Ein Überblick über Wärmebehandlungsverfahren: Von Metallen zu Kunststoffformen

Verschiedene Werkstoffe haben unterschiedliche Aufgaben im technischen Bereich und erfordern daher Eigenschaftsprozesse, um den erforderlichen Anforderungen zu entsprechen. Ingenieure wenden verschiedene Techniken an, um die erforderlichen Eigenschaften während des Herstellungsprozesses zu erreichen. Eines der am häufigsten angewandten Verfahren ist die Wärmebehandlung.

Die Aufgabe der Wärmebehandlung in der technischen Fertigung besteht darin, die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Teils zu verändern, bevor es der Verarbeitung oder dem Zusammenbau zugeführt wird. Durch diesen Prozess wird das entstehende Bauteil nützlicher und gebrauchsfähiger und ist sicher für den Einsatz in der Werkstatt.

Unter Wärmebehandlung versteht man in der Fertigungstechnik und der Werkstoffkunde das Erhitzen eines Werkstoffs auf eine bestimmte Temperatur, das Halten des Werkstoffs auf dieser Temperatur für eine gewisse Zeit und das anschließende Abkühlen des Werkstoffs nach einem bestimmten Muster. Dabei wird die Mikrostruktur des Materials verändert, wodurch mechanische Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Zähigkeit und Härte erreicht werden.

Die Wärmebehandlung gilt nicht nur für Metalle, sondern ist auch für die Herstellung von Guss- oder Kunststoffformen erforderlich. Sie sorgt zum Beispiel dafür, dass die Formen, die in Druckguss sind dauerhaft formstabil und widerstehen Verformungen und Rissen.

Das verarbeitende Gewerbe, die Luft- und Raumfahrt, das Baugewerbe und die Automobilindustrie sind einige der Sektoren, die ständig Wärmebehandlungen zur Verbesserung ihrer Produkte einsetzen. In der Regel werden Metalle durch Glühen, Abschrecken und Anlassen wärmebehandelt.

Wärmebehandlungsverfahren für Metalle

Die drei Wärmebehandlungsverfahren für Metalle sind Glühen, Abschrecken und Anlassen.

ANNEALING

Das Glühen ist ein anwendbares Wärmebehandlungsverfahren, das darauf abzielt, ein Bauteil in seinen physikalischen Zustand zurückzubringen. Duktilität ist sehr wichtig bei der Herstellung verschiedener technischer Komponenten wie Metallplatten, da sie ein leichteres Walzen zu dünneren Blechen gewährleistet. Manchmal werden solche Metalle jedoch hart. In manchen Fällen kommt es bei der Bearbeitung und Kaltumformung von Metallwellen oder beim Gießen zu inneren Spannungen, die zur Sprödigkeit des Materials führen können. Die Aufgabe des Glühens besteht darin, den Härtegrad zu senken und mögliche Spannungen in solchen Werkstoffen abzubauen.

Beim Glühen erhöhen die Techniker die Temperatur des Metalls knapp über die Rekristallisationstemperatur. Die Glühtemperatur sollte jedoch unter der Schmelztemperatur der Werkstoffe liegen. Die hohen Temperaturen liefern ausreichend Energie für die Wanderung der Atome innerhalb des Metallgefüges.

Die hohe Energie führt auch zur Bildung von mehr Körnern. Der Prozess führt zu einer Rektifikation der Versetzungen. Außerdem bauen die Prozesse die inneren Spannungen des Metalls ab. Beim Abkühlen erhält das Metall seine Duktilität zurück und lässt sich leicht bearbeiten.

Schritte des Annealing-Prozesses

1. Heizung: Die Erwärmung des Metalls erfolgt bei Rekristallisationstemperaturen, die je nach Metallart unterschiedlich sind. Die Rekristallisationstemperatur für Stahl beträgt zum Beispiel 500-700⁰C. Diese Erwärmung führt zu einer gleichmäßigen Temperatur in den Materialien, was zu einer Umstrukturierung der Mikrostruktur führt.

