Ausscheidungshärten: rostfreie Stähle

Ausscheidungshärten dient dem Zweck, die Festigkeit von Werkstoffen mittels kontrollierter Ausscheidung bestimmter Elemente zur Bildung von Ausscheidungsclustern zu erhöhen.

Vorteile

Lösungsglühen mit oder ohne Ausscheidungshärten kommt bei verschiedenen rostfreien Guss- und Knetstahllegierungen zur Erzielung bestimmter Eigenschaften zur Anwendung. Typische Eigenschaften, die mit diesen Verfahren erzielt werden können, sind mechanisch Festigkeit bei Raumtemperatur und/oder höheren Temperaturen sowie Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit.

Anwendungsbereiche

Eigenschaften von härtbaren rostfreien Stählen können durch die Wahl geeigneter Prozessparameter verbessert werden. Im Zusammenhang mit nickelbasierten Legierungen kommt überwiegend Lösungsglühen mit oder ohne Ausscheidungshärten zur Anwendung.

Lösungsglühen

• Die meisten Werkstoffe werden bereits während der vorgelagerten Bearbeitungsschritte gehärtet, wodurch die spätere Umformbarkeit eingeschränkt wird. Lösungsglühen als Zwischenbehandlung (Spannungsarmglühen) kann dazu genutzt werden, diesen Härtezustand zu reduzieren.
• Bearbeitungsschritte, wie z. B. Hartlöten, Schweißen oder Beschichten können einen negativen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften haben, die mittels Lösungsglühen rückgängig gemacht werden können.
• Vorgelagerte Bearbeitungsschritte können darüber hinaus zum frühzeitigen Start der Ausscheidungshärtung führen, was wiederum durch wiederholtes Lösungsglühen ausgeglichen werden kann.
• Es wird nicht empfohlen, Komponenten in Betrieb zu setzen, die ausschließlich lösungsgeglüht wurden, da diese zu sprödem Komponentenversagen und unerwünschten Korrosionsschäden neigen. Beispiele hierfür sind 15-5PH, 17-4PH and Ph13-8Mo

Ausscheidungshärtung

• Um anwendungsspezifische Werkstoffendeigenschaften zu erzielen, ist es häufig erforderlich, dass der zu behandelnde Werkstoff (Guss-/Knetwerkstoffe) einer längeren Wärmebehandlung bei niedrigen Temperaturen unterzogen wird, damit sich ein legierungsspezifisches Gefüge infolge der Ausscheidungshärtung einstellt.
• Typischerweise findet dieser Schritt am Ende der Bearbeitungskette statt, da Wärmebehandlungsprozesse zu einer hohen Werkstoffhärte, aber auch zu Materialschrumpfungen führen, die es zu beachten gilt. Eine Bearbeitung nach dem Ausscheidungshärten kann sehr kostspielig sein und ist daher zu vermeiden.
• Typische Beispiele sind 15-5PH, 17-4PH, 17-7PH und martensitaushärtbare Stähle 250.
• Typische Wärmebehandlungsbezeichnungen sind H900 oder H1075; H900 bedeutet dabei Vergütungen bei einer Temperatur von ca. 900°F mit einer Haltezeit von ca. einer Stunde und H1075 steht für Vergüten bei einer Temperatur von ca. 1075°F mit einer Haltezeit von ca. 4 Stunden. In allen Fällen ist es wichtig, den Werkstoff zu Beginn der Behandlung in einen lösungsgeglühten Zustand, der oft auch als A-Zustand bezeichnet wird, zu versetzen.

Prozessdetails

• Lösungsglühen wird typischerweise bei Temperaturen zwischen 1700 und 1950°F im Vakuum durchgeführt. Behandelte Komponenten werden im Anschluss an das Lösungsglühen einer raschen Abkühlung auf Raumtemperatur mit Hilfe eines Kühlgases unterzogen. Um weitere Behandlungen zu ermöglichen, werden lösungsgeglühte Werkstoffe üblicherweise auf eine Temperatur von ca. 90°F (oder manchmal auch unterhalb von 90°F) abgekühlt.
• Einige metastabile Legierungen (z. B. 17-7PH) erfordern mehrere zwischengeschaltete Arbeitsschritte nach dem Lösungsglühen und vor dem Ausscheidungshärten, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Diese Zwischenschritte beinhalten eine Wärmebehandlung des Austenitgefüges und eine Abkühlung bei niedrigen Temperaturen, damit sich Austenit vollständig in Martensit umwandeln kann.
• Ausscheidungshärten wird typischerweise bei Temperaturen zwischen 900 und 1150°F im Vakuum, einer inerten Atmosphäre oder an der Luft durchgeführt. Je nach Werkstoff und erforderlichem Gefüge können die Haltezeiten zwischen 1 Stunde und 4 Stunden variieren.
• Relevante Industrienorm ist die SAE AMS 2759/3.