Was ist Glühen: Ein Leitfaden zur Materialhärtung

Wenn es darum geht, die Materialfunktionalität zu verbessern und gleichzeitig ein gewisses Maß an Sicherheit zu bieten, ist das Glühen ein Prozess, der in allen Branchen zum Einsatz kommt. Ob es sich um metallische Materialien, Legierungen oder sogar Glas handelt, durch Glühen können die Materialeigenschaften verändert werden. Ja! Durch das Glühen wird das Material leichter, zäher und für die Weiterverarbeitung besser geeignet.

In diesem Artikel besprechen wir, was Glühen ist, wie diese Wärmebehandlung funktioniert und welche verschiedenen Glüharten es gibt. Außerdem werden wir sehen, wie es für Ihre Fertigungsanforderungen von Vorteil sein kann. Lassen Sie uns also ohne eine Sekunde zu verlieren lernen, wie intensives Glühen Ihnen bei Ihren Projekten helfen kann!

Was ist Glühen?

Das Wort „Anneal“ (Glühen) ist von dem Wort „Anneal“ (Ausglühen) abgeleitet, was Erhitzen bedeutet und ursprünglich von „Feuer“ kommt. 

„Glühen ist auch als Erweichungsverfahren oder Wärmebehandlung von Materialien, insbesondere Metallen und Glas, bekannt, um deren physikalischen Zustand und Eigenschaften zu verändern.“

Der Glühprozess trägt dazu bei, Materialien weicher und flexibler zu machen und sie weniger bruchanfällig unter Streckgrenzen zu machen. Vielmehr verbessert er die Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften und macht sie für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet. Wenn wir über die besondere Stahlverstärkung durch Glühen sprechen, dann kann man es „Schmieden“ nennen. Ja! Sie können Kolben und Kurbelwellen durch Schmieden härten.

Beim Glühen wird das Material über die Rekristallisationstemperatur, aber unter seinen Schmelzpunkt erhitzt. Wenn das Material diese Temperatur erreicht, kommt es zu einer Veränderung der Mikrostruktur des Materials. Solche Veränderungen werden außerdem beobachtet, um innere Spannungen abzubauen. Darüber hinaus wird die Kornstruktur verbessert und alle verbleibenden oder absichtlichen Fehler entfernt. Diese Fehler können durch vorherige Prozesse wie Gießen oder Schweißen entstanden sein.

Darüber hinaus verbessert diese Behandlung nicht nur die Verarbeitbarkeit der Materialien, sondern erhöht auch ihre Lebensdauer, indem sie Rissen und Brüchen vorbeugt. Gut! Um ein klares Bild vom Glühen zu erhalten, werden wir im nächsten Abschnitt den Glühprozess besprechen.

So funktioniert das Glühen: Drei Phasen

Es gibt drei Hauptphasen der Wärmebehandlung, durch die Sie Veränderungen auf atomarer Ebene erreichen können. Sie werden sehen, dass jeder Schritt mit einer Veränderung der Geometrie und der Eigenschaften des Materials verbunden ist. Tauchen wir ein!

Stufe 1) Erhitzen: Dabei wird das Material zunächst auf 400 bis 900° C erhitzt, je nach Rekristallisationszustand. Bei Stählen liegt diese Temperatur etwa zwischen 600° C und 700° C. Eine solche Erwärmung ermöglicht eine Wanderung der Atome im Kristallgitter, wodurch vorhandene Versetzungen im Material abgebaut werden. Dadurch werden Atome verlagert, wodurch innere Spannungen abgebaut werden. Außerdem werden dadurch die Voraussetzungen für späteres Kornwachstum geschaffen.

• Zur Vertiefung Ihres Wissens: Erfolgt das Erhitzen in einer Wasserstoffatmosphäre, kann man es auch als „Wasserstoffglühen“ bezeichnen.

Stufe 2) Halten (Rekristallisationsstufe): Das Material wird dann für einen angemessenen Zeitraum bei dieser Temperatur gehalten. Dies geschieht, damit die Atombewegungen ausreichen, um das Wachstum neuer Körner zu ermöglichen. Dieser Schritt hilft dabei, weitere Versetzungen zu entfernen und das Material zu erweichen. Die erforderliche Zeit hängt vom Material und seinen mechanischen Eigenschaften ab und beträgt normalerweise 30 Minuten bis mehrere Stunden.

