das Verfahren bietet die üblichen Vorteile des Glühens und verbessert gleichzeitig die magnetischen Eigenschaften.

Was ist ein Glühofen?

Ein Glühofen ist ein Industrieofen, der die beim Glühen erforderlichen hohen Temperaturen präzise erzeugen und aufrechterhalten kann. Die Abkühlung der Metalle erfolgt typischerweise auch innerhalb des Ofens.

  Ist das Glühen von Edelstahl möglich?

Ja, das Glühen von Edelstahl ist üblich, erfordert jedoch hohe Temperaturen. Lösungsglühen wird häufig für austenitische Güten eingesetzt.

Ist das Glühen von Gold möglich?

Das Glühen von Gold ist ein weit verbreiteter Prozess in der Schmuckherstellung und anderen Branchen. Da die Werkstücke typischerweise sehr klein sind, verwenden Juweliere oft einen speziellen Brenner anstelle eines Ofens, um das Gold zu erhitzen, bis es rot leuchtet.