Stahlerweichung – Prozess, Methoden und Anwendung

Stahlerweichung – Methoden, Temperatur, Mikrostruktur und Anwendung

Erweichung von Stahl Es umfasst Wärmebehandlungsverfahren, die die Härte eines Werkstoffs verringern, seine Plastizität erhöhen oder ein für die Weiterverarbeitung günstigeres Mikrogefüge erzielen. Das Weichglühen wird hauptsächlich vor der maschinellen Bearbeitung, der plastischen Umformung und nachfolgenden Wärmebehandlungsverfahren wie dem Härten eingesetzt.
Dieses Verfahren ist besonders wichtig für hochkohlenstoffhaltige Stähle, legierte Stähle und Werkzeugstähle, deren hohe Härte oder ungünstiger Karbidgehalt das Drehen, Fräsen, Bohren oder andere Bearbeitungsvorgänge erschweren können. Auch bei kaltverfestigten Werkstoffen kann das Weichglühen eingesetzt werden, um die Auswirkungen der Kaltverfestigung zu beseitigen und die Verformbarkeit des Materials wiederherzustellen.
Es gibt keine universelle Methode zum Weichglühen von Stahl. Je nach Werkstoffart, Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen, Ausgangsstruktur und gewünschtem Effekt werden verschiedene Verfahren angewendet, darunter Vollglühen, isothermes Glühen, Kugelglühen und Rekristallisationsglühen.

Was versteht man unter Stahlerweichung?

Die Weichmachung nutzt den Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften von Stahl und seinem Mikrogefüge. Durch gezielte Erwärmungs-, Glüh- und Abkühlprozesse lassen sich Größe und Form von Bauteilen, die Verteilung von Karbiden, der Härtezustand des Materials und die Höhe der Eigenspannungen beeinflussen.
Je nach angewandtem Verfahren können folgende Vorgänge eintreten: Umwandlung von Austenit in Ferrit und Perlit, Sphäroidisierung von Zementit oder anderen Carbiden, Rekristallisation des verfestigten Materials und eine Verringerung der Versetzungsdichte.
Der Effekt besteht typischerweise in einer Verringerung der Härte und der Widerstandsfähigkeit des Materials gegenüber weiterer Verarbeitung sowie in einer Erhöhung der Duktilität. Der genaue Mechanismus hängt jedoch von der angewandten Methode ab, weshalb der Begriff „Erweichung“ nicht mit einem einzelnen spezifischen thermischen Zyklus gleichgesetzt werden sollte.

Warum wird Stahl weicher?

Das nach dem Walzen, Schmieden, Ziehen, Härten oder anderen technologischen Prozessen gelieferte Material weist nicht immer die für den nächsten Produktionsschritt erforderlichen Eigenschaften auf. Zu hohe Härte erhöht den Werkzeugverschleiß und die Schnittkräfte, während übermäßige Kaltverfestigung die Weiterverarbeitung durch Stanzen, Biegen oder Ziehen erschweren kann.
Die Hauptziele der Stahlweichmachung sind:

  • Verringerung der Härte des Materials,
  • verbesserte Bearbeitbarkeit bei geeigneten Stahlsorten,
  • zunehmende Plastizität und die Fähigkeit, weiter geformt zu werden,
  • Beseitigung oder Begrenzung der Auswirkungen der Verformungshärtung,
  • Gewinnung einer günstigen Form von Zementit oder Carbiden,
  • Vorbereitung von Stahl zum Härten und zur weiteren Wärmebehandlung,
  • Homogenisierung der Mikrostruktur vor den nachfolgenden Produktionsschritten.

Verfahren zum Weichmachen von Stahl

Die Wahl des Weichmachungsverfahrens hängt primär von der Stahlsorte und dem gewünschten technologischen Effekt ab. Hochkohlenstoffstahl, der gehärtet werden soll, erfordert ein anderes Verfahren als niedrigkohlenstoffhaltiges Blech, das durch Kaltwalzen hochgehärtet wird.