2. Einweich-/Haltezeit: Sobald das Metall die Rekristallisationstemperatur erreicht hat, halten die Techniker es für eine gewisse Zeit auf dieser Temperatur, die so genannte Weichzeit. In dieser Zeit findet eine Rekristallisation statt, die zu neuen Körnern im Mikrogefüge des Metalls führt. Infolgedessen führt der Prozess zu einer Erweichung des Metalls. Die Durchwärmungszeit hängt von der Materialzusammensetzung und -dicke ab. Die Dauer kann von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden reichen.

3. Kühlung: Die Abkühlungsphase des Metalls in der Wanne. Die Techniker sorgen für eine langsame Abkühlung in einer kontrollierten Umgebung, entweder an der Luft oder im Ofen. Durch die langsame Abkühlung verhindern die Techniker die Bildung von Spannungen und unerwünschten Phasen im Metallgefüge. Eine schnelle Abkühlung des Materials kann das Metall verhärten.

Allgemeine Metalle

QUENCHING

Im Gegensatz zum Glühen, das darauf abzielt, die Metallhärte zu beseitigen, zielt das Abschrecken darauf ab, die Metallhärte und -festigkeit zu erreichen. Beim Abschrecken erhitzen die Techniker das Metall auf eine bestimmte Temperatur und kühlen es schnell auf Raumtemperatur oder darunter ab. Die schnelle Abkühlung führt zu einer strukturellen und atomaren Neuausrichtung des Metallgefüges. Bei dieser Umwandlung handelt es sich um eine martensitische Umwandlung, und das resultierende Material ist hart.

Ingenieure können das Abschrecken mit Wasser, Öl, Luft und Spezialflüssigkeiten durchführen. Die zu verwendende Methode hängt von den Ergebnissen des abgeschreckten Metalls ab.

Die Schritte des Metallabschreckens

1. Vorbereitung des Metalls: Anhand der Materialeigenschaften wählen die Techniker die Art des Metalls aus, das abgeschreckt werden soll. Das Metall wird dann gereinigt, um Schmutz oder Ablagerungen zu entfernen, die den Abschreckprozess beeinträchtigen können.

2. Erwärmung von Metall: Metall wird in einem Wärmebehandlungsofen auf kritische Temperaturen erhitzt. Bei kritischen Temperaturen werden die Metalle unmagnetisch. Die Erwärmung erfolgt gleichmäßig, um eine gleichmäßige Härte zu gewährleisten.

3. Auswahl der Abschreckungsmedien: Es gibt eine breite Palette von Abschreckmitteln. Die Auswahl bestimmter Medien hängt von den Werkstoffen und dem Zweck der entstehenden Produkte ab. Zum Beispiel wählen Techniker Wasser als Abschreckmedium, wenn es sich um Kohlenstoffstahl handelt.

4. Abschrecken von Metall: Senken Sie das heiße Metall vorsichtig in das Abschreckmedium. Die Techniker verwenden Abschreckbecken, um eine gleichmäßige Abkühlung zu erreichen, und das vollständige Eintauchen des Metalls führt zu einer gleichmäßigen Abkühlung. 

5. Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit: Die Abkühlungsgeschwindigkeit hat einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften des Endprodukts. Schnellere Abkühlungsraten erhöhen die Härte, während langsamere Abkühlungsraten zu weicheren Materialien führen.

Auswahl der Kühlmedien

Verschiedene Abschreckmedien haben unterschiedliche Anwendungen im Abschreckprozess. Die Verwendung von Wasser kann zum Beispiel zu einer sehr schnellen Abkühlung führen. Mit seiner hohen Kühlleistung erreicht Wasser in kürzester Zeit eine hohe Härte. In den meisten Fällen verwenden die Ingenieure das Wasserabschrecken, um martensitischen Stahl zu formen. Die hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten können jedoch manchmal zu Verformungen und Rissen führen. Wasserabschreckung wird unter anderem bei Kohlenstoff- und legierten Stählen angewandt, die eine hohe Härte für Schneidwerkzeuge erfordern.

