Aushärtung bezeichnet in der Werkstofftechnik einen Prozess, bei dem die Härte und Festigkeit eines metallischen Werkstoffs durch gezielte Veränderungen seines Gefüges erhöht werden. Häufig ist damit die sogenannte Ausscheidungshärtung gemeint, bei der sich fein verteilte Teilchen innerhalb des Werkstoffgefüges bilden und die Bewegung von Versetzungen behindern.

Im Unterschied zur klassischen martensitischen Härtung von Stahl beruht die Ausscheidungshärtung nicht unmittelbar auf der Bildung von Martensit durch schnelles Abkühlen. Vielmehr entstehen die festigkeitssteigernden Ausscheidungen während einer anschließenden Wärmebehandlung oder durch natürliche Alterung.

Wie funktioniert die Aushärtung?

Bei der klassischen Ausscheidungshärtung wird ein geeigneter Werkstoff zunächst lösungsgeglüht. Dabei werden bestimmte Legierungsbestandteile möglichst weitgehend im Grundgefüge gelöst.

Anschließend wird das Werkstück abgeschreckt, um einen übersättigten Mischkristall zu erhalten. Durch eine nachfolgende Auslagerung bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur bilden sich fein verteilte Ausscheidungen, die die plastische Verformung erschweren und dadurch Härte und Festigkeit steigern.

Der Prozess umfasst typischerweise drei Schritte:

• Lösungsglühen: Erwärmen des Werkstoffs, um geeignete Legierungsbestandteile im Grundgefüge zu lösen.
• Abschrecken: Schnelles Abkühlen zur Erhaltung eines übersättigten Mischkristalls.
• Auslagern: Kontrollierte Bildung fein verteilter Ausscheidungen zur Steigerung von Härte und Festigkeit.

Welche Werkstoffe können ausgehärtet werden?

Die Aushärtung wird insbesondere bei Legierungen eingesetzt, deren Zusammensetzung die Bildung festigkeitssteigernder Ausscheidungen ermöglicht.

Typische Beispiele sind:

• Aluminiumlegierungen: Viele hochfeste Aluminiumlegierungen erhalten ihre mechanischen Eigenschaften durch natürliche oder künstliche Auslagerung.
• Ausscheidungshärtbare Edelstähle: Bestimmte rostfreie Stähle können durch gezielte Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit erreichen.
• Nickelbasislegierungen: Bei zahlreichen hochtemperaturbeständigen Legierungen tragen Ausscheidungen wesentlich zur Festigkeit bei.
• Kupferlegierungen: Auch bestimmte Kupferlegierungen lassen sich durch Ausscheidungshärtung gezielt verfestigen.

Ob ein Werkstoff aushärtbar ist, hängt von seiner chemischen Zusammensetzung und den möglichen Gefügeumwandlungen ab.

Was ist der Unterschied zwischen Aushärtung und martensitischem Härten?

Beim klassischen Härten geeigneter Stähle wird das Werkstück zunächst austenitisiert und anschließend ausreichend schnell abgekühlt. Dabei entsteht ein hartes, überwiegend martensitisches Gefüge.

Bei der Ausscheidungshärtung entsteht die wesentliche Härte- und Festigkeitssteigerung dagegen durch fein verteilte Ausscheidungen, die sich während der Auslagerung bilden.

Beide Verfahren verändern das Werkstoffgefüge und erhöhen die mechanische Widerstandsfähigkeit, beruhen jedoch auf unterschiedlichen metallurgischen Mechanismen.

Welche Faktoren beeinflussen die Aushärtung?

Das erreichbare Ergebnis hängt insbesondere von folgenden Faktoren ab:

• Werkstoffzusammensetzung: Art und Menge der Legierungselemente bestimmen, welche Ausscheidungen entstehen können.
• Lösungsglühtemperatur: Sie beeinflusst die Löslichkeit der Legierungsbestandteile und den Ausgangszustand des Gefüges.
• Abkühlbedingungen: Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst, wie gut der übersättigte Mischkristall erhalten bleibt.
• Auslagerungstemperatur und -dauer: Sie bestimmen Größe, Verteilung und Entwicklung der Ausscheidungen.

Eine zu lange oder zu intensive Auslagerung kann zur sogenannten Überalterung führen. Dabei wachsen oder verändern sich die Ausscheidungen, wodurch Härte und Festigkeit wieder abnehmen können.

Welche Bedeutung hat die Aushärtung in der Wärmebehandlung?

Die Aushärtung ermöglicht es, die mechanischen Eigenschaften geeigneter Legierungen gezielt einzustellen. Sie wird eingesetzt, wenn eine hohe Festigkeit, eine bestimmte Härte oder ein günstiges Verhältnis zwischen Festigkeit und weiteren Werkstoffeigenschaften gefordert ist.

Entscheidend ist die Abstimmung von Werkstoff, Temperaturführung und Behandlungsdauer. Nur so lässt sich der gewünschte Aushärtungszustand erreichen, ohne die Eigenschaften durch Überalterung oder ungeeignete Prozessbedingungen zu beeinträchtigen.