Wärmebehandlung

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Gussstücke nach der Wärmebehandlung

Wärmebehandlung ist ein Verfahren zur Behandlung von Werkstücken, bei dem kontrolliert erwärmt und wieder abgekühlt wird, um die Werkstoffeigenschaften zu verändern. Wärmebehandlungen werden vor allem für Metalle angewandt, in einem geringeren Temperaturbereich aber auch für Kunststoffe. Keramiken werden üblicherweise gesintert oder beim Aufbringen von Glasuren "gebrannt".

Eine Warmumformung oder mit Erwärmung verbundene Verfahren der Oberflächenschutzes fallen nicht unter den Begriff der Wärmebehandlung.

Verfahren

Kammerofen für die Wärmebehandlung

Unter Wärmebehandlung sind Verfahren zur Behandlung von Werkstoffen durch thermische, chemisch-thermische oder mechanisch-thermische Einwirkung zu verstehen, mit dem Ziel, optimierte Eigenschaften für einen bestimmten Zweck zu erreichen. Das Verfahren zählt daher zur Hauptgruppe Stoffeigenschaften ändern. Das Phasendiagramm zeigt dabei an, welche Zusammensetzung im thermodynamischen Gleichgewicht zu erwarten ist.[1] Dabei können umgebende Stoffe Änderungen der chemischen Zusammensetzung, z. B. des Kohlenstoff- oder Stickstoffgehalts oder des Kristallgitters herbeiführen, wie es etwa beim Tempern oft der Fall ist.

Der zu behandelnde Werkstoff durchläuft verschiedene Temperaturen in unterschiedlichen Zeiten (Temperatur-Zeit-Verlauf) und wird anschließend in Abhängigkeit von Werkstoff und Verfahren in verschiedenen Medien (Wasser, Öl, Salz, Schutzgas, Luft) unterschiedlich schnell abgekühlt. Die Reichweite erstreckt sich hierbei von der Ofenabkühlung bis hin zum schroffen Abschrecken, um bestimmte technologische Eigenschaften (Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Gefüge etc.) einzustellen.[2]

In der Wärmebehandlung unterscheidet man grundsätzlich zwischen Verfahren, die eine durchgreifende Gefüge­umwandlung bewirken, und Verfahren, die lediglich eine Umwandlung an der Oberfläche eines Werkstücks verursachen. Zu den erstgenannten Verfahren gehören beispielsweise das Glühen und das Härten. Die zweitgenannten Verfahren zählen zu den Diffusions- und Beschichtungsverfahren bzw. meist zu den thermochemischen Verfahren.

Eine weitere Möglichkeit der Einteilung kann in fertigungsorientierte oder beanspruchungsorientierte Verfahren erfolgen.

Fertigungsorientierte Verfahren

Anlassfarben auf Stahl
  • Tempern – Üblich bei Glas und Kunststoff
  • Anlassen – Baut innere Spannungen im Metall ab
  • Ausheizen – Entfernt Verunreinigungen und unerwünschte adsorbierte Stoffe von Oberflächen

Beanspruchungsorientierte Verfahren

Thermomechanische Wärmebehandlung

Thermochemische Wärmebehandlung

  • Aufkohlen – Erhöhung des Kohlenstoffgehaltes bei Stählen
  • Aluminieren – Einbringen von Aluminium
  • Borieren – Einbringen von Bor
  • Carbonitrieren
  • Nitrieren
  • Nitrocarburieren
  • Oxidieren
  • Silicieren
  • Vanadieren

Thermomagnetische Wärmebehandlung

  • Magnetfeldglühen

Praxis und Wirtschaftlichkeit

Computergesteuerter Ofen zum Nitrieren und Aufkohlen von Stahl

Es können eine Vielzahl an Werkstoffen speziell zur Erhöhung der Festigkeit wärmebehandelt werden, beispielsweise bestimmte Legierungen des Aluminiums, Titans (Ausscheidungshärten) und des Kupfers. Hierbei liegt in allen Fällen ein Lösungsglühen mit Abschreckung und anschließender Ausscheidungshärtung vor. Alle metallischen Werkstoffe können weichgeglüht werden. Mitunter ist dies als Zwischenschritt bei der Kaltumformung notwendig.

Um qualitativ hochwertige Produkte zu erhalten, sind effiziente Öfen und Prozessschritte notwendig, auch um möglichst energie- und damit kostensparend zu arbeiten. Dies beinhaltet den sinnvollen Einsatz von Steuer- und Regelungselementen, Heiztechnologie und eine abgestimmte Kombination verschiedener Feuerfestprodukte wie Feuerleichtsteine und Hochtemperaturwolle/Keramikfaser-Produkte.

Für die Wirtschaftlichkeit eines Werkzeugs oder Bauteils ist die sorgfältige Wärmebehandlung von Bedeutung. So kann ein hochlegierter Werkzeugstahl, wenn er falsch wärmebehandelt wurde, schlechtere Eigenschaften haben als ein niedrig legierter Stahl, welcher richtig wärmebehandelt wurde. Ein korrekt wärmebehandelter und hochlegierter Werkzeugstahl wird dagegen nochmals bessere mechanische Eigenschaften aufweisen.

Literatur

  • Erhard Hornbogen: Werkstoffe. 8. Auflage. Springer-Verlag, Berlin, ISBN 978-3-662-10896-3.
  • Hans-Werner Zoch, Günter Spur: Handbuch Wärmebehandeln und Beschichten, Hanser, 2015.

Weblinks

Commons: Wärmebehandlung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweisliste

  1. Günter Gottstein: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Physikalische Grundlagen. 4., neu bearb. Aufl. 2014. Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-36603-1.
  2. Wolfgang Weißbach: Werkstoffkunde : Strukturen, Eigenschaften, Prüfung. 16., überarbeitete Auflage. Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0295-8.

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Castings fresh from the heat treatment furnace.jpg
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Gussteile nach 12-stündigem Erhitzen auf 1200 ° C im Wärmebehandlungsofen von Goodwin Steel Castings
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Pictures inside of a heat treating furnace. Temperature inside is 1,800 degrees F, or 982C. Picture taken at night to increase prominence of heated parts.
Computerised Heat Treatment Furnance.jpg
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A computer controlled furnace for nitriding and carburizing steel
Tempering colors in steel.jpg
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Tempering colors produced on the surface of steel indicate the temperature to which the steel was heated.