Ausscheidungshärtung

Umwandeln einer einphasigen Legierung in zweiphasige Mischkristallstrukturen

Die Ausscheidungshärtung, auch Abschreckalterung, ist eine Wärmebehandlung zum Erhöhen der Festigkeit von Legierungen. Das Verfahren wird auch als Aushärten bezeichnet. Es beruht auf der Ausscheidung von metastabilen Phasen (z. B. intermetallische Verbindungen) in fein verteilter Form, so dass diese ein wirksames Hindernis für Versetzungsbewegungen darstellen. Die Dehngrenze von Metallen kann so um bis zu 300 MPa angehoben werden.[1]

GrundlagenBearbeiten

Beim Aushärten wird ausgenutzt, dass die Löslichkeit für ein oder mehrere Legierungselemente mit der Absenkung der Temperatur abnimmt. Daher ist das Aushärten nicht bei allen Legierungen möglich, sondern nur wenn bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden:

  • Die Legierung bildet mit einem oder mehreren Legierungselementen bei erhöhter Temperatur Mischkristalle.
  • Die Legierungskomponenten der aushärtbaren Legierung müssen mit sinkender Temperatur eine abnehmende Löslichkeit aufzeigen.[2]
  • Die Legierungselemente müssen eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit im Grundmetall aufweisen.
  • Triebkraft und Diffusionsgeschwindigkeit müssen bei der Ausscheidungstemperatur genügend groß sein um die Keimbildungsarbeit aufzubringen.
  • Die entstehenden Ausscheidungen müssen fein verteilt im Werkstoff vorliegen und bei Einsatztemperaturen beständig gegen Koagulation sein.

Guinier-Preston-ZoneBearbeiten

Guinier-Preston-Zonen sind Bereiche in der Größenordnung von 3 - 10 nm, in denen Entmischungsvorgänge (Seigerung) stattfinden. Übersättigten Atome eines Legierungselements diffundieren und bilden stäbchen- oder plättchenförmige Aggregate. Diese Vorgänge finden zum Teil bereits bei Raumtemperatur statt und behindern bei plastischer Verformung die Versetzungsbewegung. Die Erhöhung von Festigkeit und Härte gehen über den Effekt der Mischkristallverfestigung hinaus. Die Zone ist nach André Guinier und George Dawson Preston benannt, die die Zonen im Jahr 1938 unabhängig voneinander u. A. in Aluminium-Kupfer-Legierungen nachweisen konnten.[3][4]

Einfluss auf plastische VerformungBearbeiten

Das Ausscheidungshärten ist ein Phänomen, das auf einer Größenskala zwischen der Mischkristallverfestigung und der Kornfeinung eingeordnet werden kann, sich aber von beiden unterscheidet. Die Wechselwirkungen mit Versetzungen sind von der Art, der Größe und der Verteilungsdichte der Ausscheidungen (Intermetallischer Phasen) abhängig. Die Ausscheidungen können kohärent, teilkohärent oder inkohärent zur Matrix sein. Kohärente und teilkohärente Ausscheidungen können von Versetzungen durchlaufen werden, während inkohärente Ausscheidungen sich wie Korngrenzen verhalten. Das lokale Spannungsfeld der Ausscheidung übt jedoch eine Kraft auf Versetzungen aus, die beim Durchqueren überwunden werden muss. Die Ausscheidungen und die von ihnen erzeugten Verzerrungsfelder im Matrixgitter verhindern das Gleiten der Versetzungen und steigern somit die technologische Festigkeit und den Widerstand gegen plastische Deformation.[5]

Kohärente Ausscheidungen befinden sich innerhalb eines Korns und treten bei Legierungselementen mit ähnlichen Gitterparametern auf. Die höchste Festigkeitssteigerung wird in der Regel bei Teilchengrößen unter 50 nm erreicht – der optimale Teilchenradius ist dabei abhängig von den physikalischen Eigenschaften von Matrix und Ausscheidungsphase. Der Orowan-Mechanismus beschreibt das theoretische Maximum der nötigen Spannungserhöhung, das die Versetzung aufbringen muss um eine Ausscheidung zu überwinden. Kleine Ausscheidungen können umgangen werden, während große oder "weiche" Ausscheidungen geschnitten werden und zu einer kleineren Spannungserhöhung führen.[6]

