Spannungsarmglühen von Stahl und Metallen – Temperatur, Verfahren und Anwendung

Spannungsarmglühen Spannungsarmglühen ist ein Wärmebehandlungsverfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen in einem Werkstoff nach dem Schweißen, Gießen, Schmieden, Walzen, Bearbeiten, Richten oder anderen technologischen Prozessen. Ein fachgerecht durchgeführtes Spannungsarmglühen verbessert die Dimensionsstabilität des Bauteils und verringert das Risiko von Verformungen bei der Weiterverarbeitung oder im Einsatz.
Das Verfahren beinhaltet das Erhitzen des Materials auf eine Temperatur unterhalb derjenigen, die die für andere Wärmebehandlungsverfahren charakteristischen grundlegenden Strukturveränderungen hervorruft, das Erhitzen über einen geeigneten Zeitraum und anschließendes kontrolliertes Abkühlen. Die genauen Parameter hängen von der Materialart, ihrem Zustand, den Bauteilabmessungen, der bisherigen Fertigungstechnologie sowie der Höhe und Verteilung der Eigenspannungen ab.
Spannungsarmglühen wird sowohl für Kohlenstoff- als auch für legierte Stähle sowie – bei geeigneten Parametern – für Gusseisen, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Titan und andere metallische Werkstoffe eingesetzt. Es ist besonders wichtig für Schweißkonstruktionen, große Schmiede- und Gussteile sowie präzisionsgefertigte Bauteile, bei denen selbst geringfügige Maßänderungen Auswirkungen auf den Betrieb haben können.

Was ist Spannungsarmglühen?

Eigenspannungen können in einem Werkstoff auch ohne äußere Kräfte bestehen bleiben. Sie entstehen vor allem dann, wenn verschiedene Bereiche eines Bauteils unterschiedliche Verformungen erfahren, sich unterschiedlich schnell erwärmen oder abkühlen oder unterschiedliche Strukturveränderungen durchlaufen.
Typische Prozesse, die zu Eigenspannungen führen, sind:

• Gießen und ungleichmäßige Erstarrung des Materials,
• Schweißen und die damit verbundene lokale Erwärmung und Schrumpfung der Schweißnaht,
• Walzen, Schmieden, Stanzen, Biegen und Richten,
• Tiefziehen und andere Kaltumformverfahren,
• Bearbeitung, insbesondere mit hohem Materialabtrag,
• Schleifen und intensive Oberflächenbehandlung,
• Härte- und andere Wärmebehandlungsverfahren,
• ungleichmäßige Erwärmung oder Abkühlung von Elementen mit unterschiedlichen Querschnitten.

Beim Spannungsarmglühen erhöht eine steigende Temperatur das Potenzial für Spannungsrelaxationsprozesse. Das Material verbleibt für eine bestimmte Zeit auf einer vorgegebenen Temperatur, wodurch Spannungen deutlich reduziert werden können, ohne dass sich sein Mikrogefüge vollständig verändert.
Das bedeutet jedoch nicht, dass durch Glühen Spannungen immer vollständig abgebaut werden. Der Grad der Spannungsentlastung hängt von Faktoren wie Temperatur, Haltezeit, Legierungstyp, Materialzustand und vorheriger Bearbeitung ab.

Warum wird Spannungsarmglühen durchgeführt?

Das Hauptziel des Verfahrens ist die Erhöhung der Bauteilstabilität während der weiteren Fertigung und des anschließenden Einsatzes. Restspannungen können nach dem Fräsen, Drehen, Bohren oder Schneiden des Materials zu Formveränderungen des Bauteils führen. Im Extremfall können sie auch die Rissbildung begünstigen.
Spannungsarmglühen wird unter anderem verwendet, um:

• Reduzierung von Eigenspannungen nach dem Schweißen,
• Begrenzung der Verformung bei der weiteren Bearbeitung
• Erhöhung der Dimensionsstabilität von Präzisionsteilen
• Reduzierung der beim Schmieden, Walzen oder Richten entstehenden Spannungen
• Stabilisierung großer Guss- und Schmiedeteile,
• Vorbereitung des Halbfertigprodukts für nachfolgende technologische Bearbeitungsschritte,
• Verringerung des Risikos unkontrollierter Veränderungen der Form des fertigen Bauteils.

Spannungsarmglühen - Prozesstemperatur

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Parameter für die Spannungsarmglühung. Es gibt keine universelle Temperatur, die für alle Werkstoffe geeignet ist. Der Temperaturbereich muss anhand der jeweiligen Werkstoffgüte, des Mikrogefüges, des Lieferzustands und der erforderlichen Nachbehandlungseigenschaften ausgewählt werden.
Die folgenden Werte sind Richtwerte und sollten nicht die für einen bestimmten Materialtyp, eine Norm, eine technische Dokumentation oder die Empfehlungen des Herstellers festgelegten Parameter ersetzen.

