Wärmebehandlungsverfahren in Eisen-Gießereien: Festigkeit & Haltbarkeit steigern

Härten, Anlassen, Normalisieren und Glühen von Stahl

Wärmebehandlung ist ein entscheidender Schritt, um die mechanischen Eigenschaften von Stahlguss zu gewährleisten. Durch Formen, Gießen, Entformen und Reinigen erhalten Gussstücke ihre endgültige Form – aber sie sind möglicherweise nicht fest oder elastisch genug für ihren endgültigen Einsatz. Durch Erhitzen und Abkühlen von Metall mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten kann eine Gießerei seine mechanischen Eigenschaften verändern.

Aber wie verändert die Anwendung von Wärme die Festigkeit oder Flexibilität eines Metalls?

Kristallisation und Metalleigenschaften

Wenn flüssiges Metall abkühlt, erstarrt es in kristallinen Strukturen. Unter dem Mikroskop sehen diese Strukturen aus wie die Frostkristalle, die sich im Winter auf Glas bilden. Jede Struktur wächst von einem Mittelpunkt aus, bis sie auf eine andere Kristallstruktur trifft. Diese Strukturen bilden die „Körner“ eines Metalls.

Genau wie unterschiedliche Winterbedingungen viele Arten von Frostmustern erzeugen, verändern variable Temperaturen die Kristalle, aus denen Metall besteht. Das von ihnen erzeugte Korn ist normalerweise unsichtbar, wird aber sichtbar, wenn das Metall geätzt wird.

Die Form und Beziehung der Körner in einer Legierung bestimmen ihre mechanischen Eigenschaften. Runde Körner können beim Schlag aneinander vorbeigleiten, was zu Dellen führt, anstatt fest zu bleiben oder zu brechen. Flache Körner können sich wie Ziegel in einer Mauer stapeln und sich gegenseitig stützen; stärker als runde Körner, aber noch etwas beweglich. Verzahnte, ineinandergreifende Körner haben möglicherweise gar kein Nachgeben. Die Wärmebehandlung eines Metalls kann seine Kristallisation umgestalten, was sein Korn und damit die Eigenschaften des Metalls verändert.

Kaltverfestigung von Metall

Das Bild eines Schmieds an seinem Amboss, der ein glühendes Metallstück hämmert, ist sofort wiedererkennbar, obwohl es heute kein häufiger Anblick mehr ist. Doch für einen Großteil der Menschheitsgeschichte bearbeiteten Schmiede Metall mechanisch, um es stärker zu machen. Heute wird Stahl statt von Hand durch einen Schmied oft gewalzt, um ihn mechanisch zu härten.

Die Kornstruktur erklärt, wie Kaltverfestigung funktioniert. Runde Körner im Metall werden verformt, und ihre neue Form verleiht dem Metall Festigkeit. Beim Kaltwalzen werden beispielsweise die runden Körner gequetscht und gestreckt, sodass sie stäbchenförmiger werden. Diese Stäbe stützen sich gegenseitig, wie Stöcke in einem Bündel. Ein Schmied oder Metallarbeiter kann ein Objekt hämmern, verdrehen, erhitzen, abkühlen und dehnen, um die Form des Korns zu verändern. Wenn die Körner beim Schlag keinen Platz haben, bilden sie eine unbewegliche, unelastische Matrix, die die Härte des Metalls erhöht.

Diese Härte kann jedoch einen Preis haben: Festigkeit kann das Material spröde machen. Ungeregelt geformte Körner gleiten nicht leicht aneinander vorbei; sie sind ineinander verhakt. Jeder ausreichend große Aufprall – etwas, das stärker ist als die Bindung zwischen den Körnern – wird sie auseinanderbrechen.

Wärmebehandlung von Metall

Die Gießerei beginnt mit der Schaffung der gewünschten mechanischen Eigenschaften von Stahl, indem sie eine Legierung wählt, von der bekannt ist, dass sie diese Eigenschaften erzeugt. Doch es gibt nur sehr wenig Kontrolle über die Kristallisation dieses Metalls, während der Guss abkühlt. Da die Kristallisation die mechanischen Eigenschaften des Metalls erzeugt, verhält sich die Legierung möglicherweise nicht optimal, es sei denn, sie wird weiter behandelt. Die Gießerei kann dies tun, indem sie das Metall kontrolliert und regelmäßig erhitzt und abkühlt.

Wärmebehandlung ist eine nicht-destruktive Methode, um Materialeigenschaften zu verändern. Sie ist manchmal ein sekundärer Prozess bei kaltverfestigtem Metall – aber die erste Wahl der Gießerei, da der Guss bereits die richtige Form hat und nicht bearbeitet werden kann.