Die Ölabschreckung ist für moderate Abkühlungsraten geeignet. Die Metalle kühlen beim Ölabschrecken mäßig langsam ab, um Verzug und Rissbildung zu vermeiden. Ingenieure nutzen die Ölabschreckung, um ein Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit zu erreichen. Das Abschrecken von Öl ist jedoch riskant, da es entflammbar ist. Außerdem ist die Handhabung von Ölen unangenehm. Das resultierende Produkt hat möglicherweise nicht die maximale Härte.

Die Luftabschreckung ist für eine langsame Abkühlungsgeschwindigkeit unerlässlich. Die allmähliche Abkühlung ist wichtig für Legierungen, die sich bei schnellerer Abkühlung verformen und reißen können. Allerdings kann die Luftabschreckung nicht zur maximalen Härte führen.

TEMPERIEREN

Das Anlassen erfolgt in der Regel nach dem Abschrecken, um die Sprödigkeit des Metalls zu verringern und seine Duktilität wiederherzustellen. Beim Anlassen erwärmen die Techniker das vom Abschrecken stammende Metall wieder auf bestimmte Werte und halten es eine Zeit lang unter dem kritischen Punkt (in der Regel 150-700 °C). Anschließend erfolgt die Abkühlung an ruhender Luft auf Raumtemperatur.

Schritte

1. Heizung: Erhitzen Sie das Metall auf eine Anlasstemperatur, die zwischen Raumtemperatur und kritischen Temperaturen liegt. Kontrollieren Sie die Erwärmungsgeschwindigkeit. Zu schnelles Erhitzen kann zu Rissen führen. Verschiedene Metalle haben unterschiedliche Anlasstemperaturen. Durch das Erhitzen wird die Spannung aus dem Abschreckprozess abgebaut, während die Härte erhalten bleibt.

2. Haltezeit: Halten Sie das Metall auf der Anlasstemperatur. Die Haltezeit beträgt zwischen 30 Minuten und Stunden, je nach Verwendungszweck des Produkts und der Materialstärke. Diese Haltezeit führt zu einer Erweichung, wodurch die Sprödigkeit verringert wird, während die Härte des Materials erhalten bleibt.

3. Kühlung: Nach der Haltezeit kühlen Sie das Metall mit Luft ab. Luft garantiert eine langsame Abkühlung, wodurch die Entstehung neuer Spannungen vermieden wird.

Wärmebehandlungsverfahren für Kunststoff- und Druckgießformen

Die Haltbarkeit und Leistung von Gussformen hängt von der Auswahl der Materialien ab. Gießereiingenieure sind für die Auswahl der Materialien unter Berücksichtigung von Funktion und Struktur verantwortlich. Um die richtigen Funktionen und die richtige Struktur zu erfüllen, werden die Gussformmaterialien einer Wärmebehandlung und Oberflächenverstärkung unterzogen, um Haltbarkeit und Qualität zu gewährleisten.

Die Wärmebehandlung von Druckgießformen umfasst vier wichtige Schritte.

Vorheizen und Nachheizen

Dieser Schritt ist bei der Wärmebehandlung von entscheidender Bedeutung, da er der Form hilft, Temperaturschocks zu widerstehen. Während des Betriebs werden die Druckgussformen durch schnelle Temperaturwechsel thermischen Schocks ausgesetzt, die zu Rissen und Verformungen führen können. Beim Vorwärmen heizen die Formenbauer die Formen auf Betriebstemperatur auf, bevor das Gießen beginnt. Dieser Prozess verhindert ein vorzeitiges Versagen. Durch das Vorwärmen wird außerdem die Lebensdauer der Form verlängert und die Formstabilität während des Gießens gewährleistet.

Nach dem Gießprozess werden die Formenbauer unter kontrollierten Kühlbedingungen nachgeheizt. Das Verfahren reduziert die Bildung von inneren Spannungen, die zu Verformungen führen können.

Stressabbau

Dieser Prozess ist für Druckgussformen entscheidend. Es ähnelt dem Glühen von Metallen, findet aber in diesem Fall bei relativ niedrigeren Temperaturen statt. Außerdem zielt das Spannungsarmglühen bei Druckgussformen darauf ab, aufgebaute Spannungen abzubauen, anstatt die Formwerkstoffe zu erweichen.

