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Lösungsglühen und Auslagern: Wichtige Wärmebehandlungsprozesse für Metalllegierungen

Wärmebehandlung ist ein entscheidender Schritt in der Metallverarbeitung, der die Materialeigenschaften erheblich verbessert. Unter den verschiedenen Techniken stechen das Lösungsglühen und das Auslagern als wesentliche Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Leistung, der Hitzebeständigkeit und der Korrosionsbeständigkeit von Legierungsmaterialien hervor. Dieser Artikel befasst sich mit ihren Definitionen, Prinzipien, Anwendungen und betrieblichen Details, um eine umfassende Branchenreferenz zu bieten.

Lösungsglühen

Definition

Lösungsglühen bezieht sich auf einen Wärmebehandlungsprozess, bei dem eine Legierung in den Hochtemperatur-Einphasenbereich erhitzt, bei einer konstanten Temperatur gehalten wird, um die überschüssigen Phasen vollständig in der festen Lösung aufzulösen, und dann schnell abgekühlt wird, um eine übersättigte feste Lösung zu erhalten.

Ziele

Verbesserung der Plastizität und Zähigkeit von Stählen oder Legierungen, wodurch die Grundlage für eine Ausscheidungshärtungsbehandlung geschaffen wird.
Vollständiges Auflösen verschiedener Phasen in der Legierung zur Verstärkung der festen Lösung, Verbesserung der Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit, Beseitigung von inneren Spannungen und Erweichung des Materials für die anschließende Verarbeitung oder Umformung.

Anwendungsbereich

Es ist anwendbar für Spezialstähle, Superlegierungen, Nichteisenmetalle wie Edelstahl, Kupferlegierungen und Aluminiumlegierungen. Bei diesen Materialien verfeinert das Lösungsglühen die Kornstruktur, eliminiert ausgeschiedene Phasen von Legierungselementen und verbessert die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Beispielsweise erhalten Aluminiumlegierungen, die mit Lösungsglühen behandelt wurden, eine ausgezeichnete Plastizität und Festigkeit, wodurch sie für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilherstellung und andere Bereiche mit hohem Bedarf geeignet sind. Das Verfahren wird auch verwendet für:

Teile, die nach der Wärmebehandlung weiterverarbeitet werden müssen;
Beseitigung der Kaltverfestigung zwischen den Umformvorgängen;
Geschweißte Werkstücke.

Prinzipien

Das Kernprinzip des Lösungsglühens besteht darin, Carbide, γ'-Phasen und andere Ausscheidungen in der Matrix aufzulösen, um eine gleichmäßige, übersättigte feste Lösung zu bilden. Dies erleichtert die erneute Ausscheidung von feinen, gleichmäßig verteilten Carbiden und γ'-Verstärkungsphasen während des Auslagerns. Darüber hinaus eliminiert das Verfahren Spannungen, die durch Warm- und Kaltbearbeitung verursacht werden, und induziert eine Rekristallisation in der Legierung. Es erreicht auch eine geeignete Korngröße, um die Hochtemperatur-Kriechfestigkeit der Legierung zu gewährleisten.

Wichtige Prozessparameter

Temperaturbereich: Typischerweise 980~1250℃, ausgewählt basierend auf den Phasenausscheidungs-/Auflösungsgesetzen der spezifischen Legierung und den Serviceanforderungen.
- Hohe Lösungstemperaturen (für Legierungen, die in langfristigen Hochtemperaturumgebungen verwendet werden): Fördern größere Korngrößen zur Verbesserung der Hochtemperaturbeständigkeit und Kriechfestigkeit.
- Niedrige Lösungstemperaturen (für Legierungen, die bei mittleren Temperaturen mit hohen Anforderungen an Raumtemperaturhärte, Streckgrenze, Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit und Dauerfestigkeit verwendet werden): Gewährleisten kleinere Korngrößen.
Abkühlgeschwindigkeit: Schnelles Abkühlen wird im Allgemeinen für Legierungen mit geringer Übersättigung verwendet, während Luftkühlung für Legierungen mit hoher Übersättigung ausreicht.