Kristallisation beginnt fast immer an den Außenflächen und bewegt sich nach innen, und – besonders bei großen Gussstücken – besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen der Schale des Gusses und dem Kern. Die Kristalle wachsen unregelmäßig, meist schärfer und weniger formbar nahe der Oberfläche. Sie sind oft runder und damit weicher, je weiter man nach innen geht. Die Gussform und Fehler oder Einschlüsse im Metall beeinflussen die Abkühlraten, was zu Zonen im Metall führt, die unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Unterschiede können innere Metallspannungen verursachen, die zu Metallermüdung oder -versagen führen können. Die Wärmebehandlung ermöglicht es der Gießerei, wieder ins Innere eines Metalls vorzudringen und die Kristalle, aus denen es besteht, neu anzuordnen.

Ausglühen (Soaking)

Ausglühen ist der Prozess, der die Grundlage für alle Wärmebehandlungsmethoden bildet. Die Wärmebehandlung basiert auf der „Rekristallisationstemperatur“ eines Metalls, die unter seinem Schmelzpunkt liegt. Während der Rekristallisation wird Kohlenstoff freigesetzt, um durch das Metall zu diffundieren und sich je nach Wärme, Kohlenstoffgehalt und Zeit von einer molekularen Form in eine andere zu verwandeln. Diese Bewegung des Kohlenstoffs verändert die Kristallisationsmuster des Metalls und trägt daher unterschiedliche Materialeigenschaften. Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm zeigt die Bildung von Austenit, Ferrit, Perlit und Zementitkorn bei unterschiedlichen Zeiten und Temperaturen. Martensit, eine weitere Kornstruktur in gehärteten Stählen, entsteht durch Kälteschock von Austenit.

Ausglühen ist also der Prozess, einen Guss über den Rekristallisationspunkt zu bringen. Die für eine Wärmebehandlung angegebene „Zeit bei Temperatur“ lässt die Kristalle im Metall schmelzen und neu bilden. Ein Blick auf den Eisen-Kohlenstoff-Phasenzyklus kann einer Gießerei helfen zu wissen, wie lange ein Guss bei Temperatur gehalten werden muss, um eine bestimmte Diffusion von Kohlenstoff zu ermöglichen.

In den meisten (aber nicht allen) Teilen des Eisen-Kohlenstoff-Phasenzyklus macht das Ausglühen eines gegossenen oder bearbeiteten Metalls es weniger hart und spröde. Da die Körner im Metall regelmäßiger wachsen, sind sie runder und können sich bei Aufprall durch Aneinandervorbeigleiten neu anordnen. Auch da das Stück überall die gleiche Temperatur erreicht, sind die Kristalle meist gleichmäßiger als in einem frisch gegossenen Guss.

Weichglühen

Weichglühen beginnt mit dem Ausglühen und lässt den Stahl dann sehr langsam im Ofen abkühlen. Der Gießereiarbeiter schaltet den Ofen aus und lässt einen sanften, kontrollierten Temperaturabfall zu. Es herrscht thermische Konsistenz im gesamten Objekt sowohl beim Erhitzen als auch beim Abkühlen, was bedeutet, dass kaum innere Spannungen entstehen: keine „Zonen“ von Metall mit unterschiedlichen Kristallisationseigenschaften. Weichgeglühtes Metall ist im Allgemeinen sehr formbar, mit erhöhter Duktilität, Zugfestigkeit und Dehnung. Die Korngrößen bei weichgeglühten Metallen sind oft sehr groß aufgrund der sehr langsamen Abkühlkurve.

Normalisieren

Normalisieren bedeutet, ein Metall durch Ausglühen auf Rekristallisationstemperaturen zu bringen und es dann aus dem Ofen zu entnehmen und in der Atmosphäre abkühlen zu lassen. Viele Eigenschaften von weichgeglühten Metallen zeigen sich auch bei normalisierten Metallen, aber da die Abkühlung nicht ganz so gleichmäßig ist, neigen die Körner dazu, etwas weniger regelmäßig zu sein. Dennoch bedeutet die viel geringere Temperaturdifferenz als beim Erstarren von Metall, dass ein normalisiertes Produkt weniger spröde ist.

Die Abkühlrate beim Normalisieren erzeugt kleinere Körner im Metall als beim Weichglühen, was bedeutet, dass es im Allgemeinen stärker oder härter ist als weichgeglühtes Metall.

Härten (Abschrecken)

Was, wenn ein sehr hoher Härtegrad gewünscht ist? Bei der Herstellung von Werkzeugen und Maschinenteilen kann das Erweichen des Metalls den Zweck verfehlen.

