Wärmebehandlung in Eisengießereien

Abschrecken, Anlassen, Normalisieren und Anlassen von Stahl

Die Wärmebehandlung ist ein wichtiger Schritt zur Gewährleistung der mechanischen Eigenschaften von Stahlguss. Durch Formen, Gießen, Ausschütteln und Reinigen nehmen Gussteile ihre endgültige Form an – sind aber möglicherweise nicht stark genug oder elastisch genug für ihre endgültige Verwendung. Durch Erhitzen und Abkühlen von Metall mit unterschiedlichen Raten kann eine Gießerei ihre mechanischen Eigenschaften verändern.

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

Kristallisation und Metalleigenschaften

Wenn geschmolzenes Metall abkühlt, gefriert es in kristallinen Strukturen. Unter dem Mikroskop sehen diese Strukturen aus wie Eiskristalle, 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.

So wie unterschiedliche Winterbedingungen viele Arten von Frostmustern erzeugen, verändern unterschiedliche Temperaturen die Kristalle, aus denen Metall hergestellt wird. Die Maserung, die sie erzeugen, ist normalerweise unsichtbar, wird aber sichtbar, wenn das Metall mit Säure geätzt wird.

Die Form und das Verhältnis der Körner in einer Legierung bestimmen ihre mechanischen Eigenschaften. Runde Körner können aneinander vorbeigleiten, wenn das Metall geschlagen wird, und sich verbeulen, anstatt stark zu bleiben oder zu brechen. Flache Körner können zusammengestapelt werden und sich wie Ziegel in einer Mauer gegenseitig stützen; stärker als die runden Körner, aber noch etwas beweglich. Gezackte, ineinandergreifende Körner haben möglicherweise überhaupt kein Nachgeben. Die Wärmebehandlung eines Metalls kann seine Kristallisation umformen, was seine Körnung und damit die Eigenschaften des Metalls verändert.

Kalthärtendes Metall

Das Bild eines Schmieds an seiner Esse, der auf eine glühende Metallplatte hämmert, ist sofort erkennbar, obwohl es nicht mehr alltäglich ist. Für einen Großteil der Menschheitsgeschichte bearbeiteten Schmiede jedoch Metall mechanisch, um es stärker zu machen. Heutzutage wird Stahl, anstatt von einem Schmied von Hand bearbeitet zu werden, oft gewalzt, um ihn mechanisch zu härten.

Die Darstellung der Kornstruktur erklärt, wie die Kaltverfestigung funktioniert. Runde Körner im Metall werden verformt und ihre neue Form verleiht dem Metall Festigkeit. Beim Kaltwalzen beispielsweise werden die runden Körner gequetscht und gestreckt, um stabähnlicher zu werden. Diese Stäbe stützen sich gegenseitig, wie Stöcke in einem Bündel. Ein Schmied oder Metallarbeiter kann ein Objekt hämmern, drehen, erhitzen, kühlen und dehnen, um die Form der Maserung zu verändern. Wenn die Körner beim Schlagen keinen Platz haben, bilden sie eine unbewegliche, unelastische Matrix, die die Metallhärte erhöht.

Diese Härte kann jedoch mit Kosten verbunden sein:Stärke kann das Material spröde machen. Unregelmäßig geformte Körner gleiten nicht leicht aneinander vorbei:Sie sind miteinander verkeilt. Jeder ausreichend große Aufprall – etwas größer als die Stärke der Bindungen zwischen den Körnern – wird sie auseinander brechen.

Wärmebehandlungsmetall

Die Gießerei beginnt damit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Stahls zu erzeugen, indem sie eine Legierung auswählt, von der bekannt ist, dass sie diese Eigenschaften erzeugt. Dennoch gibt es sehr wenig Kontrolle über die Kristallisation dieses Metalls, wenn das Gussteil abkühlt. Da die Kristallisation die mechanischen Eigenschaften des Metalls erzeugt, verhält sich die Legierung möglicherweise nicht optimal, wenn sie nicht weiter behandelt wird. Die Gießerei kann dies durch kontrolliertes, regelmäßiges Erhitzen und Abkühlen des Metalls erreichen.

Die Wärmebehandlung ist eine zerstörungsfreie Methode zur Änderung von Materialeigenschaften. Es ist manchmal ein sekundärer Prozess mit kaltverfestigtem Metall – aber die erste Wahl der Gießerei, da das Gussteil bereits die richtige Form hat und nicht bearbeitet werden kann.