Nitrieren für Formhärte

Dieses Verfahren trägt dazu bei, die Oberfläche des Formstahls zu härten, ohne die innere Oberfläche der Formwerkstoffe zu beeinträchtigen. Das Nitrieren führt zu einer verbesserten Verschleißfestigkeit und erhöht die Lebensdauer der Form.

Beim Nitrieren wird die Form in einer stickstoffhaltigen Umgebung erhitzt. Bei diesem Verfahren diffundiert der Stickstoff an die Stahloberfläche und erzeugt eine harte Nitridoberfläche.

Das Verfahrensziel ist mit dem Abschrecken vergleichbar. Allerdings liegen die Temperaturen beim Nitrieren mit 500-550 °C relativ weit unter denen des Abschreckens. Während das Abschrecken langsam vonstatten geht, benötigt das Nitrieren relativ viel Zeit, nämlich mehrere Stunden.

Die resultierende Nitridschicht ist jedoch ausgezeichnet und muss nicht nachbehandelt werden.

Vakuum-Wärmebehandlung

Dieser Prozess findet im Vakuum statt, um Oxidation und Verunreinigung der Formoberfläche zu vermeiden. Oxidation kann zu einer schlechten Oberflächengüte führen und die Form schwächen. Die Vakuumwärmebehandlung ähnelt anderen Wärmebehandlungen von Metallen, einschließlich des Glühens. Der Unterschied besteht darin, dass sie in einem Vakuum stattfindet. Sie ist teuer, aber nützlich für Präzisionsformen in der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt.

Vergleich zwischen Wärmebehandlung von Metallen und Wärmebehandlung von Formen

Schlussfolgerung

Die Aufgabe der Wärmebehandlung in der technischen Fertigung besteht darin, die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Teils zu verändern, bevor es der Verarbeitung oder dem Zusammenbau zugeführt wird. Durch diesen Prozess wird das entstandene Bauteil nützlicher und gebrauchsfähiger und ist sicher für den Einsatz in der Werkstatt. Zu den drei Wärmebehandlungsverfahren für Metalle gehören Glühen, Abschrecken und Anlassen.

Im Gegensatz zum Glühen, das darauf abzielt, die Metallhärte zu beseitigen, zielt das Abschrecken darauf ab, Metallhärte und -festigkeit zu erreichen. Verschiedene Abschreckmedien haben unterschiedliche Anwendungen im Abschreckprozess. Die Verwendung von Wasser kann beispielsweise zu einer sehr schnellen Abkühlung führen. Die Ölabschreckung ist für moderate Abkühlungsraten geeignet. Bei der Ölabschreckung kühlen die Metalle mäßig langsam ab, um Verzug und Rissbildung zu vermeiden. Auf das Abschrecken folgt in der Regel ein Anlassen, um die Sprödigkeit des Metalls zu verringern und seine Duktilität wiederherzustellen.

Die Wärmebehandlung von Druckgussformen umfasst vier wichtige Schritte: Vorwärmen und Nachwärmen, Spannungsarmglühen, Nitrieren zur Formhärtung und Vakuumwärmebehandlung. Beim Vorwärmen heizen die Formenbauer die Formen auf Betriebstemperatur auf, bevor das Gießen beginnt. Nach dem Formprozess werden die Formen unter kontrollierten Kühlbedingungen nachgeheizt. Das Verfahren reduziert die Bildung von inneren Spannungen, die zu Verformungen führen können.

Dieses Verfahren trägt dazu bei, die Oberfläche des Formstahls zu härten, ohne die innere Oberfläche der Formwerkstoffe zu beeinträchtigen. Die Vakuumwärmebehandlung ähnelt anderen Wärmebehandlungen von Metallen, einschließlich des Glühens. Der Unterschied besteht darin, dass sie in einem Vakuum stattfindet. Das Verfahren ist teuer, aber nützlich für Präzisionsformen in der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt.