Ausscheidungshärtung – Was versteht man darunter?

Die Ausscheidungshärtung – auch als Aushärten oder Auslagern bekannt – ist eine Wärmebehandlung, die der Erhöhung der Festigkeit und Härte metallischer Materialien dient. Dabei wird die Eigenschaft, dass die Löslichkeit der Legierungselemente mit sinkender Temperatur abnimmt, beim Auslagern ausgenutzt. So entsteht bei einer Überschreitung der Löslichkeitsgrenze eine Zweiphasenlegierung durch die Diffusion des überschüssigen einphasigen Mischkristalls.

Voraussetzungen für die Ausscheidungshärtung

Um das Verfahren anwenden zu können, müssen bestimmte Voraussetzungen gegeben sein, da die Ausscheidungshärtung nicht bei allen Legierungen möglich ist. So muss sichergestellt sein, dass die Legierung bei erhöhter Temperatur mit einem oder mehreren Legierungselementen Mischkristalle bildet. Ebenfalls muss die Löslichkeit der Legierungskomponenten der aushärtbaren Legierung eine positive Korrelation mit fallenden Temperaturen aufweisen. Zu beachten ist, dass diese Beziehung auch für das Grundmetall gelten muss.

Eine weitere Voraussetzung für das Auslagern ist, dass die Triebkraft sowie Diffusionsgeschwindigkeit bei der Ausscheidungstemperatur eine bestimmte Größe aufweisen müssen. Diese muss hoch genug, um die Keimbildungsarbeit aufzubringen. Auch müssen die entstehenden, kontrollierten Ausscheidungen in dem zu behandelten Material nicht nur fein verteilt vorliegen, sondern auch bei den gegebenen Einsatztemperaturen beständig gegen Koagulation sein.

Die Behandlungsschritte beim Auslagern

Das Verfahren beim Aushärten kann in drei Behandlungsschritte unterteilt werden. Dazu zählen das Lösungsglühen, das Abschrecken und das Auslagern.

Lösungsglühen

Das Lösungsglühen – auch Homogenisieren oder Diffusionsglühen genannt – stellt den ersten Schritt bei der Ausscheidungshärtung dar. Hierbei wird die Legierung auf eine Temperatur von 920 – 1065 °C erhitzt. Das Verfahren findet typischerweise in einem Vakuum statt. Die Dauer des Lösungsglühens wird von diversen Faktoren bestimmt und kann wenige Minuten bis zu mehreren Stunden dauern.
Die Temperatur spielt beim Lösungsglühen eine entscheidende Rolle und darf weder über- noch unterschritten werden. Das Unterschreiten führt zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Metalls, da grobe Teilchen bestehen bleiben. Bei einer Überschreitung der 1065 °C kann es zu einem Aufschmelzen der Bereiche mit Anreicherungen von Legierungselementen kommen.

Abschrecken

Der nächste Arbeitsschritt ist das Abschrecken. Hierbei steht das Verhindern der Diffusion oder auch die Bildung von entstehenden Ausscheidungen im Vordergrund. Dadurch, dass das Abschrecken mindestens mit der kritischen Geschwindigkeit durchgeführt wird, verbleibt der Mischkristall im metastabilen übersättigten einphasigen Zustand. Als Abschreckmedium kommt häufig Kühlgas zum Einsatz. Es kann aber auch kaltes Wasser, Druckluft oder Öl eingesetzt werden.

Ausscheiden

Als finaler Schritt folgt das eigentliche Ausscheiden oder Auslagern. Der Prozess findet bei 150 bis 190 °C statt, wobei bei Maraging-Stählen Temperaturen von 450 – 500 °C zum Einsatz kommen. Die Temperatur ist dabei von der Legierung des zu behandelten Werkstückes abhängig. Beim Ausscheiden wandelt sich der übersättigte einphasige Mischkristall in eine zweiphasige Legierung um. Es bilden sich sogenannte Ausscheidungen. Dabei handelt es sich um es eine von den beiden gebildeten Phasen, die bei dem Prozess entstehen. Die andere, meist in einem größeren Anteil vorhandene und im Volumen zusammenhängende Phase, wird Matrix genannt. Da die Diffusion temperaturabhängig ist, hängt die Art und Geschwindigkeit der Ausscheidung ebenfalls von der Temperatur ab. Beim Abschrecken, dem zweiten Prozessschritt des Auslagerns, werden viele Keime gebildet. Dies führt dazu, dass Ausscheidungen entstehen, die sich homogen im Gefüge verteilen. So ist es möglich, die Eigenschaften des behandelten Materials gezielt einzustellen.

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