Wärmebehandlung: Prozesse zur Steigerung von Festigkeit & Performance
Wärmebehandlung = gezieltes Erhitzen & Abkühlen von Metallen zur Änderung physikalisch-mechanischer Eigenschaften. Nicht nur Festigkeitssteigerung: auch Zerspanbarkeit, Umformbarkeit, Eigenspannungsabbau, Diffusionsschichten. Ofen/Öfen mit definierter Atmosphäre (Schutzgase) verhindern Oxidation/Entkohlung.
Ziele der Wärmebehandlung
- Kornfeinung
- Verbesserte Zerspanbarkeit
- Abbau innerer Spannungen
- Entfernung versprödender Gase (Wasserstoff)
- Oberflächenlegierung durch Diffusion (C, N)
- Einstellung definierter mechanischer/physikalischer/chemischer Eigenschaften
- Erweichen gehärteter Stähle (Anlassen)
Einflussparameter
- Atmosphäre
- Oberflächenbeschichtung
- Oberflächendiffusion
- Abkühlung (Abschrecken)
- Erhitzung (Temperatur, Zeit, Rate)
- Arbeiteintrag (Verformung)
- Zeit (Haltezeit, Prozessdauer)
Klassifikation der Wärmebehandlungsverfahren
Grundlegende Wärmebehandlungen (Gefügeumwandlung im Volumen)
- Homogenisieren (Homogenization) – Temperaturangleichung, Reduktion von Seigerung (Coring).
- Glühen (Annealing) – Erhitzen über Ac₃ (Stahl: ~727 °C), langsames Abkühlen → Weichgefüge, Duktilität↑, Härte↓. Phasen: Erholung → Rekristallisation → Kornwachstum.
- Normalisieren (Normalizing) – Erhitzen > 910 °C (vollständige Austenitisierung), Luftabkühlung → feines Perlit, gute Härte/Zähigkeit-Kombi. Für Ferritische Stähle.
Oberflächenchemische Behandlungen (Randschichtdiffusion)
- Einsatzhärten (Carburizing) – C-Diffusion in Randzone (niedriglegierte Stähle). Methoden: Stückgut (Pulver), Gas, Vakuum, Salzbad. Danach Härten + Anlassen → harte Randzone, zäher Kern. Vorteile: komplexe Teile, hohe Randhärte, Verschleiß-/Wechselfestigkeit↑.
- Nitrieren (Nitriding) – N-Diffusion bei 500–600 °C (Gas: NH₃-Spaltung; Plasma: N-Ionen). Kein Abschrecken nötig. Vorteile: hohe Härte (> Einsatzhärten), Korrosions-/Verschleißfestigkeit↑, minimales Verziehen, Ermüdungsfestigkeit↑.
- Carbonitrieren (Carbonitriding) – C + N simultan. Niedrigere Temperatur als Einsatzhärten → weniger Verzug. 0,5–0,8 % C, 0,2–0,4 % N in Randzone. Direktes Ölabschrecken gegen Rissbildung. Vorteile: höchste Randhärte, Ermüdungslebensdauer +30–100 %, Hochtemperaturfestigkeit.
- Ferritisches Nitrocarburieren (Ferritic Nitrocarburizing) – < 650 °C (ferritisches Gefüge bleibt erhalten). Für niedriglegierte Stähle, verschleißfeste Randzone ohne Gefügeumwandlung.
Gefügeumwandlungs-Wärmebehandlungen (Härten & Anlassen)
- Härten (Hardening) – Ferritische Stähle: Austenitisieren + schnelles Abschrecken (Wasser, Öl, Luft) → Martensit. Härte↑, Festigkeit↑, Sprödigkeit↑.
- Anlassen (Tempering) – Nach Härten: Erhitzen < Härtetemperatur, Luftkühlung → Spannungsabbau, Zähigkeitssteigerung, Härteminderung auf Zieldwert.
- Induktionshärten (Induction Hardening) – Lokales Oberflächenhärten. Werkstück in wassergekühlter Cu-Spule, Wechselstrom → Wirbelströme erwärmen Randzone > Ac₃. Kern bleibt kalt. Abschrecken in Öl/Emulsion. Für wellenförmige Härteprofile (Wellen, Zahnräder).
Sonderverfahren
- Sintern (Sintering) – Pulvermetallurgie: Erhitzen < Schmelzpunkt → Partikelverbund, Porositätsreduktion, Festigkeitsaufbau.
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