Die Kristallisation beginnt fast immer an den äußeren Oberflächen und bewegt sich nach innen, und – insbesondere bei großen Gussstücken – gibt es einen großen Temperaturunterschied zwischen der Schale des Gussstücks und dem Zentrum. Die Kristalle wachsen unregelmäßig, normalerweise schärfer und in der Nähe der Oberfläche weniger formbar. Sie sind oft runder und daher weicher, je weiter sie hinein sind. Die Gussform und Defekte oder Einschlüsse innerhalb des Metalls beeinflussen die Abkühlgeschwindigkeiten, was zu Zonen im Metall führt, die unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Unterschiede können innere Metallspannungen verursachen, die Metallermüdung oder -versagen verursachen können. Die Wärmebehandlung ermöglicht es der Gießerei, in ein Metall zurückzukehren und die Kristalle, aus denen es besteht, neu anzuordnen.

Einweichen

Das Weichen ist der Prozess, der die Grundlage für alle Wärmebehandlungsverfahren bildet. Die Wärmebehandlung beruht 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 Hitze, Kohlenstoffanteil und Zeit von einer Molekülform in eine andere zu bewegen. Diese Bewegung von Kohlenstoff verändert die Kristallisationsmuster des Metalls und trägt daher unterschiedliche Materialeigenschaften. Das Eisen-Kohlenstoff-Phasendiagramm zeigt die Bildung von Austenit-, Ferrit-, Perlit- und Zementitkörnern zu unterschiedlichen Zeiten und Temperaturen in der Hitze. Martensit, eine weitere Kornstruktur, die in gehärteten Stählen vorkommt, wird durch Kälteschock-Austenit gebildet.

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

In den meisten (aber nicht allen) Teilen des Eisen-Kohlenstoff-Phasenzyklus wird ein gegossenes oder bearbeitetes Metall durch Einweichen weniger hart und spröde. Da die Körner im Metall regelmäßiger wachsen, sind sie runder und können sich beim Aufprall neu anordnen, indem sie aneinander vorbeigleiten. Da der Artikel durchgehend die gleiche Temperatur erreicht, sind die Kristalle normalerweise gleichmäßiger als bei einem frisch gegossenen Guss.

Glühen

Das Glühen beginnt mit dem Einweichen und setzt sich dann fort, indem der Stahl sehr langsam im Ofen abgekühlt wird. Der Gießer schaltet den Ofen ab und lässt eine sanfte, kontrollierte Temperaturabsenkung zu. Sowohl beim Erhitzen als auch beim Abkühlen herrscht im gesamten Objekt thermische Konstanz, was bedeutet, dass es wenige innere Spannungen gibt:Es treten keine „Zonen“ von Metall mit unterschiedlichen Kristallisationseigenschaften auf. Geglühtes Metall ist im Allgemeinen sehr formbar, mit erhöhter Duktilität, Zugfestigkeit und Dehnung. Die Korngrößen bei geglühten Metallen sind aufgrund der sehr langsamen Abkühlkurve oft sehr groß.

Normalisierung

Ein Metall zu normalisieren bedeutet, es durch Einweichen auf Rekristallisationstemperatur zu bringen, es dann aus dem Ofen zu ziehen und es in der Atmosphäre abkühlen zu lassen. Viele der Eigenschaften von geglühten Metallen sind bei normalisierten Metallen offensichtlich, aber da die Abkühlung nicht ganz so gleichmäßig ist, neigen die Körner dazu, etwas weniger regelmäßig zu sein. Dennoch bedeutet ein viel kleinerer Temperaturunterschied als beim Gefrieren von Metall, dass ein normalisiertes Produkt weniger spröde ist.

Die Abkühlungsgeschwindigkeit beim Normalisieren erzeugt kleinere Körner im Metall als beim Glühen, was bedeutet, dass es im Allgemeinen stärker oder härter als geglühtes Metall ist.