Wärmebehandlung kann ermöglichen, dass Härte spezifiziert und konsistent ist. Um Härte in Stahl zu erzeugen, glüht die Gießerei den Stahl aus, bis Austenit das Hauptmolekül ist, und schreckt ihn dann in kühlerem Öl oder Druckluft ab. Wenn Austenit kalt geschockt wird, entsteht eine leicht unregelmäßige Kristallstruktur namens Martensit. Dieses Material ist härter aufgrund einer Kohlenstoffverzerrung in jedem Martensittmolekül.

Da das Abschrecken von außen nach innen erfolgt, können große Objekte den Drücken schneller Kristallisation ausgesetzt sein, was zu inneren Spannungen im Metall führt. Diese Kräfte können manchmal Risse verursachen, wenn der Abschreckvorgang zu extrem ist. Aus diesem Grund ist Wasserabschrecken bei großen Stahlobjekten nicht sehr üblich, da es einen sehr schnellen Temperaturabfall verursacht, der Risse bilden kann. Öl und Luft kühlen etwas weniger stark ab.

Es werden jedoch nicht nur Stähle zum Härten abgeschreckt. Wasserabschrecken wird in einer Gießerei verwendet. Nicht-stählerne Metalle leiden möglicherweise nicht unter denselben inneren Drücken, da ihre Phasen und molekularen Strukturen anders sind. Mangan wird bei viel höheren Temperaturen als Stahl wasserabgeschreckt, ohne zu reißen. Der Temperaturunterschied ist jedoch so groß, dass jeder Abschreckvorgang mit viel Energie umgeht, die schiefgehen kann! Unten sehen Sie eine Explosion, die durch einen zurückgebliebenen Sandkern beim Abschrecken eines Mangangussstücks verursacht wurde. Reliance Foundrys Len Cranmore, heute unser Vertriebsleiter, blieb bei dieser Explosion unverletzt, musste aber kleine Brände löschen, die durch die überhitzten Sandsplitter verursacht wurden.

Anlassen

Die richtige Mischung aus Härte und Duktilität kann auch durch einen Prozess namens Anlassen erreicht werden. Anlassen wird oft bei abgeschrecktem Stahl durchgeführt, um ihn weniger spröde zu machen, während ein Teil der Härte erhalten bleibt. Beim Anlassen wird ein Metall erneut erhitzt, aber nun auf eine niedrigere Temperatur als beim Glühen, Normalisieren oder Härten.

Martensit ist bei Wärme kein stabiles Molekül – es wird unter Schock erreicht – daher bedeutet das Anlassen von Stahl, den Martensit zu destabilisieren, damit er beginnt, sich in Zementit und Ferrit umzuwandeln. Ein Temperaturbereich und die Dauer im Anlassofen beeinflussen, wie viel Martensit umgewandelt wird und damit, wie weich das Metall wird. Zum Beispiel können Federn bei höheren Temperaturen angelassen werden, um die Elastizität zu erhöhen, im Vergleich zu Werkzeugen, die bei niedrigeren Temperaturen angelassen werden, um die Härte zu erhalten.

Anlassen wird oft verwendet, um innere Spannungen in einem abgeschreckten Material abzubauen. Ein Metall, das anderen Wärmespannungen wie Schweißen oder Schmieden ausgesetzt war, kann angelassen werden, um den Molekülen im Inneren zu erlauben, sich etwas ineinander zu entspannen.

Varianten der Wärmebehandlung

In einer Gießerei werden Gussstücke meist einheitlich wärmebehandelt. Manchmal kann ein Gegenstand jedoch unregelmäßig wärmebehandelt werden. Angelassene Stahlschwerter wurden häufig variabel angelassen, sodass die Klingen harte Kanten hatten, während die Kerne federnd blieben. Federn durchlaufen manchmal eine differentielle Wärmebehandlung, um ihrer Funktion zu entsprechen.

Wie bei vielem in der Gießerei bedeutet das Verständnis der Chemie einer Legierung, dass Zeiten, Temperaturen und Toleranzen wissenschaftlich spezifiziert werden können. Doch mit der Zeit lernt ein Gießereiarbeiter das Metall, mit dem er arbeitet, kennen. Wie ein Experte-Koch seine Zutaten gut genug kennt, um kein Rezept zu brauchen, weiß ein erfahrener Gießereiarbeiter, wenn etwas nicht stimmt. Ein Metall, das zu lange braucht, um zu glühen, oder zu schnell abkühlt, erzählt einem erfahrenen Auge eine molekulare Geschichte – ohne die Hilfe von Laborequipment.

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