Die Ausscheidungshärtung ist ein metallurgischer Prozess, der verwendet wird, um die Härte und Festigkeit metallischer Werkstoffe zu erhöhen. Dieser Prozess basiert auf der Bildung von feinen Partikeln (sogenannten Ausscheidungen) innerhalb des metallischen Grundgefüges. Diese Ausscheidungen behindern aufgrund ihrer von der Matrix abweichenden Kristallstruktur die Bewegung von Versetzungen. Das wiederum erhöht die Festigkeit des Materials.

Entdeckt hat die Ausscheidungshärtung Alfred Wilm – und das bereits 1906. Mehr dazu in der Geschichte des Aluminiums.

Das Verfahren wird auch als Aushärten oder Auslagern bezeichnet. Es kommt bei sogenannten „aushärtbaren“ bzw. „nicht naturharten“ Werkstoffen zum Einsatz. Das Aushärten ist ein zentraler Prozess zur Verbesserung der Festigkeit von Aluminiumlegierungen, insbesondere solchen, die Kupfer, Magnesium, Zink oder Silizium enthalten. Diese Legierungen heißen deshalb auch „aushärtbare Legierungen“. Bei ihnen ist sichergestellt, dass sie bei erhöhter Temperatur Mischkristalle bilden, die Voraussetzung für die Ausscheidungshärtung.

Mit sinkender Temperatur nimmt die Löslichkeit für ein oder mehrere Legierungselemente ab – das wird beim Aushärten genutzt. Wird die Löslichkeitsgrenze überschritten, wandelt sich der überschüssige einphasige Mischkristall durch Diffusion in eine Zweiphasenlegierung um. Die im Volumen zusammenhängende und normalerweise mit höherem Anteil auftretende Phase ist die Matrix, die andere ist die Ausscheidung.

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.

Die Geschwindigkeit und Art der Ausscheidung hängen von der Temperatur ab. Die Diffusion, also die Bewegung von Atomen, ist nämlich ebenfalls temperaturabhängig. Auf diese Weise können die Eigenschaften des Werkstücks gezielt verbessert und angepasst werden. Die Ausscheidungshärtung unterteilt sich daher in zwei Verfahren, das Kaltauslagern und das Warmauslagern.

Kaltauslagern

Legierungen vom Typ Al-Cu-Mg sind die wichtigsten kaltauslagernden Legierungen.

Der Prozess des Kaltauslagerns beginnt mit dem Lösungsglühen, auch Homogenisieren genannt. Dabei wird das Werkstück auf ca. 500 °C erhitzt, mit dem Ziel, dass sich das Kupfer im Aluminium löst.

Darauf folgt das Abschrecken. Das Aluminium wird durch Wasser schnell abgekühlt. Bei langsamerer Abkühlung würde sich das Kupfer ausscheiden. So verbleibt das gesamte Kupfer in einer übersättigten Lösung.
Die Zugfestigkeit kann in diesem Zustand bereits jetzt bis zu 40 % über dem weichgeglühten Zustand liegen. Das Aluminium lässt sich trotzdem noch gut verformen.

Der letzte Schritt ist das eigentliche Kaltauslagern bei ca. 20 °C. Nach nur wenigen Minuten macht sich die Ausscheidungshärtung bereits bemerkbar: Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze steigen an, ohne dass die Bruchdehnung abnimmt oder physikalische Änderungen z. B. der elektrischen Leitfähigkeit auftreten.

Warum ist das so?
Das Aluminiumgitter versucht das in der Lösung gehaltene Kupfer auszuscheiden. Es entstehen kupferreiche Zonen im Gitter, die Bewegungen im Gefüge blockieren. Die Festigkeit steig.

Nach 5–8 Tagen ist das Kaltauslagern abgeschlossen. Der Prozess lässt sich durch eine Temperaturerhöhung auf ca. 35 °C beschleunigen oder durch Temperaturabsenkung verlangsamen.

Warmauslagern

Die Warmauslagerung (bevorzugt bei Al-Mg-Si-Legierungen) läuft wie folgt ab:

Lösungsglühen und Abschrecken verlaufen wie in den ersten Schritten des Kaltauslagerns der Al-Cu-Mg-Legierungen.

Anschließend wird das Werkstück für eine Zeit von 4–48 Stunden, jedoch nicht bei niedrigen Temperaturen, sondern bei 120–175°C ausgelagert. Auch hier stellen sich jetzt Ausscheidungsvorgänge ein, die das Verschieben der Gitterebenen behindern: Härte, Zugfestigkeit und Streckgrenze steigen stark an. Im Unterschied zum Kaltauslagern ist der Abfall der Bruchdehnung dabei wesentlich größer. Und die Festigkeitswerte fallen nach Erreichung eines Maximums wieder ab. Deshalb ist beim Warmauslagern die Einhaltung der richtigen Zeit- und Temperaturwerte enorm wichtig, um die erwünschten Werkstoffwerte zu erhalten.

Die Ausscheidungshärtung steht grundsätzlich am Ende der Fertigung. Die Teile können jedoch im Anschluss an das Abschrecken noch verformt werden (z. B. Bleche richten, Nieten schlagen).

Eine Glühung hebt die Ausscheidungshärte auf. Aus diesem Grund dürfen ausscheidungsgehärtete Bauteile weder geschweißt noch gelötet werden. Ebenfalls ist Vorsicht geboten, wenn bei Schweißarbeiten an anderen Werkstoffen oder Bauteilen Aluminiumbauteile in der Nähe sind, da unkontrollierte Warmbehandlungsvorgänge ablaufen können.

Übrigens: Nahezu alle aushärtbaren Aluminiumlegierungen sind stark korrosionsanfällig, da die Legierungselemente die Bildung einer geschlossenen Oxidschicht behindern.