Alterung von Metall, Arten, künstlich, natürlich, wie es passiert und wovon es abhängt

Alterung von Metallen ein ziemlich langsamer Prozess, der zu mechanischen Veränderungen und Änderungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften führt.

An Alterung von Metallen wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter:

• thermische Bewegung von Atomen und Molekülen;
• mechanische Einwirkungen (verschiedene Belastungen auf Biegung/Druck/Reißen usw.);
• Lichtstrahlung (insbesondere für den Menschen unsichtbare Strahlung);
• Magnetfeld (Magnetisierung/Entmagnetisierung) usw.

Das Wesentliche bei der Alterung von Metallen ist, dass ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, in dem die Eigenschaften des Metalls von der Norm abweichen. Insbesondere kann das Material weicher, spröder, weniger elastisch usw. werden.

Arten der Metallalterung

Man unterscheidet zwischen natürlicher und künstlicher Alterung.

Künstliche Alterung von Metall ist die schnelle Erlangung der gewünschten Zusammensetzung und Eigenschaften. Künstliche Alterung wird durch Wärmebehandlung und plastische Verformung erreicht. Beispielsweise wird bei der Herstellung von Duraluminium dieses mehrere Stunden künstlich gealtert.

Die natürliche Alterung erfolgt auf natürliche Weise und erfordert keine zusätzlichen Bedingungen. Der Prozess ist jedoch bei längeren Zeiträumen und Temperaturen um 20 °C intensiver.

Anwendung von Alterungsprozessen in der Metallurgie und Metallverarbeitung

Die Alterung wird als abschließende Zusatzbehandlung eingesetzt. Sie wird bei bestimmten Metallen und Legierungen angewendet, bei denen eine übersättigte feste Lösung überschüssige Komponenten ausscheiden und sich mit der Zeit spontan zersetzen kann. Diese Methode eignet sich besonders zur Vorbereitung von Materialien für die Herstellung einzelner Komponenten und Teile, für die der oben beschriebene Prozess entscheidend ist.

Nach der Alterung nehmen Härte und Festigkeit des Metalls zu, seine Viskosität und Duktilität nehmen jedoch ab. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Werte während der gesamten Lebensdauer des Materials erhalten bleiben.

Die Alterung von Stahl dient der Veränderung der inneren Struktur und wird nach dem Abschrecken durchgeführt. Die entstehende feste, mit Stickstoff und Kohlenstoff gesättigte Ferritlösung zersetzt sich beim Erhitzen. Abhängig vom Volumen der Kohlenstoffeinschlüsse im „alternden“ Material nimmt die innere Struktur folgende Formen an:

• kubisch;
• kugelförmig;
• scheibenförmig (in Form dünner Platten);
• nadelartig.

Eine Wärmebehandlung (künstliche Alterung von Metall) wird bei Legierungen angewendet, bei denen die Löslichkeit eines Elements im festen Zustand deutlich reduziert ist. Diese Eigenschaft wird mit sinkender Temperatur stärker ausgeprägt.

Bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (maximal 0,05%) führt die künstliche Alterung zur Zersetzung der übersättigten festen Alpha-Lösung. Dadurch scheiden sich überschüssige Phasen aus. Nach einer solchen Behandlung nimmt die Duktilität ab, Härte und Festigkeit nehmen jedoch deutlich zu. Genau diese Eigenschaften werden im fertigen metallurgischen Produkt oft gefordert.

Orowans Modell

Die Abbildung zeigt das Orowan-Modell, das die Versetzungsbewegung deutlich veranschaulicht. Der maximale Effekt kann durch natürliche Alterung erreicht werden. Dies erfordert jedoch einen erheblichen Zeitaufwand, der weder kosteneffizient noch für eine kontinuierliche Massenproduktion praktikabel ist (es ist nicht vergleichbar mit dem Absetzen von Wein oder Cognac in Fässern). Daher gibt es künstliche Methoden, um diese natürlichen Prozesse zu beschleunigen (schade, dass dies bei Whisky nicht möglich ist). Es ist jedoch zu beachten, dass die künstliche Alterung die Festigkeitseigenschaften des Materials erheblich verringert.

Härte abhängig von der Alterungszeit

Die dargestellte Grafik verdeutlicht das oben beschriebene Problem: Eine Verkürzung der Alterungszeit des Metalls führt nicht zu einer Verbesserung seiner Festigkeitseigenschaften.

Der Alterungsprozess hängt maßgeblich von Kohlenstoff und Stickstoff ab. Dies ist besonders bei kohlenstoffarmen Stählen spürbar. Stickstoff löst sich in Alpha-Eisen mit sinkender Temperatur weniger leicht. Beispielsweise beträgt der gelöste Stickstoffgehalt bei 590 °C 0,11 TP3T, bei 20 °C sinkt er jedoch auf 0,0041 TP3T. Während der Alterung setzt die Alpha-Lösung Nitride frei. Daher ist die Wirkung von Stickstoff unter thermischen Einflüssen weniger ausgeprägt als die von Kohlenstoff.

