Was passiert bei der Wärmebehandlung im Metall und welche Verfahren gibt es? Das erfährst du hier und im Video!
Inhaltsübersicht
Was ist Wärmebehandlung?
Manchmal reicht ein Metall in seinem ursprünglichen Zustand nicht aus. Es ist zu weich oder zu spröde. Dann kannst du die Eigenschaften des Metalls gezielt verändern, ohne dabei seine Form zu ändern. Das gelingt durch Wärmebehandlung.
Bei der Wärmebehandlung durchläuft das Werkstück immer drei Schritte:
- Erhitzen auf eine bestimmte Temperatur
- Halten der Temperatur für eine bestimmte Zeit
- anschließendes kontrolliertes Abkühlen.
Je nachdem, wie du diese drei Schritte gestaltest, veränderst du die Eigenschaften des Metalls gezielt. Das Ziel ist immer dasselbe: Du passt das Material an seinen späteren Einsatz an.
Was passiert im Material bei einer Wärmebehandlung?
Um die Wärmebehandlung zu verstehen, musst du wissen, was im Inneren eines Metalls passiert. Du weißt bereits, dass Metalle ein Kristallgitter haben. Dieses Gitter ist jedoch nie perfekt. Es enthält Fehler, sogenannte Versetzungen. Das sind Stellen, an denen Atome verschoben oder falsch angeordnet sind.
Versetzungen entstehen zum Beispiel beim Kaltumformen. Das Metall wird dabei fester, aber auch spröder. Du nennst das Kaltverfestigung.
Wenn du das Metall jetzt erhitzt, beginnen sich die Atome im Inneren zu lösen und können sich frei bewegen. Ab einer bestimmten Temperatur ordnen sich die Atome neu. Die Versetzungen verschwinden und das Gitter wird wieder regelmäßiger. Diesen Vorgang nennst du Rekristallisation.
Nach der Rekristallisation ist das Metall weicher und zäher als zuvor. Die Kaltverfestigung ist also rückgängig gemacht. Deshalb nutzt du Wärmebehandlung oft nach einem Umformschritt.
Die Art der Abkühlung entscheidet dann über das Endergebnis. Kühlst du langsam ab, bleibt das Gefüge gleichmäßig und weich. Kühlst du schnell ab, frierst du einen bestimmten Zustand ein. Das Gefüge hat dann keine Zeit, sich neu zu ordnen, und das Metall wird härter.
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Verfahren der Wärmebehandlung
Wärmebehandlung läuft immer nach demselben Grundprinzip ab: Erhitzen, Halten, Abkühlen. Wie hoch die Temperatur ist, wie lange sie gehalten wird und wie schnell danach abgekühlt wird, kann sich jedoch ändern. Daraus ergeben sich verschiedene Verfahren mit jeweils unterschiedlichem Ergebnis:
Glühen macht ein Metall weicher und zäher. Du erhitzt es auf eine bestimmte Temperatur und kühlst es danach langsam ab. Das Gefüge entspannt sich dabei. Glühen verwendest du oft nach dem Kaltumformen, damit das Metall wieder besser verarbeitbar ist.
Härten macht ein Metall härter und fester. Du erhitzt es stark und kühlst es dann sehr schnell ab, zum Beispiel in Wasser oder Öl. Durch die schnelle Abkühlung hat das Gefüge keine Zeit, sich zu ordnen. Es entsteht ein hartes, aber auch sprödes Gefüge.
Anlassen folgt meist direkt nach dem Härten. Das gehärtete Metall ist zwar hart, aber auch sehr spröde. Deshalb erhitzt du es nochmals auf eine niedrigere Temperatur. Dadurch wird es etwas weicher, gewinnt aber deutlich an Zähigkeit. Das Ergebnis ist ein ausgewogenes Verhältnis aus Härte und Zähigkeit.
Vergüten ist die Kombination aus Härten und Anlassen. Du führst beide Schritte hintereinander aus. Das Ergebnis ist ein Werkstoff, der sowohl fest als auch zäh ist. Vergüten verwendest du zum Beispiel für Schrauben oder Wellen.
Normalisieren bringt das Gefüge in einen gleichmäßigen Ausgangszustand. Du erhitzt das Metall und lässt es danach an der Luft abkühlen. Das Verfahren eignet sich gut, um ein ungleichmäßiges Gefüge nach dem Schweißen oder Schmieden auszugleichen.
Lösungsglühen
Lösungsglühen ist ein spezielles Glühverfahren. Es kommt vor allem bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz. Aber auch andere Legierungen, zum Beispiel bestimmte Stahlsorten, werden lösungsgeglüht.
Beim Lösungsglühen erhitzt du die Legierung so stark, dass sich diese Ausscheidungen wieder im Gitter auflösen. Bei Aluminiumlegierungen liegt die typische Temperatur zwischen 450 °C und 560 °C. Du hältst diese Temperatur für eine bestimmte Zeit. Die Haltezeit beträgt je nach Bauteildicke meist zwischen 30 Minuten und mehreren Stunden. So haben alle Fremdatome genug Zeit, sich gleichmäßig im Gitter zu verteilen.
Danach kühlst du die Legierung sehr schnell ab, meist in Wasser. Diese schnelle Abkühlung nennst du Abschrecken. Dabei frierst du den gelösten Zustand ein. Die Fremdatome haben keine Zeit, sich wieder auszuscheiden. Sie bleiben gleichmäßig im Gitter verteilt.
Das Ergebnis ist eine Legierung mit gleichmäßigem Gefüge. Sie hat eine höhere Festigkeit und eine bessere Korrosionsbeständigkeit als zuvor. Oft folgt nach dem Lösungsglühen noch ein weiterer Schritt, das sogenannte Auslagern. Dabei lagerst du das Bauteil bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur. Die Fremdatome ordnen sich dabei fein verteilt im Gitter an und erhöhen die Festigkeit nochmals gezielt.
Eine Legierung besteht aus mehreren Elementen. Diese Elemente lösen sich beim Schmelzen gleichmäßig ineinander. Beim Abkühlen können sich jedoch Fremdatome aus dem Gitter ausscheiden. Sie lagern sich an den Korngrenzen ab. Das sind die Grenzen zwischen einzelnen Kristallbereichen im Gefüge.
Diese Ausscheidungen schwächen das Material. Die Korrosionsbeständigkeit und die Zähigkeit sinken.
Werkstoffbehandlung verstehen
Wer das Kristallgitter versteht, versteht auch, warum Erhitzen und Abschrecken die Eigenschaften eines Metalls verändern. Das Lösungsglühen von Aluminiumlegierungen zum Beispiel lässt sich ohne das Wissen über Ausscheidungen und Korngrenzen kaum nachvollziehen.
Begriffe wie Rekristallisation, Kaltverfestigung und Vergüten sind dabei konkrete Fachbegriffe. Diese und weitere Themen aus deiner technischen Ausbildung findest du in unserem Bereich Industrie und Mechanik.