Stufe 3) Abkühlen: Zum Schluss kühlen Sie das Element stufenweise ab, normalerweise in einem offenen Ofen. Dieser Vorgang verbessert die Duktilität und Festigkeit des Materials bei Raumtemperatur. Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist ein wichtiger Faktor. Eine schnellere Abkühlung (gefolgt von Abschrecken und Verzögerung) kann das Material nämlich spröde machen. Eine langsame Abkühlung stellt hingegen sicher, dass die gewünschten Eigenschaften des Materials nicht verloren gehen.

Beim Abkühlen bilden sich Körner, die mit der Abkühlung größer werden. Das ist alles!

Welche Arten des Glühens gibt es?

Nachdem wir uns mit dem Glühen befasst haben, schauen wir uns nun die Typen an. Sie werden auf Grundlage der metallurgischen Unterschiede bei der Rekristallisation und dem Ergebnis der geglühten Oberflächen kategorisiert. 

Die Liste ist unten aufgeführt; 

Diffusionsglühen

Sie können dies verwenden, um die Einheitlichkeit des Materials durch atomare Diffusion zu verbessern. Es hilft bei der Beseitigung von Entmischungen in Legierungszusammensetzungen. Dadurch wird die Homogenität verbessert und auch die Kristallstruktur verfeinert.

Spannungsarmglühen

Wie der Name schon sagt, reduziert es die inneren Spannungen, die durch Prozesse wie Schweißen und maschinelle Bearbeitung verursacht werden. Obwohl es die Struktur des Materials nicht wesentlich verändert, verringert es die unerwünschten Spannungen. Diese Spannungsentlastung dient dazu, Verformungen oder Risse zu vermeiden.

 Normalisierungsglühen

Was ist geglühter Stahl? Normalisierung wird allgemein auf Stahl angewendet. Normalisierung ist ein Prozess, bei dem Materialien auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und dann an der Luft abgekühlt werden. Dadurch wird die Kornstruktur verfeinert. Daher werden die Zähigkeit und Festigkeit des Materials verbessert und es wird gleichmäßiger.

Sphärifikationsglühen

Diese Art des Glühens erleichtert die Umwandlung von Flockengraphit in eine Kugelform durch das A356-Verfahren. Dies erleichtert die Bearbeitung und erhöht zudem die Duktilität des Materials.

Unvollständiges Glühen

Bei dieser Art des Glühens wird das zu glühende Material nicht vollständig auf die Temperatur der vollständigen Rekristallisation der Metalle erhitzt. Ziel ist es, das Material etwas weicher zu machen, ohne seine Struktur vollständig zu verändern. Dies wird hauptsächlich bei Materialien gemacht, die keine vollständige Festkörperumwandlung erfordern, aber ein gewisses Maß an Weichheit benötigen.

Komplettes Glühen

Dabei wird das Material durch Erhitzen auf eine gewünschte Temperatur vollständig verändert, um die Mikrostruktur zu verändern. Die geglühten Teile werden von inneren Eigenspannungen befreit und das Material wird weicher. Bei Kohlenstoffstählen ist meist ein vollständiges Glühen erforderlich.

Rekristallisationsglühen

Bei diesem Typ liegt der Schwerpunkt auf dem Kornwachstum durch Erhitzen des Materials auf eine Temperatur, die eine Rekristallisation auslöst. Diese neue Struktur erhöht die Duktilität des Materials, während die Mikrostruktur verfeinert und sogar die Festigkeit verbessert wird.

Isothermisches Glühen

Bei diesem Verfahren wird das Material über einen langen Zeitraum auf die gewünschte Temperatur erhitzt. Anschließend wird das Material allmählich abgekühlt. Dieser Prozess ermöglicht es dem Material, gleichmäßige und gleichmäßige Trenneigenschaften zu erreichen, insbesondere bei Stahllegierungen.

Abhängig vom gewünschten Werkstoff können unterschiedliche Glühverfahren zum Einsatz kommen.

Wie viel Zeit wird zum Glühen benötigt?

Die Dauer des Glühens wird durch die Eigenschaften bestimmt, die der Probe verliehen werden sollen. Sie hängt sowohl vom verwendeten Material als auch von der Glühtemperatur ab. Das Erhitzen kann zwischen einer halben Stunde und mehreren Stunden dauern. 

