Wärmebehandlungen

Bei Gussstücken können durch zum Beispiel ungleichmäßige Abkühlung und Volumenkonzentrationen während der Aushärtung innere Spannungen entstehen. Wie die Bezeichnung schon vermuten lässt, ist das Ziel dieser Wärmebehandlung die Verringerung innerer Spannungen im Material. Hierbei verändern sich Struktur, Festigkeit und/oder Härte des Materials kaum.

Material, das zerspant werden muss, kann innere Spannungen aufweisen, die von dem vorhergehenden Produktionsverfahren her rühren. Diese Spannungen machen es schwierig, vorherzusagen, wie der Stahl sich verhält. Die inneren Spannungen können während der Bearbeitung zu unerwünschten Maßabweichungen und zu Verformungen (Formveränderung) führen. Spannungsarmglühen wird auch spannungsfreies Glühen genannt. Es ist jedoch nicht möglich, alle Spannungen aus dem Stahl zu entfernen. Eine gewisse Restspannung bleibt immer zurück. Daher ist spannungsarmglühen die treffendere Bezeichnung für diese Wärmebehandlung.

Beim spannungsarmen Glühen wird die Temperatur des Produkts so weit erhöht, dass die Struktur des Stahls sich noch gerade nicht verändert. Das Spannungsarmglühen von Stahl wird in der Regel in einem Temperaturbereich von ca. 580 bis 620 Grad Celsius durchgeführt. Die Glühtemperatur ist stark abhängig von der Hitzebeständigkeit des Materials. Wenn das Material längere Zeit (meistens einige Stunden) auf dieser Temperatur gehalten wird, nehmen die inneren Spannungen ab. Bei diesem Glühverfahren müssen Erhitzen und Abkühlen langsam erfolgen, damit keine neuen Spannungen infolge von Temperaturunterschieden im Werkstück entstehen. Das Abkühlen muss doppelt so langsam erfolgen wie das Erhitzen.

Durch das Härten erhält das Material die martensitische Struktur. Diese ist hart und spröde. Es besteht das Risiko von Rissbildung. Um dieses Risiko zu reduzieren, werden gehärtete Werkstücke unmittelbar nach der Härtung noch einer zusätzlichen Wärmebehandlung unterzogen, bevor sie ganz abgekühlt sind. Diese Wärmebehandlung wird auch Anlassen (Tempern) genannt. Auf diese Weise wird das Material weniger spröde und die Spannungen nehmen durch das Abschrecken ab. Die Verringerung der Spannungen ist sehr wichtig. Ein Produkt kann nach dem Härten zwar gut aussehen, bei Inbetriebnahme aber infolge von Spannungen, die noch im Material vorhanden sind, sofort versagen.

Die Höhe der Anlasstemperatur wird durch die Zusammensetzung des Stahls und die nach dem Anlassen gewünschten Eigenschaften bestimmt. Bei den meisten Stählen liegt die Anlasstemperatur zwischen 150 und 350 Grad. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Anlasstemperatur, desto höher die Zähigkeit und desto geringer die Härte. Es ist folglich wichtig, die Anlasstemperatur im Hinblick auf das gewünschte Ergebnis zu wählen. Anlassen bei Temperaturen von ca. 500 °C oder höher wird Hochanlassen oder Veredeln  genannt.

Wenn Stahl Behandlungen wie zum Beispiel Schmieden, Gießen oder Schweißen unterzogen wird, kann das Material sehr heiß werden. Infolge dessen können ungleichmäßige, grobe Strukturen entstehen, die die mechanischen Eigenschaften verschlechtern. Normalglühen (auch Normalisieren genannt) ist eine Glühmethode, mit der der Stahl überall wieder dieselbe Struktur erhält. Das Ergebnis sind feine Körnchen und bessere mechanische Eigenschaften. Außerdem werden innere Spannungen auf ein Minimum reduziert.

Beim Normalglühen wird ein Produkt erwärmt, bis nur noch Austenit vorhanden ist (300 bis 700 Grad). Als Verbleibzeit werden mindestens 30 Minuten plus zwei Minuten pro Millimeter Wanddicke zugrunde gelegt. Hierauf folgt die Abkühlung in ruhender Luft. Die Abkühlgeschwindigkeit ist etwas höher als beim spannungsarmen Glühen. Solange man sich noch nicht im Austenitbereich befindet, kann es erneut zu Kornwachstum mit groben Körnern kommen. Dadurch wird der kornverfeinernde Effekt des Normalglühens zunichte gemacht.

Da bei diesem Glühverfahren zwei Mal eine Phasenumwandlung stattfindet – nämlich von Ferrit mit Perlit zu Austenit und umgekehrt -, kommt es auch zwei Mal zu einer Kornverfeinerung, und zwar deswegen, weil bei der Umwandlung mehrere Wachstumskeime pro Kristall entstehen. So entsteht eine feinkörnige Perlitstruktur, die charakteristisch für den betreffenden Stahl ist. Nach dem Normalglühen hat das Material überall dieselbe Struktur.

Weichglühen und Veredeln sind Glühverfahren, die den Stahl weicher machen. Durch das Weichglühen soll der Stahl eine Struktur erhalten, die ihn leichter zerspanbar und verformbar macht. Außerdem reduziert dies das Risiko auf Risse bei eventuellen Härtungsbehandlungen. Durch das Glühen nehmen Zugfestigkeit und Härte um etwa 10 bis 25 % ab; dagegen nimmt die Zähigkeit leicht zu. Das Ergebnis ist eine Struktur mit globularen Karbiden in einem ferritischen Kristallgitter. Dank der globularen Karbide bricht der Span bei der Zerspanung besser ab. Dadurch wird die Metalloberfläche glatter als bei Zerspanung von nicht geglühtem Stahl. Der Stahl wird bis gerade unterhalb des Austenitbereichs erhitzt und danach sehr langsam abgekühlt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Temperatur um die 720 °C schwanken zu lassen, wobei nur ein kleiner Teil der Struktur in Austenit umgesetzt wird. Diese Ausführung der Glühbehandlung wird hauptsächlich bei Stahlsorten mit hohem Kohlenstoffgehalt angewendet. Die Glühdauer liegt zwischen 5 und 24 Stunden. Danach erfolgt ein langsames Abkühlen im Ofen.