1. Vollständiges Glühen

Vollständiges Glühen Dabei wird der Stahl auf einen Bereich erhitzt, der eine angemessene Austenitisierung gewährleistet. Anschließend wird das Material sehr langsam abgekühlt, üblicherweise zusammen mit dem Ofen.
Bei untereutektoiden Stählen wird die Prozesstemperatur oberhalb der kritischen Temperatur Ac3 gewählt. Die genaue Temperatur, Haltezeit und Abkühlgeschwindigkeit hängen von der Stahlsorte und den Abmessungen des Bauteils ab.
Durch langsames Abkühlen lässt sich eine relativ weiche Ferrit-Perlit-Struktur erzielen. Im Vergleich zu Normalisierung von Stahl Die Abkühlung verläuft wesentlich langsamer, daher unterscheiden sich die resultierende Struktur und die mechanischen Eigenschaften.
Typische Verwendung: Baustähle und andere Stahlsorten, bei denen eine Reduzierung der Härte, eine Verbesserung der Plastizität oder eine Vorbereitung für die Weiterverarbeitung erforderlich ist.

2. Isothermes Glühen

Isothermes Glühen Dabei wird eine kontrollierte Umwandlung von Austenit bei konstanter Temperatur genutzt. Nach der Austenitisierung wird der Stahl auf die entsprechende Umwandlungstemperatur abgekühlt und anschließend so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis das gewünschte Mikrogefüge erreicht ist.
Anders als beim klassischen Glühen mit sehr langsamer, kontinuierlicher Abkühlung erfolgt die Umwandlung unter kontrollierten isothermen Bedingungen. Dies ermöglicht ein gleichmäßigeres Gefüge und, bei bestimmten Stählen, eine kürzere Prozesszeit.
Das Verfahren wird unter anderem bei einigen Legierungs- und Werkzeugstählen angewendet, bei denen eine langsame Abkühlung während des herkömmlichen Glühens zeitaufwändig wäre.
Wirkung: Erzielung einer kontrollierten Mikrostruktur und von Eigenschaften, die eine weitere mechanische oder thermische Bearbeitung ermöglichen.

3. Kugelglühen – Sphäroidisierung

Kugelglühen, auch Sphäroidisieren genanntDiese Methode ist besonders wichtig für hochkohlenstoffhaltige Stähle, Wälzlager- und Werkzeugstähle. Ihr Zweck besteht darin, die Morphologie von Zementit und anderen Carbiden so zu verändern, dass eher abgerundete, sphäroidische Partikel in einer ferritischen Matrix anstelle einer lamellaren oder netzartigen Anordnung entstehen.
Die Sphäroidisierung kann mittels verschiedener thermischer Zyklen erfolgen, darunter längeres Erhitzen nahe der Ac1-Temperatur oder zyklisches Durchlaufen eines bestimmten Temperaturbereichs. Die Parameter hängen von der chemischen Zusammensetzung und der Ausgangsstruktur der jeweiligen Spezies ab.
Durch die Veränderung von Form und Verteilung der Karbide lässt sich die Härte von hochkohlenstoffhaltigem Stahl deutlich reduzieren und seine Bearbeitbarkeit verbessern. Eine geeignete Gefügevorbereitung schafft zudem günstige Ausgangsbedingungen für die nachfolgende Härtung.
Typische Verwendung: Werkzeugstähle, Wälzlagerstähle und andere hochkohlenstoffhaltige Stähle, die für die weitere mechanische Bearbeitung und Härtung bestimmt sind.

4. Rekristallisationsglühen

Rekristallisationsglühen Es wird vor allem für Werkstoffe verwendet, die bei der Kaltumformung, z. B. Walzen, Ziehen oder Stanzen, gehärtet werden.
Bei der Kaltverformung erhöht sich die Versetzungsdichte, das Material härtet aus und seine Härte und Festigkeit steigen, während die Duktilität abnimmt. Sobald ein hoher Kaltverformungsgrad erreicht ist, kann eine weitere Umformung schwierig werden.
Durch Rekristallisationsglühen entstehen neue Körner, die frei von den Auswirkungen vorheriger Kaltverfestigung sind. Dies führt zu einer Verringerung der Härte und Festigkeit aufgrund von Kaltverfestigung und zur Wiederherstellung der Duktilität.
Typische Verwendung: Bleche, Streifen, Drähte und andere Halbzeuge, die einer intensiven Kaltverformung unterzogen wurden.

