WÄRMEBEHANDLUNG
Die Wärmebehandlung ist ein Verfahren, das verwendet wird, um die metallische (Mikro-) Struktur von Stahl thermisch zu verändern, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Dieses Verfahren verlängert die Nutzungsdauer eines Verbindungselements, da es die Festigkeit, die Oberflächenhärte und die Temperaturbeständigkeit verbessert. Es gibt viele verschiedene Verfahren. Die gängigsten Arten der Wärmebehandlung für Verbindungselemente sind:
Glühen
Der Stahl wird mehrere Stunden bei einer konstanten Temperatur (knapp unter 721°C) gehalten und dann langsam abgekühlt. Die Struktur des Stahls verändert sich von einem harten, lamellenförmigen Perlit in einen weichen, kugelförmigen Perlit, was der optimale Zustand für die Kaltstauchung ist.
Normalisierung (Re-Kristallisierung)
Indem der Stahl für kurze Zeit auf 800°C – 920°C erhitzt und anschließend langsam abkühlt, verändert der Stahl seine Struktur: Die grobkörnige, spröde Struktur, die beispielsweise durch das Heißwalzen oder die Warmumformung insbesondere bei dickeren Werkstücken entsteht, kehrt in die ursprüngliche feine Kornstruktur zurück. Wird die Korngröße auf diese Weise reduziert, verbessern sich die Streckgrenze und die Schlagzähigkeit, ohne dass dies zu Lasten der Zugfestigkeit geht.
Spannungsarmes Glühen
Beim Kaltumformen wird das Material innen gespannt, was die Zugfestigkeit erhöht, aber die Streckgrenze reduziert. Die 2-stündige Erwärmung der Stahlverbindungselemente auf eine Temperatur von 550°C – 650°C beseitigt rund 90 % dieser internen Spannungen. Die Verbindungselemente müssen im Ofen oder an der Luft langsam herunter gekühlt werden. Eine langsame Kühlgeschwindigkeit ist wichtig, um interne Temperaturdifferenzen innerhalb des Stahls und damit interne Spannungen zu verhindern. Diese Art der Wärmebehandlung wird für kaltgeformte Verbindungselemente der Festigkeitsklasse 4.6 und 5.6 angewandt.
Härtung
Wenn Stahl mit einem Mindest-Kohlenstoffgehalt von 0,3 % auf eine Temperatur über 800°C erhitzt und dann in Wasser, Öl oder in einem Salzbad abgekühlt wird, wird eine sehr harte, aber spröde Martensit-Struktur geformt.
Die erreichte Festigkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt ab - umso mehr Kohlenstoff, umso fester der Stahl - und vom Prozentsatz des Martensits, welcher bei einer bestimmten kritischen Kühlgeschwindigkeit im Materialkern gebildet wird. Mit dünneren Bolzen aus unlegiertem Stahl kann die kritische Kühlgeschwindigkeit bis zum Kern erreicht werden. Mit dickeren Größen kann die Hitze vom Kern nicht schnell genug nach außen geleitet werden und es müssen Legierungselemente wie Bor, Magnesium, Chrom, Nickel und Molybdän beigegeben werden, die die durchgängige Verfestigung durch Reduzierung der kritischen Kühlgeschwindigkeit fördern.
Im Allgemeinen sind nach der Kühlung im Materialkern ca. 90 % Martensit vorhanden, wenn eine Stahlsorte mit dieser Durchhärtung gewählt wird. Das Kühlmittel beeinflusst ebenfalls die Kühlgeschwindigkeit. Zur Kühlung der Verbindungselemente wird überwiegend Öl verwendet, da Wasser ein zu hohes Reiß- und Deformierungsrisiko birgt, auch wenn es ansonsten effektiver wäre.
Martensit-Struktur
Anlassen
Mit zunehmender Festigkeit tritt eine Härtungsdehnung auf und die Sprödigkeit des Materials nimmt dementsprechend zu. Normalerweise muss so schnell wie möglich eine zweite Wärmebehandlung, das so genannte Anlassen, durchgeführt werden. Bei Temperaturen bis zu 200 °C wird nur die Sprödigkeit geringfügig reduziert, während die Festigkeit kaum beeinträchtigt wird. Über 200 °C (Anlassen mit hoher Temperatur) gibt es eine eindeutige Spannungsreduktion, die Härte nimmt ab und die Belastbarkeit wird verbessert.
Vergütung
Dies ist eine kombinierte Wärmebehandlung, bei der die Abkühlung direkt von einem Anlassen bei hoher Temperatur gefolgt wird (für Verbindungselemente bei Temperaturen von 340° C – 650°C). Dies ist die wichtigste und für Verbindungselemente am häufigsten benutzte Wärmebehandlung. Es entsteht ein optimaler Kompromiss zwischen einem vernünftigen Maß an Zugfestigkeit, insbesondere mit einem guten Strecklängen-/Zugfestigkeitsverhältnis, und einer ausreichenden Belastbarkeit. Dies ist für den korrekten Betrieb eines Verbindungselements unverzichtbar, da es sämtliche Arten externer Belastungen aushalten muss. Die höheren Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9 müssen daher immer vergütet werden.
Einsatzhärtung
Diese Wärmebehandlung ist ein Aufkohlungsverfahren und wird in einem Kohlenstoff frei setzenden Gas durchgeführt. An der Außenseite des erwärmten Metalls wird ein dünner, mit Kohlenstoff angereicherter Überzug angebracht, der hart und verschleißfest wird, während der Materialkern hart bleibt. Diese Wärmebehandlung wird bei Verbindungselementen wie Blechschrauben, gewindefurchenden Schrauben, Schneidschrauben und Spanplattenschrauben angewandt. Ähnliche Anwendungen sind das Karbonitrieren, der Einsatz von Kohlenstoff und Stickstoffgas, das Salzbadnitrieren und Nitrieren sowie die ausschließliche Anwendung von Stickstoffgas.
Induktionshärtung
Für spezielle Anwendungen wird in einer Hochfrequenzspule ohne Kontakt mit dem Werkstück und ohne Gasanreicherung ein verschleißbeständiger Überzug gebildet. Nach der Erwärmung wird der Stahl in Öl oder Wasser schnell abgekühlt. Diese Behandlung wird oft benutzt, um lokal bessere Festigkeits- und Beständigkeitseigenschaften eines Werkstücks zu erreichen oder um lange Werkstücke wie Gewindestangen thermisch zu behandeln.
Die Beziehung zwischen Eisen und Kohlenstoff, Wärmebehandlungen, Stahlsorten und mechanischen Eigenschaften werden in der folgenden Grafik dargestellt.
