Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Welche Ziele verfolgen die einzelnen Glühverfahren, wie  Normalglühen, Weichglühen, Grobkornglühen, Rekristallisationsglühen, Diffusionsglühen, Lösungsglühen und Spannungsarmglühen?
  • In welchen Temperaturbereichen werden die Glühverfahren jeweils durchgeführt?
  • Weshalb wird beim Weichglühen gleichzeitig eine Verbesserung der Spanbarkeit erreicht?
  • Wie können die im allgemeinen schlechteren Eigenschaften eines grobkörnigen Gefüges nachträglich wieder beseitigt werden?
  • Welche Bedeutung hat das Rekristallisationsglühen für umwandlungsfreie Stähle?
  • Was versteht man unter Warmumformung bzw. Kaltumformung?
  • Weshalb ist das Diffusionsglühen relativ kostenintensiv?
  • Weshalb muss das Werkstück nach dem Spannungsarmglühen langsam abgekühlt werden?

Normalglühen

Wie bereits im Kapitel Verformbarkeit der Metalle erläutert, führen feine rundliche Körner im Allgemeinen zu besseren Zähigkeits- und Festigkeitswerten im Vergleich zu großen Körnern. Dabei ist ein einheitliches Gefüge wünschenswert, welches über den gesamten Bereich hinweg stets ähnlich kleine Körner aufweist. Nur so kann sichergestellt werden, dass der Werkstoff in jedem Punkt den gestellten Festigkeitsansprüchen im selben Maße gerecht wird.

Ein homogenes Gefüge bereits während der Erstarrung zu erzielen erfordert jedoch hohe Ansprüche, da die Erstarrungsbedingungen nicht über die gesamte Schmelze hinweg identisch sein werden. So kühlt bspw. Stahlguss (in Formen gegossener Stahl) an den Kontaktstellen zur Formwand eventuell schneller ab als im Inneren. Während sich in den Randbereichen aufgrund der stärkeren Unterkühlung somit ein feinkörnigeres Gefüge einstellen wird, bilden sich im Inneren eventuelle größere Körner.

Auch beim Schmieden kann ein heterogenes Korngefüge entstehen, da sich die Korngrenzen durch Diffusionsprozesse verschieben und sich die Körner gegenseitig vereinen können. Es kommt somit zu einer Kornneubildung mit der Folge eines heterogenen Gefüges. Denselben Effekt der Heterogenität können auch geschweißte Werkstücke im Bereich der Fügestelle aufweisen.

Aus diesem Grund ist es notwendig ein uneinheitliches Gefüge mithilfe einer gezielten Wärmebehandlung zu vereinheitlichen (homogenisieren). Der Stahl bekommt hierdurch seine “normalen” Eigenschaften verliehen, die immer wieder reproduzierbar sind. Aus diesem Grund bezeichnet man das gezielte Homogenisieren bzw. Normalisieren eines Stahlgefüges auch als Normalglühen.

Ziel des Normalglühens ist das Einstellen eines einheitlichen homogenen Gefüges mit reproduzierbaren Eigenschaften!

Normalisieren eines heterogenen Gefüges
Abbildung: Normalisieren eines heterogenen Gefüges

Beim Normalglühen wird der Stahl bis knapp über die GSK-Linie erwärmt, sodass sich das Perlit vollständig in Austenit wandelt. Anschließend wird der austenitisierte Stahl langsam an Luft abgekühlt. Da sich während der γ-α-Umwandlung die Körner neu bilden, tritt eine Kornfeinung ein und verleiht dem Gefüge eine homogene Struktur.

Temperaturbereich beim Normalglühen
Abbildung: Temperaturbereich beim Normalglühen

Die Temperatur während dem Normalglühen sollte nicht höher als ca. 30 °C über der GSK-Linie gewählt werden, da ansonsten die Gefahr der Grobkornbildung besteht. Ursache hierfür ist, dass große rundliche Körner energetisch gesehen günstiger sind als viele kleine. Deshalb ist das Gefüge stets bestrebt ein einziges großes Korn zu bilden. Hierfür sind unter anderem Diffusionsprozesse notwendig, die durch höhere Temperaturen begünstigt werden. Deshalb ist man beim Normalglühen bestrebt die Temperatur so gering wie möglich zu halten, um die Grobkornbildung zu vermeiden. Aus diesem Grund werden übereutektoide Stähle auch nicht komplett bis in das Austenitgebiet (oberhalb SE-Linie) erwärmt.