Vergleich von Stahlweichmachungsverfahren

Methode Grundmechanismus Hauptwirkung Typische Anwendung Vollständiges Glühen Austenitisierung und langsame Umwandlung während der Abkühlung Härtereduzierung und weicheres Gefüge Baustähle und Halbzeuge vor der Weiterverarbeitung Isothermes Glühen Austenitumwandlung bei kontrollierter, konstanter Temperatur Gleichmäßiges Mikrogefüge und kontrollierte Eigenschaften Ausgewählte Legierungs- und Werkzeugstähle Kugelglühen/Sphäroidisierendes Glühen Änderung der Zementit- und Karbidmorphologie Härtereduzierung und verbesserte Bearbeitbarkeit Hochkohlenstoff-, Lager- und Werkzeugstähle Rekristallisationsglühen Bildung neuer Körner nach vorheriger Kaltverfestigung Beseitigung der Verfestigungseffekte und Wiederherstellung der Duktilität Kaltverformte Bleche, Bänder und Drähte

Vergleich von Stahlweichmachungsverfahren

VerfahrenGrundmechanismusGłówny efektTypische Verwendung
Vollständiges GlühenAustenitisierung und langsame Umwandlung während der AbkühlungVerringerung der Härte und Erzielung einer weicheren StrukturBaustähle und Halbzeuge vor der Weiterverarbeitung
Isothermes GlühenAustenitumwandlung bei kontrollierter, konstanter TemperaturHomogene Mikrostruktur und kontrollierte EigenschaftenAusgewählte Legierungs- und Werkzeugstähle
Kugelglühen/SphäroidisierenVeränderung der Morphologie von Zementit und KarbidenVerringerung der Härte und Verbesserung der BearbeitbarkeitHochkohlenstoff-, Lager- und Werkzeugstähle
RekristallisationsglühenDie Bildung neuer Körner nach vorheriger ZerkleinerungBeseitigung der Verhärtungseffekte und Wiederherstellung der PlastizitätKaltverformte Bleche, Streifen und Drähte

Wie verändert sich die Mikrostruktur während des Erweichungsprozesses?

Die mikrostrukturellen Veränderungen hängen von der Art des Glühens ab. Daher ist es unmöglich, eine einheitliche Struktur zu identifizieren, die für alle Erweichungsprozesse charakteristisch ist.
Je nach verwendeter Technologie kann Folgendes eintreten:

  • Bildung einer ferritisch-perlitischen Struktur bei langsamer Abkühlung nach der Austenitisierung,
  • kontrollierte Austenitumwandlung während des isothermen Glühens,
  • Sphäroidisierung von Zementit und anderen Carbiden in hochkohlenstoffhaltigen und legierten Stählen,
  • Erholung und Rekristallisation der Struktur nach vorheriger Kaltumformung,
  • Verringerung der Versetzungsdichte und der Auswirkungen der Verfestigung.

Kugelglühen – warum ist es wichtig für Werkzeugstähle?

Bei Werkzeugstählen und anderen hochkohlenstoffhaltigen Stählen ist die Härte allein nicht der einzige Parameter, der die Zerspanbarkeit bestimmt. Form, Größe und Verteilung der Karbide sind ebenfalls entscheidend.
Eine Struktur mit geeignet verteilten, nahezu kugelförmigen Karbiden erleichtert die Bearbeitung und bietet eine geeignete Ausgangsbedingung für die nachfolgende Austenitisierung und Härtung. Daher werden Werkzeugstähle häufig im weichgeglühten Zustand geliefert.
Die tatsächliche Härte nach dem Glühen sollte für die jeweilige Stahlsorte ermittelt werden. Ein einheitlicher HB- oder HV-Bereich sollte nicht für alle Werkzeugstähle verwendet werden.