Mit steigendem Kohlenstoffgehalt im Stahl nehmen die durch die Wärmebehandlung hervorgerufenen Strukturveränderungen zu. Die maximale Menge an Kohlenstoff, die sich in Alpha-Eisen lösen kann, beträgt 0,02–0,041 TP3T. Mit diesem Gehalt weist ein abgeschrecktes, natürlich gealtertes Produkt eine anderthalbmal höhere Härte auf als nach dem Glühen.

Die primäre Methode zur Erhöhung der Festigkeit hitzebeständiger Legierungen (Nickellegierungen) ist die Alterung. Zu dieser Gruppe gehören auch Legierungen auf Aluminium-, Kupfer- und Magnesiumbasis. Darüber hinaus verleiht die veränderte Struktur dieser Metalle und Legierungen deren Koerzitivfeldstärke.

Aluminium und Aluminium-Kupfer-Legierungen unterliegen aufgrund unterschiedlicher Gefügezersetzungstemperaturen verschiedener Metalle bei unterschiedlichen Temperaturen (über 100 °C) einer Zersetzung. Man unterscheidet daher zwischen Gefügezersetzung bei niedrigen und hohen Temperaturen.

Die Zersetzung einer festen Lösung erfolgt auf zwei Arten. Im ersten Fall erfolgt die Bildung und das Wachstum von Phasenpartikeln im gesamten Volumen. Im zweiten Fall ist die Zersetzung diskontinuierlich (zellulär). Dabei wachsen die Zellen in Kolonien. Kolonien haben eine zelluläre Struktur, und das Wachstum erfolgt von der Korngrenze nach innen, wobei die Größe abnimmt.

Mechanische und thermische Alterung

Es gibt zwei Arten der Metallalterung: thermische und mechanische. Sehen wir uns beide genauer an.

Thermische Alterung

Die Phase, die das Metall während der Wärmebehandlung verfestigt, erreicht ihren maximalen Punkt. Hier tritt die metastabile Lösungsphase in der Guinier-Preston-Zone auf. Diese Art der Verfestigung von Metallen und Legierungen wird allgemein als Dispersionshärtung bezeichnet.

Abhängigkeit der Festigkeit von Alterungszeit und -temperatur

Bei längerer Einwirkungszeit beginnt die Überalterung, also eine Verringerung der Festigkeitseigenschaften. Beeinflusst wird dies durch:

• Gerinnung;
• teilweiser Ersatz von Partikeln durch inkohärente.

Arten der thermischen Alterung von Metall:

• Zweistufig – Abschrecken, dann Halten bei der Substitutionstemperatur und dann Halten bei erhöhter Temperatur, um die Homogenität der festen Lösung zu erreichen.
• Abschrecken – Abschrecken und eine Haltephase mit natürlicher Abkühlung.
• Natürlich – für Aluminiumlegierungen.
• Künstlich – für Legierungen aus Nichteisenmetallen durch Erhitzen auf eine höhere Temperatur als die bei der natürlichen Zerstörung verwendete.
• Stabilisierung – hohe Alterungstemperatur und lange Haltezeit tragen dazu bei, die Abmessungen und Eigenschaften des Teils zu erhalten.

Mechanische Alterung von Metall

Die Zerstörung von Stahl durch Verformungskräfte erfolgt im Temperaturbereich unterhalb des Rekristallisationsprozesses. Ursache hierfür ist die Bildung und Bewegung von Versetzungen. Durch Kaltverformung erhöht sich die Versetzungsdichte, die mit zunehmender Belastung weiter zunimmt.

Die veränderten mechanischen Eigenschaften des Metalls führen dazu, dass sich Kohlenstoff- und Stickstoffatome in Richtung der Versetzungen in der Alpha-Lösung bewegen. Beim Erreichen der Versetzungen bilden die Atome Wolken (Cottrell-Atmosphären). Diese Cluster behindern die Bewegung der Versetzungen, was zu einer Veränderung der Eigenschaften führt. Es treten die typischen Eigenschaften wärmegealterter Teile auf.

Während Stickstoff, Nickel und Kupfer den Alterungseffekt der Verformung erheblich beeinflussen, wird dieser Effekt durch die Zugabe von Vanadium, Titan und Niob vollständig eliminiert. Daher wird empfohlen, Stahl mit einem Aluminiumgehalt von 0,02–0,071 TP3T zu verwenden.

Empfohlene Modi für das Altern

Wärmebehandlung:

• bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt: Temperatur von ca. 130°C–150°C, Haltezeit von ca. 25–30 Stunden;
• für Nichteisenmetalllegierungen: Temperatur ca. 250°C, Haltezeit ca. 1 Stunde.

Kunststoffverarbeitung:

• für einen natürlichen Prozess: Temperatur von etwa 20°C;
• für künstlichen Prozessablauf: Temperatur ca. 250°C, Haltezeit ca. 1 Stunde.

Die Heiztemperatur und Haltezeit werden für jede Metall- und Legierungssorte individuell und abhängig von ihrer Zusammensetzung gewählt.