Das Normalglühen findet vorzugsweise bei untereutektoiden Stählen Anwendung, deren Gefüge durch Fertigungsverfahren wie Schmieden, Walzen, Gießen, Schweißen etc. negativ beeinflusst wurden. Beim Walzen kann das Normalglühen bereits während dem Walzprozess durchgeführt werden (normalisierendes Walzen). Ein normalisiertes Gefüge zeichnet sich aufgrund der homogenen, feinen Struktur im Allgemeinen durch sehr gute Zähigkeits- und Festigkeitswerte aus.

Normalglühen wird häufig bei untereutektoiden Stählen nach dem Schmieden, Walzen, Gießen oder Schweißen durchgeführt!

Weichglühen

Nicht jeder Werkstoff muss darauf ausgelegt sein, hohen mechanischen Kräften standzuhalten. Bei einer gebogenen Blechabdeckung mit ausgefrästen Sichtschlitzen kommt es bspw. nicht darauf an hohe Kräfte aufnehmen zu können. Vielmehr liegt der Fokus bei der Werkstoffauswahl dabei auf einer guten Verform- und Spanbarkeit des Stahls. Dies spielt insbesondere bei der automatisierten Fertigung mit hohen Losgrößen eine wichtige Rolle, um die Herstellung wirtschaftlich zu gestalten.

Aus diesem Grund kann es erforderlich werden, das Gefüge eines Stahles so anzupassen, dass es sich besser umformen und/oder spanend bearbeiten lässt. Vor allem im Hinblick auf die Umformbarkeit gilt es also ein entsprechend weiches Gefüge herzustellen. Dies kann mithilfe des sogenannten Weichglühens erzielt werden.

Ziel des Weichglühens ist die Verbesserung der Umformbarkeit sowie der Spanbarkeit!

Temperaturbereich beim Weichglühen
Abbildung: Temperaturbereich beim Weichglühen

Beim Weichglühen werden untereutektoide Stähle bis knapp unterhalb der PS-Linie erwärmt, sodass der Zementit gerade noch nicht zerfällt. Der lamellare Zementit hat nun genügend Zeit sich durch Diffusionsprozesse in die thermodynamisch günstigere, rundlichere Form umzuwandeln. Es bildet sich aus dem Streifenzementit des Perlits kugelförmiger Zementit (Kugelzementit). Nachdem der Zementit in die rundliche Form zerfallen ist, wird der Stahl langsam abgekühlt. Im Gegensatz zu untereutektoiden Stählen, werden übereutektoide Stähle beim Weichglühen dicht oberhalb bzw. pendelnd um die PSK-Linie erwärmt.

Weichglühen
Abbildung: Weichglühen

Ein besonders homogenes Gefüge mit feinverteiltem Kugelzementit kann dadurch erreicht werden, dass der Stahl vor dem Weichglühen gehärtet wird. Der kugelförmige Zementit bildet sich dann aus dem bereits relativ homogenen Martensitgefüge.

Nach dem Weichglühen zeigt der Stahl aufgrund der kugelförmigen Zementitform eine wesentlich bessere Umformbarkeit. Ursache liegt in der erleichterten Versetzungsbewegung. Während sich die streifenförmigen Zementitlamellen teilweise komplett von einem Ende des Korns zum anderen ziehen, liegen die Zementitkugeln nur vereinzelt im Korn vor. Die Versetzungsbewegung wird durch den Kugelzementit somit weniger stark behindert als beim sich komplett durchziehenden Streifenzementit. Die Verformbarkeit nimmt entsprechend zu, während die Härte allerdings abnimmt.

Somit wird ein nachträgliches Walzen, Biegen, Tiefziehen, etc. aufgrund verringerter Umformkräfte erleichtert. Außerdem wird durch den kugelförmigen Zementit eine bessere Spanbarkeit erreicht, da die Zementitkugeln gegenüber der Werkzeugschneide einen geringeren Widerstand entgegenbringen im Vergleich zur lamellaren Zementitform. Dies erhöht dementsprechend die Standzeit des Werkzeuges.

Die Zementitkugeln verbessern die Zerspanbarkeit des Gefüges im Vergleich zum lamellaren Zementit!

Das abgebildete Gefügebild zeigt einen weichgeglühten Stahl C45. Zu sehen sind die zu rundlichen Kügelchen zerfallenen Zementitlamellen.

