Ausscheidungshärtung

Die Ausscheidungshärtung ist eine Möglichkeit zum Erhöhen der Festigkeit metallischer Werkstoffe. Das Verfahren wird auch als Aushärten oder Auslagern bezeichnet.

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Grundlagen

Beim Aushärten wird ausgenutzt, dass die Löslichkeit für ein oder mehrere Legierungselemente mit der Senkung der Temperatur abnimmt. Wird die Löslichkeitsgrenze überschritten, so wandelt sich der überschüssige einphasige Mischkristall durch Diffusion in eine Zweiphasenlegierung um. Die im Volumen zusammenhängende und in der Regel mit höherem Anteil auftretende Phase wird Matrix genannt, die andere Ausscheidung. Die Art und Geschwindigkeit der Ausscheidung ist temperaturabhängig, da die treibende Kraft der Diffusion ebenfalls temperaturabhängig ist. Bei Legierungen, die bei Raumtemperatur keine Diffusion aufweisen, kann durch Abschrecken die Diffusion verhindert werden und der Mischkristall verbleibt im metastabilen übersättigten einphasigen Zustand. Durch ein anschließendes Diffusionsglühen bei 150 bis 190 °C ("Auslagern") kann nun die Diffusion nachgeholt werden. Da beim vorhergehenden Abschrecken viele Keime gebildet wurden, werden viel kleinere Ausscheidungen gebildet, die homogen im Gefüge verteilt sind. Damit können die Eigenschaften des Werkstücks gezielt eingestellt werden. Abhängig von Material und Verfahren konzentrieren sich die Ausscheidungen in bestimmter Art und Weise und behindern durch ihre von der Matrix abweichende Kristallstruktur die Bewegung von Versetzungen und steigern so die Festigkeit des Metalls. Die Ausscheidungen können kohärent, teilkohärent oder inkohärent zur Matrix sein. Kohärente Ausscheidungen befinden sich oft innerhalb eines Korns und treten bei Legierungselementen mit ähnlichen Gitterparametern auf. Legierungselemente mit abweichenden Gitterparametern scheiden sich inkohärent oft auf den Korngrenzen aus. Inkohärente Ausscheidungen können kugelförmig sein, wenn die Ausscheidung über eine relativ hohe Oberflächenenergie verfügt, oder dispergiert, wenn die Oberflächenenergie sehr gering ist.

Teilchen, die bereits während der Homogenisierungsglühung oder früher ausscheiden, werden Dispersoide genannt. Sie kontrollieren die Rekristallisation, indem sie Korngrenzenbewegungen behindern. Wegen ihres geringen Gehalts in der Legierung ist ihre Festigkeitssteigerung meist vernachlässigbar.

Ähnliche Vorgänge wie bei der Ausscheidungshärtung treten auch beim Altern und dem BH-Effekt von Stahl auf.

Weitere Möglichkeiten der Festigkeitserhöhung sind das Einlagern von Fremdatomen im Mischkristall, die Verfestigung durch Kaltumformung, die Kornfeinung sowie die diffusionslose Umwandlung (Umwandlungshärtung).

Aushärten von Aluminiumlegierungen

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Ausscheidungshärtung ist das Aushärten von Aluminiumlegierungen. Notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung für die Aushärtbarkeit einer Aluminiumlegierung ist, dass sie Kupfer, Magnesium in Kombination mit Silizium, Zink oder Lithium enthält. Ein prominentes Beispiel für die Ausscheidungshärtung ist das Duraluminium, eine Legierung aus Aluminium, 4% Kupfer und 0,5% Magnesium. Die Lösungsglühung erfolgt bei 510°C. Nach dem Abschrecken kann das Material umgeformt werden, im Gegensatz zu Stahl ist Duraluminium nach dem Abschrecken zunächst noch weich. Die Endfestigkeit wird durch Kaltauslagern oder Warmauslagern (eine Ausscheidungsglühung) erreicht. Die Aushärtung kann durch Tiefkühlung (min. -18°C) herausgezögert werden. Dies wird zum Beispiel bei Nieten aus solchen Legierungen verwendet um eine längere Verarbeitungszeit zu erreichen. Nahezu alle aushärtbaren Aluminiumlegierungen sind stark korrosionsanfällig, da die Legierungselemente die Bildung einer geschlossenen Oxidschicht behindern.