Stahlerweichung und Bearbeitbarkeit

Einer der wichtigsten Gründe für das Weichwalzen ist die Vorbereitung des Materials für Drehen, Fräsen, Bohren, Räumen oder andere Bearbeitungsvorgänge. Durch die Reduzierung übermäßiger Härte lassen sich Schneidkantenspannungen und Werkzeugverschleiß verringern.
Allerdings besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Härte und Bearbeitbarkeit. Werkstoffe mit der geringsten Härte sind nicht immer am einfachsten zu bearbeiten. Sehr weiche und duktile Stähle können Probleme mit Spanbildung, Aufbauschneiden und Oberflächengüte aufweisen.
Daher wird das geeignete Verfahren nicht nur so gewählt, dass eine möglichst geringe Härte erreicht wird, sondern vor allem, um ein für das jeweilige Material und die nachfolgende Fertigungstechnologie geeignetes Mikrogefüge zu erzielen.

Erweichung und Kohlenstoffgehalt im Stahl

Der Kohlenstoffgehalt hat einen wesentlichen Einfluss auf die Wahl des Weichmachungsverfahrens. Bei niedriggekohlten Stählen ist die Beseitigung der Auswirkungen der Kaltverfestigung besonders wichtig. Bei mittelgekohlten Stählen hängt die Wahl des Verfahrens unter anderem von der nachfolgenden mechanischen und thermischen Behandlung ab.
Bei hochkohlenstoffhaltigen Stählen gewinnt die Morphologie von Zementit und anderen Carbiden zunehmend an Bedeutung. Daher werden Verfahren zur Karbid-Sphäroidisierung häufig bei Werkzeug-, Lager- und Federstählen eingesetzt.

Erweichung von Kohlenstoffstählen

Bei Kohlenstoffstählen hängt die Wahl der Wärmebehandlung vom Kohlenstoffgehalt und dem gewünschten Endzustand ab. So kann beispielsweise C45-Stahl eine andere Behandlung erfordern als hochkohlenstoffhaltige Feder- oder Werkzeugstähle.
Bei Stählen mit höherem Kohlenstoffgehalt kann vor der Bearbeitung und dem anschließenden Härten eine Kugelglühung durchgeführt werden. Die Erzielung der richtigen Zementitform erleichtert die Weiterverarbeitung und bereitet das Gefüge für den nächsten Wärmebehandlungszyklus vor.

Erweichung von legierten Stählen

Legierungselemente können die Umwandlungstemperaturen, die Härtbarkeit, die Art der gebildeten Carbide und die Geschwindigkeit von Diffusionsprozessen erheblich beeinflussen. Daher sollten Parameter, die für unlegierten Kohlenstoffstahl gelten, nicht automatisch auf Chrom-, Chrom-Molybdän-, Nickel- oder hochlegierte Stähle übertragen werden.
Bei legierten Stählen ist die Kontrolle von Temperatur, Zeit und Abkühlgeschwindigkeit der Wärmebehandlung besonders wichtig. Für Werkzeugstähle werden die Parameter für das Weichglühen üblicherweise individuell für jede Stahlsorte festgelegt.

Erweichung von Edelstählen

Bei Edelstählen ist der Begriff „Erweichung“ mit besonderer Vorsicht zu interpretieren. Austenitische, ferritische, martensitische und Duplexstähle weisen unterschiedliche Mikrostrukturen auf und erfordern daher unterschiedliche Wärmebehandlungen.
Austenitische Edelstähle können sich beispielsweise bei der Kaltverformung deutlich verhärten. Um ihre Duktilität wiederherzustellen, ist eine sorgfältig ausgewählte Wärmebehandlung erforderlich, die auf die jeweilige Stahlsorte abgestimmt ist. Daher sollte kein einheitlicher, universeller Temperaturbereich zum „Erweichen von Edelstahl“ verwendet werden.