Schliffbild eines weichgeglühten Stahls (C45)
Abbildung: Schliffbild eines weichgeglühten Stahls (C45)

Untereutektoide Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unterhalb ca. 0,3 % Kohlenstoff werden in der Regel nicht weichgeglüht, da diese ohnehin relativ weich sind. Bei diesen Stählen ist zwar eine gute Umformbarkeit bereits gegeben, die Zerspanbarkeit ist aufgrund der Neigung zum sogenannten Schmieren jedoch ungünstig (an den Werkzeugschneiden bilden sich Aufbauschneiden). Um diesen kohlenstoffarmen Stählen dennoch eine gute Zerspanbarkeit zu verleihen, bietet sich als Wärmebehandlung das nachfolgend erläuterte Grobkornglühen an.

Grobkornglühen

In der Regel ist ein grobkörniges Stahlgefüge aufgrund der relativ niedrigen Zähigkeits- und Festigkeitswerte unerwünscht. Einziger Vorteil eines gröberen Kornes ist die hieraus resultierende bessere Zerspanbarkeit, die der erhöhten Sprödigkeit des Grobkorns geschuldet ist (Beachte, dass sich Sprödigkeit und Zähigkeit immer umgekehrt verhalten). Vor allem für kohlenstoffarme Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,3 % bietet sich das sogenannte Grobkornglühen als Alternative zum Weichglühen an, um die Spanbarkeit entsprechend zu verbessern.

Ziel des Grobkornglühens ist die Verbesserung der Spanbarkeit!

Grobkornglühen eines Automatenstahls
Abbildung: Grobkornglühen eines Automatenstahls

Beim Grobkornglühen wird der Stahl im Bereich zwischen 950 °C und 1100 °C geglüht. Bei diesen hohen Temperaturen können Diffusionsprozesse in ausreichendem Maße stattfinden, sodass sich die Atome an den Korngrenzen neu anlagern können und diese somit zum Wachsen bringen. Triebkraft hierfür ist letztlich die Verringerung der Oberflächenenergie, die mit einem größeren Korn einhergeht anstatt mit vielen kleinen. Da die Diffusionsprozesse Zeit benötigen, muss je nach Dicke des Werkstückes mehrere Stunden lang geglüht werden.

Temperaturbereich beim Grobkornglühen
Abbildung: Temperaturbereich beim Grobkornglühen

Aufgrund der im Allgemeinen ungünstigen mechanischen Festigkeitseigenschaften, bleibt das Grobkornglühen auf kohlenstoffarme Stähle beschränkt und wird nur sehr selten angewandt (z.B. bei Hochtemperaturanwendungen, siehe hierzu auch Kapitel Kriechversuch). Nach der spanenden Bearbeitung des Grobkorngefüges, kann dieses anschließend durch Normalglühen wieder beseitigt werden, um wieder bessere Festigkeitseigenschaften zu erhalten.

Die im Allgemeinen schlechteren Festigkeitswerte eins grobkörnigen Gefüges können durch Normalglühen wieder beseitigt werden!

Rekristallisationsglühen

Das Gefüge von gewalzten, gebogenen oder tiefgezogenen Werkstücken wird durch die hohen Umformkräfte stark verformt. Hierdurch ändern sich auch die Werkstoffeigenschaften. Bei gewalzten Blechen kann dies zu einer starken Anisotropie durch die langgestreckten Kristalle führen, die auch als Walztextur bezeichnet wird. Zudem kommt es im Bereich der Umformstelle zur Kaltverfestigung, was die Festigkeit ansteigen lässt und die Verformbarkeit entsprechend herabsetzt. Soll das Bauteil in diesem Zustand weiter umgeformt werden, so steigt die Gefahr der Rissbildung. Mehrstufige Umformprozesse sind ohne Weiteres somit nicht möglich. Viele Bauteile bzw. Halbzeuge müssen allerdings im Laufe ihrer Produktion mehrfach umgeformt werden, um ihren Endzustand zu erreichen. So kann bspw. ein Stahlblock von mehreren Zentimetern Dicke nicht in einem Zuge bis auf wenige Millimeter gewalzt werden.

Ziel muss es deshalb sein, die verformten Kristalle eines umgeformten Gefüges vor jedem mehrstufigen Umformprozess wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen. Dies kann mithilfe des sogenannten Rekristallisationsglühens erreicht werden.

Ziel des Rekristallisationsglühens ist das Wiederherstellen eines verformten Gefüges zur Verbesserung der Verformabrkeit!