Dann kommt es darauf an, wie lange die Probe bei der Rekristallisationstemperatur belassen wird. Dies kann eine halbe Stunde bis mehrere Stunden dauern, je nachdem, wie dick die Probe ist oder wie der Prozess selbst abläuft. Danach dauert das Abkühlen einige Stunden und erfolgt langsam, sodass die Eigenschaften oder Merkmale des Materials erhalten bleiben. Man kann also sagen, dass das Glühen zwischen einigen Stunden und einem Tag variieren kann.

Welche Vorteile bietet das Glühen?

Das Glühen bietet zahlreiche Vorteile, von denen einige wichtige im Folgenden erläutert werden.

+ Beseitigung von Eigenspannungen: Durch die Glühwärmebehandlung werden innere Restspannungen entfernt, die durch Schweißen, Gussbearbeitung oder andere Prozesse entstehen. Dadurch verzieht oder reißt das Material bei Belastung nicht und bleibt relativ starr.

+ Duktilität: Durch die Glühbehandlung wird die Duktilität eines Materials freigesetzt, da es dadurch weicher wird. Das Material wird dadurch formbarer, biegsamer und kann in eine noch gewünschtere Form gebracht werden. 

+ Verbesserte Zugfestigkeit: Durch das Glühen kann das Material erhöhten Zugbelastungen standhalten, ohne zu versagen. Dies ist insbesondere bei Strukturelementen in Gebäuden und Automobilkomponenten von entscheidender Bedeutung.

+ Verbesserte Kornstruktur: Durch das Verfahren wird die Kornstruktur des Materials so verbessert, dass die Zähigkeit des Materials (das geglüht werden muss) erhöht wird. Dadurch wird das Material widerstandsfähiger gegen Stöße und Abrieb.

+ Vereinfachte Fertigungsabläufe: Durch das Glühen lassen sich Materialien leichter bearbeiten, scheren oder formen. Darüber hinaus erhöht es die Produktivität und Qualität der fertigen Produkte.

+ Erhöhte Haltbarkeit: Die Verbesserung der erkennbaren Eigenschaften des Materials, wie z. B. eine Verringerung der Sprödigkeit und eine erhöhte Festigkeit, verbessert die Haltbarkeit und Lebensdauer des Materials. Dies garantiert eine lange Lebensdauer und verringert den Austauschbedarf.

Verbessert das Glühen die Bearbeitbarkeit von Metallen? 

Die Glühwärmebehandlung verbessert die Duktilität durch Verfeinerung der Kornstruktur, was den Materialabtrag bei CNC-Bearbeitungsprozessen erleichtert. Folglich wird das Glühen nicht nur verwendet, um die durch die vorherige Wärmebehandlung verursachte Härte zu normalisieren, sondern es ist auch vorteilhaft, um harte Metalle wie kohlenstoffreiche Stahllegierungen mit CNC-Schneidwerkzeugen bearbeitbar zu machen.

Sehen wir uns als Nächstes an, was das Glühen mit der Bearbeitbarkeit zu tun hat. 

• Versetzungsdichte: Die Versetzungen der Atome innerhalb der Gitterstrukturen bilden einen Weg für die Verformung. 

• Phasentransformation: Materialien wie Stahl durchlaufen während eines Glühprozesses eine Phasenumwandlung, wodurch innerhalb der Eisenmatrix eine homogene austenitische Struktur entsteht. 

• Wärmeleitfähigkeit: Der Glühwärmefluss beseitigt Defekte und Verunreinigungen, was die Wärmeleitfähigkeit verbessert und die Wärmeableitung während der Bearbeitung unterstützt.

Was sind die Nachteile des Glühens?

Das Glühen hat zweifellos eine Reihe von Vorteilen, aber auch einige Nachteile:

- Arbeitsintensiv: Das Erhitzen, Halten und Abkühlen von Materialien ist ein Prozess, der mehrere Stunden dauern kann und daher arbeitsintensiv ist. Man kann also sagen, dass dies für Branchen, die auf schnelle Durchlaufzeiten angewiesen sind, nachteilig ist.

