Das Ausscheidungshärten, auch Ausscheidungshärtung oder Aushärtung genannt, ist ein Wärmebehandlungsverfahren zur gezielten Steigerung der Härte und Festigkeit metallischer Werkstoffe. Es wird insbesondere bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen, aber auch bei bestimmten Stahl-, Nickel- und Kupferlegierungen eingesetzt.

Die Festigkeitssteigerung beruht auf der Bildung fein verteilter Ausscheidungen innerhalb des Metallgefüges. Diese behindern die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter und erschweren dadurch die plastische Verformung des Werkstoffs.

Im Unterschied zum klassischen martensitischen Härten von Stahl erfolgt die wesentliche Festigkeitssteigerung beim Ausscheidungshärten nicht durch die Bildung von Martensit, sondern durch die gezielte Bildung und Verteilung kleinster Teilchen im Werkstoffgefüge.

Wie funktioniert das Ausscheidungshärten?

Das Ausscheidungshärten erfolgt bei vielen geeigneten Legierungen in drei aufeinander abgestimmten Prozessschritten:

• Lösungsglühen: Der Werkstoff wird auf eine geeignete Temperatur erwärmt, bei der sich bestimmte Legierungsbestandteile im Grundgefüge lösen. Ziel ist ein möglichst homogener Mischkristall mit den für die spätere Aushärtung benötigten gelösten Elementen.
• Abschrecken: Durch ausreichend schnelles Abkühlen wird die vorzeitige Ausscheidung der gelösten Legierungsbestandteile weitgehend unterdrückt. Dadurch bleibt ein übersättigter Mischkristall erhalten.
• Auslagern: Bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur bilden sich fein verteilte Ausscheidungen. Diese erschweren die Bewegung von Versetzungen und führen zur gewünschten Steigerung von Härte und Festigkeit.

Das Auslagern bei Raumtemperatur wird als natürliche Auslagerung bezeichnet. Erfolgt die Behandlung bei erhöhter Temperatur, spricht man von künstlicher Auslagerung.

Welche Werkstoffe eignen sich zum Ausscheidungshärten?

Das Verfahren setzt eine geeignete Legierungszusammensetzung voraus, bei der sich durch Wärmebehandlung festigkeitssteigernde Ausscheidungen bilden können.

Typische Werkstoffgruppen sind:

• Aluminiumlegierungen: Insbesondere bestimmte Aluminium-Kupfer-, Aluminium-Magnesium-Silicium- und Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen lassen sich durch Ausscheidungshärtung verfestigen.
• Ausscheidungshärtbare Stähle: Dazu gehören bestimmte rostfreie Stähle und martensitaushärtende Stähle, deren Festigkeit durch gezielte Ausscheidungsbildung gesteigert wird.
• Nickelbasislegierungen: Bei zahlreichen hochtemperaturbeständigen Legierungen tragen fein verteilte Ausscheidungen wesentlich zur Festigkeit bei.
• Kupferlegierungen: Auch ausgewählte Kupferlegierungen können durch Ausscheidungshärtung höhere Festigkeiten erreichen.

Welche Faktoren beeinflussen die Ausscheidungshärtung?

Die erreichbare Härte und Festigkeit hängen von der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffs und den gewählten Prozessbedingungen ab.

Besonders wichtig sind die Lösungsglühtemperatur, die Abkühlgeschwindigkeit sowie Temperatur und Dauer der anschließenden Auslagerung.

Bei einer optimal abgestimmten Auslagerung entsteht eine günstige Verteilung feiner Ausscheidungen, die eine hohe Festigkeit ermöglichen. Wird die Auslagerung zu lange oder bei zu hoher Temperatur durchgeführt, können die Ausscheidungen wachsen oder sich verändern.

Dieser Vorgang wird als Überalterung bezeichnet und kann zu einer Abnahme von Härte und Festigkeit führen.

Ausscheidungshärten am Beispiel Duraluminium

Ein bekanntes Beispiel für ausscheidungshärtbare Werkstoffe ist Duraluminium. Dabei handelt es sich um eine Gruppe historisch entwickelter Aluminium-Kupfer-Legierungen, die durch weitere Legierungselemente wie Magnesium ergänzt sein können.

Durch Lösungsglühen, Abschrecken und anschließendes Auslagern können die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen erheblich verbessert werden.

Duraluminium entsteht dabei nicht erst durch die Wärmebehandlung. Vielmehr handelt es sich um eine bereits vorhandene Legierung, deren Härte und Festigkeit durch Ausscheidungshärtung gezielt erhöht werden.

Welche Vorteile bietet das Ausscheidungshärten?

• Deutliche Steigerung von Härte und Festigkeit geeigneter Legierungen
• Gezielte Einstellung der mechanischen Eigenschaften durch Temperatur und Behandlungsdauer
• Hohe spezifische Festigkeit bei geeigneten Leichtmetalllegierungen
• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Maschinenbau, Fahrzeugbau und in der Luftfahrttechnik
• Anpassung der Werkstoffeigenschaften an unterschiedliche mechanische und thermische Anforderungen

Das Ausscheidungshärten ermöglicht eine gezielte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, ohne dass die Festigkeitssteigerung auf einer martensitischen Gefügeumwandlung beruhen muss. Entscheidend für ein optimales Behandlungsergebnis sind die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs und eine sorgfältig abgestimmte Prozessführung.