Rekristallisationsglühen eines gewalzten Blechs
Animation: Rekristallisationsglühen eines gewalzten Blechs

Beim Rekristallisationsglühen wird der Stahl unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 550 °C bis 700 °C geglüht. Es findet somit keine Gitterumwandlung statt, wie dies beim Normalglühen oder teilweise auch beim Weichglühen der Fall ist, obwohl auch bei diesen beiden genannten Verfahren ebenfalls ein Rekristallisationseffekt einsetzt. Beim Rekristallisationsglühen können die Korngrenzen durch Diffusionsprozesse wandern und die Körner sich somit neu bilden. Die verformten Körner nehmen ihre ursprüngliche Gestalt wieder an und der Werkstoff erhält seine Verformbarkeit zurück.

Temperaturbereich beim Rekristallisationglühen
Abbildung: Temperaturbereich beim Rekristallisationglühen

Die Größe der rekristallisierten Körner hängt neben der Glühdauer und -temperatur in besonderem Maße davon ab, wie stark die einzelnen Körner verformt waren. Ein hoher Umformgrad mit sehr feinen langgestreckten Kristallen lässt das Gefüge eher feinkörnig rekristallisieren. Ein geringerer Umformgrad führt entsprechend zu einem grobkörnigeren Rekristallisationsgefüge. Gerade für ein gering verformtes Gefüge besteht hierdurch allerdings auch die Gefahr der Grobkornbildung. Diese Gefahr kann sich vor allem für kohlenstoffarme Stähle mit Kohlenstoffkonzentrationen unter 0,2% ergeben, sodass sich unter Umständen das Normalglühen besser für eine Kristallneubildung eignet.

Für umwandlungsfreie Stähle, bei denen durch Legierungszusätze die \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung vollständig unterdrückt wird, bietet das Rekristallisationsglühen die einzige Möglichkeit der Feinkornbildung.

Um bei mehrstufigen Umformprozessen die Verformbarkeit des Werkstoffes stets zu erhalten, muss das Gefüge zwischen jedem Umformschritt rekristallisiert werden. Diese Verfahrensform wird dann auch als Zwischenglühen bezeichnet.

Der Effekt der Rekristallisation kann auch bereits während dem Umformprozess selbst genutzt werden, indem im Bereich der Rekristallisationstemperatur umgeformt wird. Man spricht dann vom sogenannten Warmumformen. Wird der Werkstoff hingegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt (z.B. bei Raumtemperatur) spricht man vom Kaltumformen. Das Warmumformen stellt wesentlich höhere Ansprüche an die beteiligten Maschinen, sodass die Wirtschaftlichkeit stets zu prüfen ist.

Bei der Warmumformung wird das Werkstück oberhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt, bei der Kaltumformung hingegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur!

Diffusionsglühen

Beim Erstarren von Stählen mit hohen Legierungskonzentrationen kann es dazu kommen, dass sich die Legierungselemente nicht homogen im Gefüge bzw. in den einzelnen Kristallen verteilen. Solche Konzentrationsunterschiede innerhalb der einzelnen Kristalle werden auch Kristallseigerungen oder kurz Seigerungen genannt.

Verbunden mit den unterschiedlichen Legierungskonzentrationen sind auch unterschiedliche Eigenschaften innerhalb eines Korns, die das Gefüge unter Umständen schwächen. Deshalb gilt es solche Konzentrationsungleichheiten stets zu unterbinden. Die Entstehung von Seigerungen lässt sich jedoch aufgrund der endlichen Erstarrungsgeschwindigkeiten nicht immer von vorne herein verhindern. Aus diesem Grund müssen Konzentrationsunterschiede innerhalb eines Gefüges durch eine nachträgliche Wärmebehandlung beseitigt werden. Dies kann mithilfe des sogenannten Diffusionsglühens geschehen.

Ziel des Diffusionsglühens ist der Ausgleich von Konzentrationsunterschieden!

Diffusionsglühen eines hoch-legierten Stahls
Abbildung: Diffusionsglühen eines hoch-legierten Stahls

Beim Diffusionsglühen wird der Stahl auf relativ hohe Temperaturen im Bereich zwischen 1050 °C und 1300 °C geglüht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Diffusionsprozesse in ausreichendem Maße stattfinden können, damit die Atome die teilweise relativ langen Diffusionswege zurücklegen können. Dennoch sind hierfür in der Regel mehrere Stunden Glühzeit notwendig.

Temperaturbereich beim Diffusionsglühen
Abbildung: Temperaturbereich beim Diffusionsglühen

Nachteil des Diffusionsglühens ist die dabei stattfindende Grobkornbildung aufgrund der hohen Temperaturen. Zwar könnte dies durch eine verringerte Temperatur vermindert werden, allerdings wären dann längere Glühzeiten nötig und das Diffusionsglühen nicht mehr wirtschaftlich. Wenn sich also die Grobkornbildung während des Diffusionsglühens nicht verhindern lässt, so muss das Grobkorngefüge nachträglich wieder beseitigt werden. Dies kann durch anschließendes Normalglühen erreicht werden.

