Aushärten

Definition

Bei bestimmten Aluminiumlegierungen (mit Kupfer und Zink oder Magnesium und Silizium) kann die Festigkeit und Härte durch eine Wärmebehandlung erhöht werden.

Der Aushärtungsprozess gliedert sich in Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern.

Grundprinzip der Ausschidungshärtung

Die Ausscheidungen müssen durch die Wärmebehandlung in einer für die gewünschte Festigkeitserhöhung geeigneten Art, Form und Verteilung erzeugbar sein.

Typischer Teilchendurchmesser bei aushärtenden Al – Legierungen sind ca. 1nm und typische Teilchenabstände 10nm – 20nm. Somit befinden sich in einem 1mm³ Legierung etwa Milliarden bis Trilliarden solcher Teilchen.

Das Ausscheiden der intermetallischen Phasen kann eine Steigerung der Härte und Festigkeit um das Doppelte bewirken.

Voraussetzungen
Es gibt verschiedene Voraussetzungen, da das Ausscheidungshärten nicht bei allen Al – Legierungen anwendbar ist:
• Die Legierung muss bei höheren Temperaturen ganz oder teilweise aus Mischkristallen bestehen.
• Mischkristalle mit abnehmender Löslichkeit für eine Komponente bei sinkender Temperatur existieren
• Intermetallische Verbindung tritt auf ( z.B. Al2Cu )
• weitere Elemente vorhanden, die den Vorgang begünstigen und den Festigkeitsanstieg stabilisieren.

Verfahrensablauf

• Lösungsglühen ( Homogenisieren)
Die Voraussetzung ist die abnehmende Löslichkeit des Mischkristalls bei tieferen Temperaturen.
Man erwärmt bis in das Gebiet der homogenen alpha- Mischkristalle; etwas unterhalb der eutektischen Temperatur; Cu ist vollständig gelöst (homogene Mischkristalle); als Anlage benutzt man Luftumwälzöfen oder Salzbad. Glühzeit richtet sich nach der Art der Legierung und nach Größe und Form der Werkstücke ( 10 min bis 5 h).

• Abschrecken
Aus der Glühtemperatur werden die Teile durch Wasser abgeschreckt. Damit wird die Mischkristallphase konserviert (unterkühlt) und die Betaphase (Al2Cu) kann sich nicht ausscheiden, Cu liegt in übersättigter Lösung vor. Die Festigkeit ist angestiegen (etwa 35-50%), jedoch kann man den Werkstoff noch verformen.

Die Kristallisation der Beta-Phase aus dem übersättigten Alpha-Mischkristall kann durch das schnelle Abschrecken noch nicht stattfinden. Es liegt ein thermodynamisch metastabiler Zustand vor. Jetzt beginnt teilweise eine feinverteilte Ausscheidung der Beta-Phase. Dieser Vorgang heißt Kaltauslagerung.

• Aushärten (Auslagern)
Es wird zwischen 2 Aushärteverfahren unterschieden:
Kaltaushärteverfahren
Bei Raumtemperatur „lagert“ man die abgeschreckten Teile. Der homogene alpha- Mischkristall wurde auf Raumtemperatur „eingefroren“. Es liegt eine instabile übersättigte Lösung vor, die nun das Gleichgewicht anstrebt. Das übersättigt in Lösung vorhandene Cu scheidet sich in Stunden bzw. in Tagen nachträglich aus. Diese Entmischung führt zu Spannungsfeldern im Gitter.
Damit ist ein erheblicher Anstieg von Härte, Zugfestigkeit und Dehngrenze verbunden.
Warmaushärten
Einige Legierungen eignen sich besser für ein Aushärten bei 120 bis 180°C (5 bis 50 h). Hierbei bilden sich mehrschichtige Atomlagen, diese führen zu einem intensiveren Anstieg der Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze. Man spricht hier von einer Ausscheidungshärtung.
Die kleinen, feinverteilten Kristalle der Beta-Phase behindern das Wandern von Versetzungen.

Werden ausgehärtete Teile wieder erwärmt, so verteilt sich das Cu wieder im Mischkristall wie in dem Zustand, der unmittelbar nach dem Abschrecken vorlag, d.h. „ Rückbildung“ der Eigenschaften.

Auch durch falsche Temperatur- und Zeitbedingungen können zu große Ausscheidungen entstehen bzw. wachsen dann die Ausscheidungen zusammen, koagulieren, und werden für eine nennenswerte Festigkeitssteigerung zu groß. Man nennt das Überalterung. In diesem Fall ist die härtende Wirkung schwach oder gar nicht vorhanden.

Ausscheidungshärten gibt es auch bei Stählen, insbesondere den hochwarmfesten Stählen. Die folgende Abbildung zeigt eine Ausscheidung bei starker Vergrößerung.

Primärausscheidungen einer Titancarbonitridphase im Hochtemperaturwerkstoff X40NiCrAlTi 32-20. (Superlegierung auf Ni-Basis, z.B. für Gasturbinen) Die tiefgeätzte Probe wurde im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Mittels Farbtontrennung wird der Kontrast besser.