Was ist Aushärtung?

 

Die Aushärtung, auch Ausscheidungshärtung genannt, ist eine Wärmebehandlung, die dazu dient, Metallen und ihren Legierungen Festigkeit zu verleihen. Man spricht von der Ausscheidungshärtung, da dabei feste Verunreinigungen oder Ausscheidungen für den Verfestigungsprozess genutzt werden. Das Metall wird gealtert, indem es entweder erhitzt oder bei niedrigeren Temperaturen gelagert wird, sodass sich Niederschläge bilden. Der Prozess der Aushärtung wurde von Alfred Wilm entdeckt.

 

Die Aushärtung (Ausscheidungshärtung) beruht auf einer kontrollierten thermischen Verarbeitung, um die mechanische Festigkeit in formbaren Metalllegierungen wie ausscheidungshärtenden rostfreien Stählen (z. B.17-4PH, 15-5PH) und Superlegierungen auf Nickelbasis (z. B.Inconel 718, Monel K500). Der Prozess unterliegt den ASTM-, ASME- und AMS-Standards und umfasst Lösungsbehandlung, schnelles Abschrecken und kontrollierte Alterung. Diese Abfolge scheidet feine Sekundärphasen aus, die Versetzungsbewegungen innerhalb des Kristallgitters blockieren und so für außergewöhnliche Haltbarkeit, hohe{3}Temperaturbelastung-Belastbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Verformung sorgen, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen.

 

Für die Aushärtung eignen sich formbare Metalle und Legierungen aus Nickel, Magnesium und Titan. Durch den Aushärtungsprozess werden die Zug- und Streckgrenze erhöht. Die gebildeten Niederschläge hemmen die Bewegung von Versetzungen oder Defekten im Kristallgitter des Metalls. Damit die Ausfällung erfolgt, müssen die Metalle und Legierungen viele Stunden lang auf hohen Temperaturen gehalten werden; Daher wird dieser Vorgang als Aushärtung bezeichnet.

 

 

Die Schritte des Alterungs-{0}}Härtungsprozesses sind wie folgt: Zuerst wird das Metall einer Hochtemperatur-Lösungsbehandlung unterzogen, um alle gelösten Atome aufzulösen und eine einphasige feste Lösung zu bilden. Anschließend bildet sich im Metall eine große Anzahl mikroskopisch kleiner Kerne, sogenannte „Zonen“. Dieser Entstehungsprozess wird durch eine Temperaturerhöhung noch beschleunigt.

 

1. Lösungsbehandlung

Die Legierung wird auf eine Temperatur erhitzt, bei der sich die Legierungselemente in einer festen Lösung auflösen. Anschließend wird es schnell abgekühlt, oft mit Luft oder Wasser, um diese Elemente in einer übersättigten Struktur zu halten.

 

 

2. Altern

Das Material wird auf einer kontrollierten Temperatur gehalten, entweder bei Raumtemperatur (natürliche Alterung) oder in einem Ofen (künstliche Alterung). Es bilden sich feine Niederschläge.

 

 

3. Stärkung

Die feinen Ausscheidungen behindern die Versetzungsbewegung und erhöhen die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte.

 

Vorteile der Aushärtung

• Verleiht Metallen eine hohe Zug- und Streckgrenze
• Verbessert die Verschleißfestigkeit
• Verbessert die Bearbeitbarkeit
• Verursacht keine Verformung des Teils
• Industrielle Anwendungen

 

Industrielle Anwendungen der Aushärtung:

• Verstärken von Metallen wie Aluminium, Nickel, Edelstahl und Titan
• Härten von Absperrschiebern, Motorkomponenten, Wellen, Zahnrädern und Kolben
• Verstärkung von Kugeln, Buchsen, Turbinenschaufeln, Befestigungselementen, Formwerkzeugen und Komponenten von Atommüllbehältern
• Behandlung von Flugzeugteilen, Verarbeitungsgeräten und Ventilschäften

 

 

17-4PH-Edelstahl (UNS S17400 / ASTM A564) ist ein gängiges industrielles Beispiel.

Es enthält etwa 3–5 % Kupfer, das beim Altern kupferreiche Niederschläge bildet. Diese Ausscheidungen verstärken den martensitischen Edelstahl.