Da Seigerungen bereits während der Erstarrung eines Stahls entstehen, werden diese in der Regel direkt im Stahlwerk am Gussblock beseitigt. Zumal das Verfahren aufgrund der hohen Temperaturen und langen Glühzeiten hohe Ansprüche stellt und sehr energieintensiv ist.

Lösungsglühen

Beim Schweißen oder Warmumformen treten durch den Wärmeeinfluss und die unkontrollierte Abkühlung Gefügeumwandlungen im Stahl auf. Dies ist vor allem bei austenitischen Stählen der Fall, bei denen es durch die hohen Temperaturen im Bereich von 500 °C bis 800 °C zur Karbidausscheidung an den Korngrenzen kommen kann. In der Folge führt dies aufgrund der unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften zur interkristallinien Korrosion. Um dies zu vermeiden, müssen die gebildeten Ausscheidungen wieder gelöst werden. Dies kann durch das sogenannte Lösungsglühen im Bereich von etwa 1000 °C bis 1100 °C erzielt werden. Bei verformten Stahlgefügen tritt zusätzlich noch der Effekt der Rekristallisation ein.

Ziel des Lösungsglühens ist das Lösen von gebildeten Ausscheidungen!

Das Lösungsglühen wird auch als Zwischenschritt in der Wertschöpfungskette zwecks einer vorübergehend besseren Bearbeitbarkeit angewendet. Die für die schlechte Bearbeitbarkeit verantwortlichen Ausscheidungen werden durch das Glühen gelöst. Wird das Werkstück dann rasch abgekühlt, so entsteht zunächst ein übersättigtes (metastabiles) Mischkristallgefüge ohne Ausscheidungen. In diesem Zustand wird vorrübergehend eine bessere Bearbeitbarkeit des Werkstoffes erzielt. Durch eine spätere Kaltauslagerung oder Warmauslagerung werden die Ausscheidungen dann gebildet und der Werkstoff erhält seine ursprünglichen Eigenschaften zurück. Dieses Verfahren findet bspw. bei der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen Anwendung.

Spannungsarmglühen

Wird ein Stahl ungleichmäßig erwärmt oder abgekühlt so können im Inneren Spannungen entstehen, die auch als Eigenspannungen bezeichnet werden. Häufig werden solche Eigenspannungen bspw. während des Schweißens induziert, da dabei das Werkstück nicht gleichmäßig sondern nur lokal an einer bestimmten Stelle erwärmt und anschließend abgekühlt wird. Aber auch beim Fräsen oder Drehen können Eigenspannungen im Werkstück entstehen, da es im Zerspanungsbereich des Werkstückes zu hohen Temperaturen kommen kann. Beim Härten beruht der Härteverzug ebenfalls auf den entstehenden Eigenspannungen während der ungleichmäßigen Abkühlung.

Solche Eigenspannungen können unter anderem die Festigkeit des Werkstückes herabsetzen. Des Weiteren können Eigenspannungen bei einem nachträglichen Zerspanungsprozess auch zum Verzug des Bauteils führen, wenn sich die Eigenspannungen hierdurch plötzlich lösen. Deshalb wird es in manchen Fällen erforderlich, entstandene Eigenspannungen im Werkstück zu beseitigen. Dies wird durch das sogenannte Spannungsarmglühen erreicht.

Ziel des Spannungsarmglühens ist das Lösen von Eigenspannungen!

Beim Spannungsarmglühen wird das Werkstück unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 550 °C und 650 °C geglüht. Der Effekt des Spannungsabbaus beruht darauf, dass die Festigkeit des erwärmten Bauteils mit höherer Temperatur abnimmt. Fällt die Streckgrenze (Warmdehngrenze) dabei unter den Wert der Eigenspannungen, so werden diese durch plastische Verformung abgebaut. Die Versetzungen beginnen entsprechend zu wandern.

Temperaturbereich beim Spannungsarmglühen
Abbildung: Temperaturbereich beim Spannungsarmglühen

Die Eigenspannungen können also immer nur bis maximal auf die entsprechende Warmdehngrenze abgebaut werden, niemals vollständig. Nach dem Glühen muss das Werkstück anschließend langsam abgekühlt werden, um ein erneutes Entstehen von Spannung zu vermeiden. Meisten bleibt das Werkstück dabei im ausgeschalteten Glühofen ruhen.