Kugelgraphitisieren

Kugelglühen ist eine Wärmebehandlung, die die harten, spröden Karbidstrukturen in Kohlenstoffstahl in kleine, abgerundete Partikel umwandelt, die gleichmäßig in der Mikrostruktur verteilt sind. Dies ändert die mechanischen Eigenschaften grundlegend: Der Stahl wird weicher, zäher und lässt sich leichter bearbeiten oder mit Handwerkzeugen verformen, obwohl er eine angemessene Festigkeit behält. Das Ergebnis wird Kugelgefüge genannt und ist die weichste, am besten zu bearbeitende Mikrostruktur, die ein Mittel- oder Hochkohlenstoffstahl haben kann.

Der Prozess beginnt mit Stahl, der typischerweise Perlit oder Zementit enthält, Gefüge mit harten, nadelförmigen oder plattenförmigen Karbiden, die in Schichten oder Netzwerken angeordnet sind. Beim Kugelglühen wird der Stahl auf eine Temperatur kurz unterhalb des unteren kritischen Punktes erhitzt (üblicherweise zwischen 650 und 700 °C für die meisten Kohlenstoffstähle) und dort über längere Zeit, oft 10 bis 20 Stunden oder mehr, gehalten. Die verlängerte Wärmezufuhr ermöglicht die Diffusion von Kohlenstoffatomen, und die lamellaren Karbide fragmentieren allmählich und runden sich zu isolierten Kugeln ab.

Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten spielen beim Kugelglühen eine geringere Rolle als bei anderen Wärmebehandlungen. Egal ob der Stahl langsam im Ofen oder an ruhiger Luft abkühlt, die kugeligen Partikel bleiben stabil. Entscheidend ist die Verweilzeit bei dieser Temperatur: Längere Wärmezufuhr erzeugt kleinere, gleichmäßigere Kugeln, die noch bessere Bearbeitbarkeit liefern. Manche Betriebe nutzen ein zyklisches Verfahren, bei dem die Temperatur um den kritischen Punkt abwechselnd erhöht und gesenkt wird, um den Prozess zu beschleunigen.

Wann und warum es verwendet wird

Kugelglühen ist am häufigsten bei Werkzeugstählen und Mittel- bis Hochkohlenstoffstählen anzutreffen, die nach der Wärmebehandlung einer umfangreichen Kaltumformung, Bearbeitung oder Kaltwalzung unterzogen werden. Ein Stab aus hartem perlitischem Stahl ist schwierig und teuer zu bearbeiten; kugelgeglühtes Material bearbeitet sich sauber mit geringerem Werkzeugverschleiß und besserer Oberflächenrauheit. Es wird auch vor Kaltschmieden oder Ziehvorgängen eingesetzt, da die gewonnene Zähigkeit das Rissrisiko senkt. Umgekehrt wird Kugelglühen nicht für Teile verwendet, die im finalen Betriebszustand hohe Härte erfordern; die Weichheit ist ein vorübergehender Vorteil während der Verarbeitung, kein erwünschter Endzustand.

Der Name stammt direkt von der Form: Kugel, was nahezu kugelförmig bedeutet. Die Karbidpartikel erscheinen unter dem Mikroskop als winzige Kügelchen statt als die langen Platten des Perlits oder die zusammenhängenden Netzwerke von primärem Zementit. Metallurgen nennen die Struktur manchmal "globular" oder bezeichnen die Kugeln als "Zementitpartikel", aber Kugelgefüge und Kugelglühen sind die Standardbegriffe in Stahlherstellung und Werkzeugindustrie weltweit.