Lösungsglühen für Edelstahl

Die Kohlenstofflöslichkeit in austenitischem Edelstahl ist stark temperaturabhängig. Beim Erhitzen zwischen 400℃ und 850℃ scheiden sich hochchromhaltige Carbide aus, wodurch der Chromgehalt unter den Korrosionsbeständigkeitsschwellenwert sinkt und interkristalline Korrosion verursacht wird (schwere Fälle können zu Zerstäubung führen). Um dies zu beheben, erfordert austenitischer Edelstahl, der anfällig für interkristalline Korrosion ist, eine Lösungsglüh- oder Stabilisierungsbehandlung:

Erhitzen Sie die Legierung auf etwa 1100℃, um Carbide vollständig oder teilweise aufzulösen, wodurch sich Kohlenstoff in Austenit auflösen kann.
Schnelles Abkühlen auf Raumtemperatur, um Kohlenstoff in einem übersättigten Zustand zu halten.

Bemerkenswert ist, dass sich das schnelle Abkühlen beim Lösungsglühen vom Abschrecken in gewöhnlichem Stahl unterscheidet: Ersteres ist ein Erweichungsprozess, während letzteres eine Härtungsbehandlung ist. Gewöhnliches Stahlabschrecken verwendet niedrigere Temperaturen (unter 1100℃), um bestimmte Härteniveaus zu erreichen.

Lösungsglühen für Aluminiumlegierungen

Das Lösungsglühen von Aluminiumlegierungen beinhaltet das Erhitzen von Gussteilen auf Temperaturen nahe dem eutektischen Schmelzpunkt, das Halten für eine ausreichende Dauer und anschließendes schnelles Abkühlen, um die Auflösung von verstärkenden Elementen zu maximieren und den Hochtemperaturzustand bei Raumtemperatur zu erhalten.

Kritische Kontrollfaktoren

Lösungstemperatur:
- Höhere Temperaturen beschleunigen die Auflösung von verstärkenden Elementen und verbessern die Verstärkungseffekte.
- Die obere Grenze liegt unter der Überhitzungstemperatur der Legierung; die untere Grenze gewährleistet die maximale Auflösung von verstärkenden Elementen.
- Manchmal wird stufenweises Erhitzen verwendet: Halten bei der niedrigschmelzenden eutektischen Temperatur, um Elemente aufzulösen und eutektische Strukturen zu eliminieren, dann Erhitzen auf eine höhere Temperatur zum Einweichen und Abschrecken.
- Langsame Aufheizraten verhindern Werkstückverformungen und lokale Überhitzung durch Aggregation von niedrigschmelzenden Phasen.
- Die Abschreckübertragungszeit sollte 15 Sekunden nicht überschreiten, um Elementausfällungen und Leistungsminderungen zu vermeiden.
Einweichzeit:
- Bestimmt durch die Auflösungsrate der verstärkenden Elemente, die von Legierungstyp, Zusammensetzung, Struktur, Gussverfahren und Werkstückform/-dicke abhängt.
- Gussaluminiumlegierungen benötigen längere Einweichzeiten als Knetaluminiumlegierungen.
- Sandgussteile benötigen typischerweise 20 % bis 25 % längere Einweichzeiten als Druckgussteile desselben Typs.

Typische Prozessparameter für Aluminiumlegierungen

Legierung	Lösungstemperatur (℃)	Überhitzungstemperatur (℃)	Abschreckmedium & Temperatur (℃)	Auslagerungstemperatur (℃)	Auslagerungszeit (h)	Härte (HBV)
6063 (LD31)	515-525	-	Raumtemperatur Wasser	160-200	10	≥80
6082	530	-	Raumtemperatur Wasser	170	3-4	115~120
7A03 (LC3)	470±5	-	Raumtemperatur Wasser	Zweistufig: 100±5/165±5	3/3	≥150
7A04 (LC4)	470±5	525	Raumtemperatur Wasser	Zweistufig: 120/160	3/3	140~170
7A09 (LC9)	460~470	525	Raumtemperatur Wasser	Zweistufig: 100-110/170~180	6-8/8~10	125~150
7A10 (LC10)	470±3	525	Raumtemperatur Wasser	Zweistufig: 100-110/170~180	6~8/8~10	≥130
7A52 (LC52)	460	-	Raumtemperatur Wasser	120	24	≥120

Auslagerungsbehandlung

Definition

Die Auslagerungsbehandlung ist ein Verfahren nach dem Lösungsglühen, das die Materialeigenschaften durch kontrolliertes Erhitzen, Abkühlen oder Umwelteinfluss anpasst. Sie induziert physikalische oder chemische Strukturveränderungen, um die mechanische Leistung zu verbessern oder die Produktqualität zu stabilisieren. Sie ist in Metallen, Keramiken und Polymeren üblich und wird in natürliche Auslagerung und künstliche Auslagerung unterteilt.