Löschen

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

Die Wärmebehandlung kann es ermöglichen, die Härte zu spezifizieren und konsistent zu machen. Um dem Stahl Härte zu verleihen, tränkt die Gießerei den Stahl, bis Austenit das Hauptmolekül ist, und löscht ihn dann in kühlerem Öl oder Umluft. Wenn Austenit einem Kälteschock ausgesetzt wird, entsteht eine leicht unregelmäßige Kristallstruktur namens Martensit. Dieses Material ist aufgrund einer Kohlenstoffverzerrung in jedem Martensitmolekül härter.

Da das Abschrecken von außen nach innen erfolgt, können große Objekte den Drücken einer schnellen Kristallisation ausgesetzt sein, was zu einem Innendruck im Metall führt. Diese Kräfte können manchmal Risse verursachen, wenn die Abschreckung zu extrem ist. Aus diesem Grund ist das Abschrecken mit Wasser bei großen Stahlgegenständen nicht sehr üblich, da es einen sehr schnellen Temperaturabfall verursacht, der zur Bildung von Rissen führen kann. Öl und Luft kühlen etwas weniger stark ab.

Aber nicht nur Stähle werden zum Härten abgeschreckt. Wasserabschreckung wird in einer Gießerei verwendet. Nicht-Stahl-Metalle unterliegen möglicherweise nicht den gleichen Innendrücken, da ihre Phasen und Molekularstrukturen unterschiedlich sein werden. Mangan wird bei viel höheren Temperaturen als Stahl mit Wasser abgeschreckt, ohne zu reißen. Allerdings ist der Temperaturunterschied so groß, dass jede Abschreckung mit viel Energie verbunden ist, die schief gehen kann! Unten ist eine Explosion zu sehen, die durch einen zurückgehaltenen Sandkern während des Abschreckens eines Gussstücks aus Manganstahl verursacht wurde. Len Cranmore von Reliance Foundry, jetzt unser Verkaufsleiter, blieb bei dieser Explosion unverletzt, musste aber kleine Brände löschen, die durch die überhitzten Sandsplitter ausgelöst wurden.

Tempern

Das Finden der richtigen Mischung aus Härte und Duktilität kann auch durch einen Prozess erreicht werden, der Anlassen genannt wird. Das Anlassen erfolgt häufig mit abgeschrecktem Stahl, um ihn weniger spröde zu machen und gleichzeitig einen Teil der Härte zu erhalten. Beim Anlassen wird ein Metall erneut erhitzt, aber jetzt auf eine niedrigere Temperatur als beim Glühen, Normalisieren oder Abschrecken.

Martensit ist kein wärmestabiles Molekül – es wird unter Schock erreicht – also bedeutet das Anlassen von Stahl, dass der Martensit destabilisiert wird, damit er beginnt, sich in Zementit und Ferrit umzuwandeln. Eine Reihe von Temperaturen und Zeiten im Temperofen beeinflussen, wie viel Martensit umgewandelt wird und wie weich das Metall wird. Zum Beispiel können Metallfedern 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 die inneren Spannungen in einem abgeschreckten Material abzubauen. Ein Metall, das einer anderen Hitzebelastung wie Schweißen oder Schmieden ausgesetzt war, kann getempert werden, damit sich die Moleküle darin etwas entspannen können.

Variationen in der Wärmebehandlung

In einer Gießerei werden Gussteile in der Regel gleichmäßig wärmebehandelt. Manchmal kann ein Gegenstand jedoch unregelmäßig wärmebehandelt werden. Schwerter aus gehärtetem Stahl waren üblicherweise unterschiedlich gehärtet, so dass die Klingen harte Kanten hatten, während die Kerne federnd blieben. Federn durchlaufen manchmal eine unterschiedliche Wärmebehandlung, um ihrer Funktion gerecht zu werden.

Wie in weiten Teilen der Gießerei bedeutet ein Verständnis der Chemie einer Legierung, dass Zeiten, Temperaturen und Toleranzen wissenschaftlich festgelegt werden können. Mit der Zeit lernt ein Gießereiarbeiter jedoch das Metall kennen, mit dem er arbeitet. So wie ein erfahrener Koch seine Zutaten gut genug kennt, um kein Rezept zu benötigen, weiß ein erfahrener Gießereiarbeiter, wenn etwas nicht stimmt. Ein Metall, das zu lange braucht, um zum Glühen zu kommen, oder zu schnell abkühlt, erzählt einem erfahrenen Auge eine molekulare Geschichte – ohne die Hilfe von Geräten im Labor.

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