Legierungselemente mit abweichenden Gitterparametern scheiden sich oft inkohärent auf den Korngrenzen aus. Inkohärente Ausscheidungen können kugelförmig sein, wenn die Ausscheidung über eine relativ hohe Oberflächenenergie verfügt, oder dispergiert, wenn die Oberflächenenergie sehr gering ist. Infolge ihrer Oberflächenenergie haben inkohärente Ausscheidungen die Tendenz zum Wachstum. Dabei wachsen die großen Ausscheidungen durch die Auflösung von kleinen Ausscheidungen, es kommt zur Koagulation (Ostwald-Reifung). Beobachtet wird eine Abnahme der Streckgrenze und Festigkeit durch Überalterung.

BehandlungsschritteBearbeiten

Das Aushärten gliedert sich in die drei Behandlungsschritte Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern (Ausscheiden).

Lösungsglühen (Diffusionsglühen, Homogenisieren)Bearbeiten

Die Legierung wird solange erwärmt, bis sich alle zur Ausscheidung nötigen Elemente in Lösung befinden. Dabei sollte eine bestimmte Temperatur nicht unterschritten werden, da sonst grobe Teilchen bestehen bleiben, die für die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nachteilig sind. Andererseits darf die eutektische Temperatur der Legierung nicht überschritten werden, da sonst Bereiche mit Anreicherungen von Legierungselementen durch Seigerung aufschmelzen könnten.

Die Lösungsglühdauer kann einige wenige Minuten bis hin zu Stunden andauern und ist abhängig von Gefügeausbildung (fein-, grobkörnig), Legierungstyp, Halbzeugart (gewalzt, geschmiedet) und Abmessungen des Bauteils.[2]

Teilchen, die sich bereits während des Diffusionsglühens oder früher ausscheiden, werden Dispersoide genannt. Sie kontrollieren die Rekristallisation, indem sie Korngrenzenbewegungen behindern. Wegen ihres geringen Gehalts in der Legierung, ihrer Größe und ihrer Inkohärenz zur Matrix ist ihre Festigkeitssteigerung meist vernachlässigbar.

AbschreckenBearbeiten

Durch Abschrecken kann die Diffusion und damit eine Bildung von Ausscheidungen verhindert werden. Der Mischkristall verbleibt im metastabilen übersättigten einphasigen Zustand. Dies wird durch eine Abkühlung mit mindestens der kritischen Geschwindigkeit erreicht. Als Abschreckmedium kann kaltes Wasser, temperiertes Wasser[2], Öl oder Druckluft dienen.

Auslagern (Ausscheiden)Bearbeiten

Da beim vorhergehenden Abschrecken viele Keime gebildet wurden, werden viele kleine Ausscheidungen gebildet, die homogen im Gefüge verteilt sind. Damit können die Eigenschaften des Werkstücks gezielt eingestellt werden.

Durch ein anschließendes Auslagern bei 150 °C bis 190 °C (450 °C bis 500 °C bei Maraging-Stahl) wird die Diffusion beschleunigt. Die Auslagerungstemperatur ist von der Legierung abhängig. Der übersättigte einphasige Mischkristall wandelt sich durch die Bildung von Ausscheidungen in eine zweiphasige Legierung um. Die im Volumen zusammenhängende und in der Regel mit höherem Anteil auftretende Phase wird Matrix genannt, die neu gebildete Ausscheidung. Die Art und Geschwindigkeit der Ausscheidung ist temperaturabhängig, da die treibende Kraft der Diffusion ebenfalls temperaturabhängig ist. Keimbildung, Keimwachstum und Koagulation (Überalterung) können dabei angepasst werden.

Überalterung nach langem Auslagern kann durch die Kelvingleichung beschrieben werden:[7]

 

mit Molvolumen  , spezifischer Grenzflächenenergie  , Radius der Ausscheidung  , allgemeiner Gaskonstante  , Temperatur   sowie den Konzentrationen  . Die Gleichung besagt, je größer der Radius der Ausscheidung, desto geringer die Konzentration an der Grenzfläche. Dementsprechend diffundieren z. B. Kohlenstoff oder Stickstoff von kleinen zu großen Ausscheidungen.