– Energieverbrauch: Um einen Glühzyklus abzuschließen, müssen die Materialien auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden, ein Vorgang, der sehr energieintensiv ist. Dies kann insbesondere bei Großunternehmen zu erhöhten Betriebskosten führen.

- Kosten: Der Bedarf an kontrollierten Heiz- und Kühlgeräten, beispielsweise Öfen, erhöht die Kosten des Prozesses zusätzlich. Darüber hinaus kann das zu glühende Material zusätzliche Handhabung erfordern, was Kosten verursachen kann.

– Überhitzungsgefahr: Der Nachteil übermäßiger Hitze für das Material besteht darin, dass es seine beabsichtigte Form verändert, da es zu Kornwachstum und Härteverlust kommen kann. Es ist offensichtlich, dass dies die beabsichtigten Funktionen des Materials weiter beeinträchtigt.

– Begrenzte Wirkung auf einige Materialien: Bei manchen Materialien, wie etwa hochlegierten Metallen, können Veränderungen der mechanischen und magnetischen Eigenschaften nach dem Glühen die Wirksamkeit des Prozesses beeinträchtigen.

Trotz dieser geringfügigen Nachteile ist diese Wärmebehandlungstechnik ein wichtiger Prozess. Allerdings müssen diese Probleme streng kontrolliert werden.

Welche Anwendungen gibt es für das Glühen?

Das Glühen wird in zahlreichen Maschinenbaubranchen eingesetzt, da es die Eigenschaften von Materialien verbessert.

Stahlherstellung

 Bei der Stahlproduktion dient das Glühen von Metall dazu, die Härte des Stahls zu verringern und die Herstellung von Stahlteilen zu erleichtern. Dadurch wird der Stahl besser für den Bau, für Autoteile und Maschinen geeignet.

Kupfer und Aluminium

Das Glühen wird eingesetzt, um die Verarbeitbarkeit von Drähten, Profilen und Lötteilen aus Kupfer- und Aluminiumlegierungen zu verbessern. Somit eignen sich diese Materialien für elektrische Drähte und andere Teile.

Glasindustrie

Glas wird wärmebehandelt, um die Bruchgefahr zu verringern und die Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen zu erhöhen. Darüber hinaus hilft das Verfahren dabei, innere Spannungen abzubauen. Aus einem ähnlichen Grund ist Ihnen vielleicht aufgefallen, dass Glasfenster und -behälter normalerweise stabil sind.

Displays & Elektronik

Bei der Herstellung von Schaltungsteilen verbessert das Glühen die Eigenschaften der Siliziumscheiben. Dadurch werden sie weniger gespannt, haben eine gute Leitfähigkeit und können in Schaltungen verwendet werden.

Metallbearbeitung

 Das Glühen ist in der Metallverarbeitung üblich und wird durchgeführt, um geglühte Metalle leichter bearbeiten, schweißen oder formen zu können. Denn während des Prozesses entstehen keine Risse.

Werkzeug- und Formenbau

Durch das Glühen werden Werkzeuge und Matrizen haltbarer. Es ist gut zu hören, dass es die Bearbeitung von Werkzeugen und Matrizen erleichtert, die für Arbeiten in der Industrie nützlich sind, bei denen Präzision erforderlich ist. Dies kann die Fertigungs- und Luftfahrtindustrie umfassen.

Wann ist Glühen erforderlich? Der Zweck

Sein Zweck ist ziemlich offensichtlich: Er reduziert die Folgen der Kaltverfestigung, die durch Biegen, Kaltverformen oder Ziehen entsteht. Wenn Materialien zu hart werden, können sie reißen oder die Bearbeitung wird zu schwierig. Um das Biegen zu erleichtern, wird die Rekristallisationstemperatur einer Substanz erhöht, wodurch eine biegsamere Substanz entsteht. Darüber hinaus werden auch die Kräfte gemildert, die sonst beim Schweißen entstehen könnten, das ist alles!

Zusammenfassung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Glühen aufgrund der damit verbundenen Festigkeitssteigerung sehr wichtig für die Definition von Materialeigenschaften ist, einschließlich Duktilität und Spannungsabbau. Auf eine Weise erzielt das Glühen ein verbessertes Ergebnis, eine verbesserte Duktilität und eine längere Haltbarkeit der Teile, indem die innere Struktur des Materials verändert wird.

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Häufig gestellte Fragen