Der Einfluss von Zeit und Temperatur auf die Erweichung von Stahl

Temperatur und Zeit stehen in engem Zusammenhang. Eine zu niedrige Temperatur führt möglicherweise nicht zu den erforderlichen mikrostrukturellen Veränderungen, während eine zu hohe Temperatur oder eine übermäßig lange Erhitzung unerwünschtes Kornwachstum oder andere Strukturveränderungen verursachen kann.
Die Prozessparameter sollten Folgendes umfassen:

  • Güteklasse und chemische Zusammensetzung des Stahls,
  • kritische Materialtemperaturen
  • Ausgabestruktur,
  • Grad der vorherigen Stärkung,
  • Abmessungen und Geometrie des Elements,
  • Ofentyp und Heizmethode,
  • erwartete endgültige Mikrostruktur
  • Art der weiteren mechanischen oder Wärmebehandlung.

Einfluss der Abkühlungsrate

Die Abkühlgeschwindigkeit ist einer der Parameter, die das endgültige Gefüge von Stahl bestimmen. Beim klassischen Vollglühen wird langsam abgekühlt, um die Umwandlungen zu ermöglichen, die zu einem weicheren Gefüge führen.
Beim isothermen Glühen wird das austenitisierte Material auf eine bestimmte Temperatur gebracht, bei der eine kontrollierte Umwandlung stattfindet. Beim Rekristallisationsglühen hingegen hat die Abkühlmethode eine andere Bedeutung, da das Hauptziel des Prozesses darin besteht, die Auswirkungen der vorherigen Kaltverfestigung zu beseitigen und nicht den Austenit umzuwandeln.
Aus diesem Grund sollte kein einheitlicher Abkühlgeschwindigkeitswert für alle Enthärtungsprozesse verwendet werden.

Atmosphäre während des Weichglühens

Beim Glühen sind neben Temperatur und Zeit auch die Ofenatmosphäre von Bedeutung. Hohe Temperaturen können zu Oberflächenoxidation, Kesselsteinbildung und unter bestimmten Bedingungen zu Veränderungen der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenschicht führen.
Je nach technologischen Anforderungen kommen Öfen zum Einsatz, die unter Luftatmosphäre, Schutzgasatmosphäre oder Vakuum betrieben werden. Schutzgasatmosphäre oder Vakuum sind insbesondere für Präzisionsbauteile und legierte Stähle wichtig, da hier Oxidationsreduktion und eine hohe Oberflächenqualität gefordert sind.

Anwendung der Stahlweichmachung in der Industrie

Werkzeugherstellung

Werkzeugstähle werden häufig vor der Endhärtung mechanisch nachbehandelt. Durch Weichglühen, insbesondere Kugelglühen, wird ein Gefüge erzeugt, das das Fräsen, Drehen, Bohren und andere Bearbeitungsvorgänge vor der abschließenden Wärmebehandlung erleichtert.

Lagerproduktion

Bei hochkohlenstoffhaltigen Wälzlagerstählen ist es wichtig, vor dem Härten die gewünschte Karbidform und -verteilung zu erzielen. Das Kugelglühen ist daher ein entscheidender Schritt bei der Materialvorbereitung.

Herstellung von Blechen, Bändern und Drähten

Werkstoffe, die dem Kaltwalzen oder -ziehen unterzogen werden, härten allmählich aus. Durch Rekristallisationsglühen wird die erforderliche Duktilität wiederhergestellt und der Umformprozess kann fortgesetzt werden.

Maschinenindustrie

Das Weichglühen kann bei der Vorbereitung von Halbzeugen für Wellen, Achsen, Zahnräder, Getriebekomponenten, Formen und andere Teile eingesetzt werden, die vor der abschließenden Wärmebehandlung eine intensive Bearbeitung erfordern.

Weichglühen und Spannungsarmglühen

Erweichung sollte nicht gleichgesetzt werden mit SpannungsarmglühenDas Hauptziel der Spannungsarmglühung ist die Reduzierung von Eigenspannungen bei gleichzeitiger Minimierung der Veränderung der grundlegenden Mikrostruktur des Materials.
Beim Erweichungsprozess geht es in erster Linie darum, die Härte, die Plastizität oder die Mikrostruktur so zu verändern, dass nachfolgende technologische Bearbeitungsschritte erleichtert werden.