Beim Halten auf Auslagerungstemperatur können sich im Stahl nach einiger Zeit Kohlenstoff und Stickstoff in Form von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden im Eisengitter ausscheiden. Ein Beispiel für die Auslagerung von Kohlenstoff an Versetzungen und der Bildung von Cottrell-Wolken ist der Bake-Hardening-Stahl.

Aushärten von AluminiumlegierungenBearbeiten

 
Langzeitaushärtungsversuch [AlMgSi1] nach der Härteprüfmethode Vickers im Rahmen eines Projektes im Modul „Werkstoffkunde 1 (Metalle)“ an der Technischen Hochschule Köln, Campus Gummersbach

Die Ausscheidungshärtung ist die wichtigste Möglichkeit der Festigkeitssteigerung von bestimmten Aluminiumlegierungen (Aluminium-Kupfer-Legierungen und Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierungen), da diese keine polymorphe Umwandlung aufweisen und somit nicht durch Martensitbildung härtbar sind.[8]

Ein prominentes Beispiel für die Ausscheidungshärtung ist das Duraluminium, eine Legierung aus Aluminium, 4 % Kupfer und 1 % Magnesium. Das Lösungsglühen erfolgt zwischen 495 °C und 505 °C. Nach dem Abschrecken kann das Material umgeformt werden. Die Endfestigkeit wird durch Kaltauslagern (bei Raumtemperatur) oder Warmauslagern (eine Ausscheidungsglühung) erreicht. Eine erkennbare Aushärtungserscheinung ist schon nach mehreren Minuten bei Raumtemperatur vorhanden. Nach etwa 4 Tagen erreicht diese ihr Maximum.

Durch Tiefkühlen (min. −20 °C) können die bei der Aushärtung ablaufenden Prozesse gehemmt werden. Dies wird zum Beispiel bei Nieten im Flugzeugbau aus solchen Legierungen verwendet, um eine längere Verarbeitungszeit zu erreichen. Eine Lagerung der Niete bis zu ihrer Weiterverarbeitung in einem Kühlbehältnis erfolgt im abgeschreckten, übersättigten Zustand. Danach erfolgt erst die Kaltaushärtung bei Raumtemperatur.[2]

Aushärtbare Aluminiumlegierungen sind korrosionsanfälliger als Reinaluminium, da die Ausscheidungen die Bildung einer geschlossenen Oxidschicht behindern.

Siehe auchBearbeiten

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. T. Gladman: Precipitation hardening in metals. In: Materials Science and Technology. Band 15, Nr. 1, 1999, S. 30–36, doi:10.1179/026708399773002782.
  2. a b c d Bergmann, Wolfgang: Werkstofftechnik: Anwendung: mit 44 Tabellen. 4. Aufl. München: Hanser, 2009.
  3. O.B.M. Hardouin Duparc: The Preston of the Guinier-Preston Zones. Guinier. In: Metallurgical and Materials Transactions B. Band 41, Nr. 5, Oktober 2010, ISSN 1073-5615, S. 925–934, doi:10.1007/s11663-010-9387-z (springer.com [abgerufen am 2. November 2020]).
  4. Guinier-Preston-Zone. Spektrum Akademischer Verlag, abgerufen am 2. November 2020.
  5. Bergmann, Wolfgang: Werkstofftechnik 1: Struktureller Aufbau von Werkstoffen - Metallische Werkstoffe - Polymerwerkstoffe - Nichtmetallisch-anorganische Werkstoffe. M: Carl Hanser Verlag GmbH& Co KG, 2013.
  6. Günter Gottstein: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik Physikalische Grundlagen. 4., neu bearb. Aufl. 2014. Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-36603-1, S. 282.
  7. Winfried Bartmann: Überalterung. In: Bartmann Total Solutions in Steel Buildings. Winfried Bartmann, abgerufen am 2. April 2021.
  8. Manfred Riehle, Elke Simmchen: Grundlagen der Werkstofftechnik. 2. Auflage. Dt. Verlag für Grundstoffindustrie Stuttgart, S. 250.