In der industriellen Praxis muss die Spannungsarmglühtemperatur in Verbindung mit der Haltezeit betrachtet werden. Eine Temperaturerhöhung beschleunigt in der Regel den Spannungsrelaxationsprozess, jedoch können zu hohe Temperaturen unerwünschte Veränderungen der Mikrostruktur und der Materialeigenschaften hervorrufen.

Einweichzeit während des Glühens

Die Aufheizzeit hängt von der Materialart, der Prozesstemperatur, den Bauteilabmessungen, der Querschnittsdicke und dem Chargengewicht ab. Auch der Zeitpunkt der Aufheizzeitmessung ist entscheidend – das Bauteil muss im erforderlichen Querschnittsbereich die entsprechende Temperatur erreichen.
Kleine und dünnwandige Bauteile benötigen unter Umständen eine relativ kurze Aufheizzeit, während massive Schmiedeteile, Gussteile oder Schweißkonstruktionen eine wesentlich längere Zeit für den Temperaturausgleich und die effektive Spannungsrelaxation benötigen.
Aus diesem Grund sollten einfache Regeln wie „eine Stunde für eine bestimmte Dicke“ lediglich als technologische Richtlinien betrachtet werden. Bei der Herstellung kritischer Bauteile sollten die Parameter aus geeigneten Wärmebehandlungsverfahren abgeleitet werden.

Heizelement

Eine kontrollierte Erwärmung ist besonders wichtig für große Bauteile, komplexe Formen und signifikante Schwankungen der Querschnittsdicke. Eine zu schnelle Erwärmung kann erhebliche Temperaturunterschiede zwischen Oberfläche und Kern verursachen und dadurch zusätzliche thermische Spannungen hervorrufen.
Je größer das Bauteil und je variabler sein Querschnitt, desto wichtiger wird eine gleichmäßige Wärmezufuhr. Bei massiven Schmiedeteilen, Gussteilen und Schweißkonstruktionen sollte der Erwärmungsprozess Bestandteil der entwickelten Prozesstechnologie sein.

Abkühlung nach dem Spannungsarmglühen

Die Kontrolle der Abkühlung ist genauso wichtig wie der Erwärmungs- und Feuchthalteprozess selbst. Wird das spannungsfreie Bauteil zu schnell oder ungleichmäßig abgekühlt, können Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Bereichen erneut Spannungen verursachen.
Je nach Material und Abmessungen des Bauteils kommen verschiedene Kühlmethoden zum Einsatz: Kühlung im Ofen auf eine bestimmte Temperatur, kontrollierte Ofenkühlung oder Nachkühlung an ruhender Luft. Die Kühlmethode muss sowohl den erforderlichen Grad der Spannungsreduzierung als auch mögliche Strukturveränderungen berücksichtigen.

Phasen des Spannungsarmglühens

1. Vorbereitung des Elements – Bestimmung der Materialart, ihres Zustands, ihrer Abmessungen und der Ursache von Spannungen.
2. Kontrollierte Heizung – das Element auf die erforderliche Temperatur zu bringen und gleichzeitig übermäßige Temperaturgradienten zu begrenzen.
3. Temperaturausgleich – Erreichen der erforderlichen Temperatur im benötigten Querschnittsbereich des Elements.
4. Einweichen – das Material über einen bestimmten Zeitraum auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten, um eine angemessene Spannungsreduzierung zu ermöglichen.
5. Kontrollierte Kühlung – die Temperatur so zu senken, dass die Möglichkeit einer erneuten Spannungsbildung eingeschränkt wird.

Der Einfluss des Spannungsarmglühens auf die Materialeigenschaften

Eine fachgerecht durchgeführte Spannungsarmglühung sollte primär die Eigenspannungen reduzieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf die grundlegenden Materialeigenschaften minimieren. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die mechanischen Eigenschaften stets vollständig unverändert bleiben.

Härte

Bei vielen Stählen bewirkt eine sachgemäße Spannungsarmglühung nur eine geringe Härteänderung. Der Effekt des Verfahrens hängt jedoch von der Temperatur und dem Ausgangszustand des Materials ab. Bei kaltverfestigten oder wärmebehandelten Werkstoffen kann eine Temperaturerhöhung zu einem teilweisen Verlust der Härtungswirkung oder zu mikrostrukturellen Veränderungen führen.

Streckgrenze und Zugfestigkeit

Änderungen der Streckgrenze und Zugfestigkeit hängen von den Material- und Prozessparametern ab. Ziel der Spannungsarmglühung ist nicht die Erhöhung der Festigkeit, sondern primär die Reduzierung von Eigenspannungen. Allerdings können übermäßig hohe Temperaturen oder zu lange Erwärmungszeiten die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen, insbesondere bei zuvor gehärteten Werkstoffen.

Dimensionsstabilität

Einer der wichtigsten praktischen Effekte des Spannungsarmglühens ist die erhöhte Dimensionsstabilität. Dies ist entscheidend für die Herstellung von Maschinengestellen, Formen, Werkzeugen, Wellen, Blechen, großen Schmiedeteilen und anderen präzisionsgefertigten Bauteilen.
Enthält ein Halbzeug erhebliche Eigenspannungen, kann das Abtragen von Material beim Fräsen oder Drehen deren Gleichgewicht stören und zu Verformungen oder Verdrehungen des Werkstücks führen. Durch Spannungsarmglühen in einem geeigneten Verfahrensschritt lässt sich dieses Phänomen reduzieren.

Spannungsarmglühen nach dem Schweißen

Schweißkonstruktionen zählen zu den wichtigsten Anwendungsgebieten der Spannungsarmglühung. Beim Schweißen wird ein kleiner Bereich des Materials stark erhitzt, während der Rest der Konstruktion deutlich kühler bleibt. Die anschließende Abkühlung und die Materialschrumpfung führen zur Entstehung von Eigenspannungen.
Bei geeigneten Werkstoffen und Anwendungen kann eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen Schweißspannungen reduzieren und die Struktur stabilisieren. Die Parameter dieses Prozesses sollten jedoch nicht allein anhand des allgemeinen Temperaturbereichs gewählt werden; sie müssen die Werkstoffgüte, die Bauteildicke, die Verbindungsart sowie die Anforderungen relevanter Normen und Prozessdokumentationen berücksichtigen.

Spannungsarmglühen nach der Bearbeitung

Spannungsarmglühen kann auch zwischen den Bearbeitungsschritten eingesetzt werden. Es ist besonders nützlich bei der Herstellung großer oder präziser Teile, die beim Schruppen einen erheblichen Materialabtrag erfordern.
Ein typischer Prozess umfasst Schruppen, Spannungsarmglühen und anschließendes Fertigbearbeiten. Dadurch können eventuelle Verformungen aufgrund von Spannungsverteilungen vor Erreichen der endgültigen Oberfläche und Abmessungen auftreten.

Anwendung von Spannungsarmglühen

Geschweißte Konstruktionen

Das Verfahren kann bei großen Rahmen, Karosserien, Tanks, Maschinenstrukturen und anderen geschweißten Bauteilen eingesetzt werden, bei denen Dimensionsstabilität und reduzierte Spannungen nach dem Schweißen wichtig sind.

Schmiedestücke und Schmiedeteile

Große Schmiedeteile können Spannungen aufweisen, die sowohl durch plastische Verformung als auch durch ungleichmäßige Abkühlung entstehen. Eine geeignete Wärmebehandlung kann ein Schritt zur Vorbereitung des Materials für die weitere Bearbeitung sein.

Gußteile

Beim Erstarren und Abkühlen von Gussteilen können Spannungen entstehen, insbesondere bei Bauteilen mit variierenden Wandstärken. Spannungsarmglühen wird unter anderem eingesetzt, um die Dimensionsstabilität von Gussteilen und anderen großen Bauteilen zu erhöhen.

Formen, Matrizen und Werkzeuge

Bei Formen und Werkzeugen hat die Maßstabilität direkten Einfluss auf die Genauigkeit der gefertigten Teile. Spannungsarmglühen zwischen den Bearbeitungsschritten kann Verformungen reduzieren, die nach intensivem Fräsen oder anderen mechanischen Bearbeitungen auftreten.

Energie- und Maschinenbauindustrie

Das Verfahren wird auch bei der Herstellung und Reparatur von Bauteilen für industrielle Anlagen, Gehäusen, Wellen, Rohrleitungen und anderen Komponenten eingesetzt, sofern die Technologie des jeweiligen Materials eine Spannungsreduzierung durch Wärmebehandlung vorsieht.

Spannungsarmglühen und andere Glüharten

Spannungsarmglühen ist nicht mit Normalglühen, Weichglühen, Umkristallisieren, Homogenisieren oder Kugelglühen zu verwechseln. Die einzelnen Prozesse werden in unterschiedlichen Temperaturbereichen durchgeführt und zielen auf verschiedene technologische Effekte ab.
Im Falle der Stressbewältigung besteht die Hauptaufgabe darin, Reduzierung von Eigenspannungen bei minimaler Veränderung der Struktur und der Eigenschaften des MaterialsBei anderen Glühprozessen kann jedoch die Veränderung der Mikrostruktur das primäre Ziel der Behandlung sein.
Ein detaillierterer Vergleich der einzelnen Prozesse wird auf der Website dargestellt. Vergleich der Wärmebehandlungsmethoden für Stahl.

Vorteile des Spannungsarmglühens

• Reduzierung von Eigenspannungen
• Verbesserung der Dimensionsstabilität von Bauteilen
• Begrenzung der Verformung bei der weiteren Bearbeitung
• Verringerung des Verformungsrisikos nach dem Schweißen, Schmieden oder Gießen,
• die Fähigkeit, große und komplexe Elemente zu stabilisieren,
• Vorbereitung des Halbfertigprodukts für die präzise Endbearbeitung.

Grenzen des Spannungsarmglühens

• Eine falsche Temperatur kann die Mikrostruktur oder die Eigenschaften des Materials verändern.
• Das Verfahren führt nicht immer zu einer vollständigen Beseitigung der Eigenspannungen.
• Große Bauteile erfordern einen langen und kontrollierten Heiz- und Kühlzyklus.
• Parameter, die für eine Stahlsorte geeignet sind, müssen nicht unbedingt auch für eine andere geeignet sein.
• Bei einigen Legierungen muss der Einfluss der Temperatur auf die Korrosionsbeständigkeit, den Härtezustand oder eine vorherige Wärmebehandlung berücksichtigt werden.

Spannungsarmglühen Die Wärmebehandlung ist ein wichtiges Verfahren zur Reduzierung von Eigenspannungen, die beim Schweißen, Gießen, Schmieden, Walzen, Richten, Bearbeiten und anderen Fertigungsprozessen entstehen. Durch die richtige Wahl von Temperatur, Haltezeit sowie Heiz- und Kühlmethoden wird die Dimensionsstabilität des Bauteils erhöht und das Risiko nachfolgender Verformungen verringert.
Die Parameter für die Spannungsarmglühung sollten stets auf Grundlage der spezifischen Werkstoffgüte und des Werkstoffzustands gewählt werden. Hochlegierte Stähle, bereits wärmebehandelte Stähle und Nichteisenmetalle erfordern besondere Vorsicht, da übermäßig hohe Temperaturen zu Eigenschaftsänderungen führen können, die über den eigentlichen Zweck des Verfahrens hinausgehen.

Verfahren zur Wärme- und thermochemischen Behandlung von Stahl

Das Weichglühen ist nur eine von mehreren Prozessgruppen, die zur Modifizierung des Mikrogefüges und der Eigenschaften von Stahl eingesetzt werden. Je nach gewünschtem Effekt kommen auch Normalisieren, Spannungsarmglühen, Härten, Anlassen und thermochemische Verfahren wie Aufkohlen und Nitrieren zum Einsatz.

Methoden zur Wärmebehandlung von Stahl

• Normalisierender Stahl – Kornverfeinerung und Mikrostrukturvereinheitlichung.
• Spannungsarmglühen – Reduzierung der Eigenspannungen.
• Erweichung von Stahl – Verringerung der Härte und Verbesserung der Eignung für die Weiterverarbeitung.
• Vollständiges Glühen – Austenitisierung und langsame Abkühlung.
• Isothermes Glühen – Die Umwandlung erfolgt bei einer geeignet gewählten Temperatur.
• Kugelglühen – Sphäroidisierung – Veränderung der Morphologie von Zementit oder anderen Carbiden.
• Rekristallisationsglühen – Beseitigung der Auswirkungen von Quetschungen und Wiederherstellung der Plastizität.
• Homogenisierendes Glühen – Verringerung der Entmischung und Homogenisierung der Materialzusammensetzung.
• Härten und Wärmebehandlung – die Mikrostruktur und die Eigenschaften durch Härten und Anlassen zu formen.
• Härtestahl – kontrollierte Modifizierung der Stahleigenschaften nach dem Härten.
• Induktionshärten – Oberflächeninduktionserwärmung und schnelle Abkühlung.
• Flammhärten – Oberflächenhärtung nach lokaler Erwärmung mit einer Flamme.
• Übersättigung – Gewinnung einer übersättigten festen Lösung durch einen geeigneten thermischen Zyklus.
• Altern – kontrollierte Phasentrennung, die zu einer Materialverfestigung führt.

Verfahren zur thermochemischen Behandlung von Stahl

• Nitrieren von Stahl – Diffusionsanreicherung der Oberflächenschicht mit Stickstoff.
• Einsatzstahl – Diffusionsanreicherung der Oberfläche mit Kohlenstoff.
• Carbonitriding – gleichzeitige Anreicherung der Oberflächenschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff.
• Nitrocarburierung / Nitrocarburierung – Anreicherung der Schicht vorwiegend mit Stickstoff und Kohlenstoff.
• Bohren – Diffusionssättigung der Oberfläche mit Bor.
• Diffusionsverchromung – Diffusionsanreicherung der Schicht mit Chrom.
• Diffusionsaluminieren – Diffusionsanreicherung der Schicht mit Aluminium.