Erweichung und Normalisierung

Normalisierender Stahl Dabei wird eine Austenitisierung durchgeführt und anschließend an der Luft abgekühlt. Bei vielen Kohlenstoffstählen führt dies zu einem feineren Gefüge sowie zu höherer Härte und Festigkeit als langsames Glühen.
Wenn das Hauptziel darin besteht, hochkohlenstoffhaltigen Werkzeugstahl möglichst gut zerspanbar zu machen, ist Kugelglühen möglicherweise das geeignetere Verfahren. Sind hingegen nach dem Schmieden oder Walzen Kornfeinung und Gefügehomogenität erforderlich, kann Normalglühen das geeignetere Verfahren sein.

Erweichen und Härten

Weichmachen und Stahlhärtung Sie verfolgen grundlegend unterschiedliche Ziele. Durch Härten entsteht ein hochhartes Gefüge, während durch Erweichen die Härte reduziert oder ein für die Weiterverarbeitung günstiges Gefüge erzielt wird.
Diese Prozesse erfolgen jedoch häufig in einer einzigen technologischen Abfolge. Werkzeugstahl wird beispielsweise zunächst weichgeglüht, dann mechanisch bearbeitet und erst anschließend gehärtet. vergeben.

Die wichtigsten Vorteile des Weichmachens von Stahl

  • Verringerung übermäßiger Härte,
  • Verbesserung der Bearbeitbarkeit in geeigneten Güteklassen,
  • Erhöhung der Plastizität des Materials,
  • Wiederherstellung der Plastizität nach Kaltverformung
  • Erzielung der gewünschten Carbidmorphologie,
  • Vorbereitung von Werkzeug- und hochkohlenstoffhaltigen Stählen zum Härten,
  • die Möglichkeit, nachfolgende Formgebungs- und mechanische Bearbeitungsschritte durchzuführen.

Prozessbeschränkungen

  • Für eine bestimmte Stahlsorte müssen Parameter ausgewählt werden.
  • Zu hohe Temperaturen können zu ungünstigem Getreidewachstum führen.
  • Eine fehlerhafte Kühlung kann zu einer fehlerhaften Mikrostruktur führen.
  • Sphäroidisierungsprozesse können lange Erhitzungszeiten erfordern.
  • Nicht jedes Weichmachungsverfahren eignet sich für jede Stahlsorte.
  • Bei hochlegierten Stählen müssen die Art und Stabilität der vorhandenen Carbide sowie die für die jeweilige Stahlsorte spezifischen Umwandlungen berücksichtigt werden.

Die Stahlerweichung ist kein einheitlicher Prozess mit universellen Parametern, sondern eine Gruppe von Wärmebehandlungen, die anhand der chemischen Zusammensetzung, des Ausgangsgefüges und des Verwendungszwecks des Werkstoffs ausgewählt werden. Vollglühen, isothermes Glühen, Kugelglühen und Rekristallisationsglühen nutzen unterschiedliche Mechanismen, haben aber gemeinsam, dass sie einen Werkstoffzustand erreichen, der für nachfolgende technologische Prozesse günstiger ist.

Bei hochkohlenstoffhaltigen Stählen und Werkzeugstählen ist das Kugelglühen besonders wichtig, da es eine Veränderung der Karbidmorphologie ermöglicht und den Werkstoff für die Bearbeitung und die anschließende Härtung vorbereitet. Bei durch Kaltverformung gehärteten Werkstoffen ist die Rekristallisation entscheidend, da sie die Auswirkungen der Kaltverfestigung beseitigt und die Duktilität wiederherstellt.
Temperatur, Haltezeit und Abkühlmethode müssen stets für die jeweilige Stahlsorte festgelegt werden. Dadurch lässt sich das gewünschte Mikrogefüge ohne unkontrolliertes Kornwachstum, unerwünschte Umwandlungen oder Verschlechterung der Materialeigenschaften erzielen.

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

Verfahren zur thermochemischen Behandlung von Stahl

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