Wärmebehandlung	Typische Alterungstemperatur	Typische Anwendung
H900	482 Grad (900 Grad F)	Hohe Festigkeit und Härte
H1025	552 Grad (1025 Grad F)	Ausgewogene Stärke und Zähigkeit
H1075	579 Grad (1075 Grad F)	Höhere Zähigkeit und Duktilität
H1150	621 Grad (1150 Grad F)	Verbesserte Zähigkeit und Duktilität

Hierbei handelt es sich um Standardalterungsbezeichnungen, nicht um vollständige Wärmebehandlungsverfahren. Lösungsbehandlung, Haltezeit, Abkühlung und Materialstärke müssen den geltenden Spezifikationen entsprechen.

 

 

Besonderheit	Aushärtung	Abschrecken und Anlassen
Hauptmechanismus	Feine Niederschlagsbildung	Martensitbildung und Anlassen
Typische Legierungen	17-4PH, 15-5PH, Aluminiumlegierungen	Kohlenstoffstahl, niedrig-legierter Stahl
Stärkende Partikel	Ja	Es können sich vergütete Karbide und andere Phasen bilden
Alterungsschritt	Erforderlich	Temperierschritt
Beispiel	17-4PH H900	AISI 4140 Q&T

Wichtig: Aushärten und Anlassen sind nicht dasselbe Verfahren. Einige Legierungen, wie zum Beispiel 17-4PH, erfordern eine Lösungsbehandlung mit anschließender Ausscheidungsalterung, um ihre spezifizierten Eigenschaften zu erreichen.

 

Warum ist die Aushärtung im Ingenieurwesen wichtig?

Die Aushärtung ist nützlich, wenn eine Komponente eine hohe Festigkeit erfordert, ohne auf einen sehr hohen Kohlenstoffgehalt angewiesen zu sein.

Typische Anwendungen sind:

• Öl- und Gasventile, Wellen und druckführende-Komponenten.
• Verbindungselemente und Strukturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt.
• Schiffswellen und Pumpenkomponenten.
• Ausrüstung für die chemische Verarbeitung.
• Hoch-Rundstäbe und Schmiedeteile aus rostfreiem Stahl.

 

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F: Was ist Aushärten?

A: Auslagerungshärtung, auch Ausscheidungshärtung genannt, ist ein Wärmebehandlungsprozess, der dazu dient, die Festigkeit und Härte bestimmter Metalle durch die Bildung feiner Partikel, sogenannter Ausscheidungen, innerhalb der Mikrostruktur des Metalls zu erhöhen.

 

F: Ist Aushärtung dasselbe wie Ausscheidungshärtung?

A: Ja. Auslagerungshärtung ist eine andere Bezeichnung für Ausscheidungshärtung. Beide beschreiben eine Festigung durch Bildung feiner Ausscheidungen.

 

F: Kann Edelstahl auslagerungsgehärtet werden?

A: Ja, aber nur bestimmte Qualitäten. 17-4PH, 15-5PH, 13-8Mo und einige andere ausscheidungshärtende Edelstähle sind für diesen Prozess ausgelegt. Herkömmlicher Edelstahl 304 und 316 wird normalerweise nicht ausgehärtet, um eine vergleichbare Festigkeit zu erreichen.

 

F: Können 17-4PH-Rundstäbe nach der Bearbeitung ausgehärtet werden?

A: Ja. 17-4PH-Stäbe können im ausgehärteten Zustand geliefert oder bearbeitet und anschließend gealtert werden, vorausgesetzt, die Wärmebehandlung ist mit dem Bearbeitungsprozess und den Maßanforderungen kompatibel.

 

F: Was ist der Unterschied zwischen Aushärten und Glühen?

A: Durch Glühen wird ein Metall weicher, um die Duktilität zu verbessern und innere Spannungen abzubauen, wohingegen beim Aushärten die Härte und Streckgrenze durch kontrollierte thermische Ausscheidung nach der Lösungsbehandlung gezielt erhöht werden.

 

F: Welche Materialien profitieren am meisten von der Ausscheidungshärtung?

A: Die Ausscheidungshärtung ist am effektivsten bei ausscheidungshärtbaren rostfreien Stählen (z. B. 17-4PH, 15-5PH) und Nickel-Superlegierungen (z. B. Inconel 718, Monel K500), die in industriellen Anwendungen mit hoher Belastung eingesetzt werden.