Wärmebehandlungen für CNC-bearbeitete Teile

Wärmebehandlungen werden häufig in Verbindung mit der CNC-Bearbeitung während des Fertigungsprozesses eingesetzt, um bestimmte Eigenschaften von Metalllegierungen wie Festigkeit, Härte oder Bearbeitbarkeit zu verbessern. Wärmebehandlungen bewirken diese Eigenschaftsänderungen bei Legierungen durch Veränderung der mikrostrukturellen und chemischen Eigenschaften des Materials.

Bei der Wärmebehandlung werden Metalllegierungen auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und anschließend unter bestimmten Bedingungen abgekühlt. Die spezifische Temperatur während der Erhitzung, die Dauer der Erhitzung und die Art der Abkühlung spielen alle eine Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Eigenschaften des Materials nach der Wärmebehandlung.

 

• Glühen, Anlassen und Spannungsarmglühen

Beim Glühen, Anlassen und Spannungsarmglühen werden Metalllegierungen bei hohen Temperaturen erhitzt und anschließend sehr langsam abgekühlt. Bei diesen drei Verfahren werden unterschiedliche Temperaturen während der Erhitzungsphase sowie eine unterschiedliche Reihenfolge im Herstellungsprozess verwendet:

- Beim Glühen wird das gewünschte Gefüge durch Erhitzen der Legierung auf eine extrem hohe Temperatur und anschließendes langsames Abkühlen erreicht. Im Allgemeinen erfolgt das Glühen nach dem Umformen und vor jeder weiteren Bearbeitung, wie z. B. dem Erweichen oder der Verbesserung der Bearbeitbarkeit. Wenn keine bestimmte Art der Wärmebehandlung vorgeschrieben ist, weisen die CNC-gefertigten Teile in den meisten Fällen Eigenschaften auf, die dem Glühen entsprechen.

- Beim Anlassen werden die Teile bei Temperaturen erwärmt, die niedriger sind als beim Glühen. In der Regel erfolgt das Anlassen nach einer anderen Wärmebehandlung, dem Abschrecken, auf das wir im nächsten Abschnitt eingehen werden. Das Anlassen erfolgt nach dem Abschrecken von unlegierten Stählen (A36 und 1045) und legierten Stählen (4240 und 4140), um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern und ihre Sprödigkeit zu verringern.

- Beim Spannungsarmglühen werden die Teile auf Temperaturen erwärmt, die niedriger sind als beim Glühen. Diese Wärmebehandlung erfolgt in der Regel nach der CNC-Bearbeitung, um Spannungen aus dem Fertigungsprozess zu beseitigen. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften der Teile gleichmäßiger.

• Abschrecken

Beim Abschrecken wird das Metall extrem hoch erhitzt und dann sehr schnell durch Eintauchen in Wasser oder Öl oder durch Zufuhr von kühler Luft abgekühlt. Diese schnelle Abkühlung trägt dazu bei, die während der Erhitzung eingetretenen Gefügeveränderungen zu verfestigen. Das Endergebnis ist ein Teil mit einem hohen Härtegrad.

In den meisten Fällen werden die Teile nach der CNC-Bearbeitung abgeschreckt, weil die resultierende Härte das Metall für die Bearbeitung zu schwierig machen würde. So werden beispielsweise Werkzeugstähle nach der Bearbeitung abgeschreckt, weil sie durch die Wärmebehandlung sehr hart und haltbar werden. Darüber hinaus kann der Härtegrad durch eine Anlaßbehandlung, wie oben beschrieben, gesteuert werden. Dieses Anlassen kann die Lebensdauer des Teils verlängern, da es den Sprödigkeitsgrad verringert.

• Ausscheidungshärtung

Beim Ausscheidungshärten - auch als "Altern" bezeichnet - wird das Material zunächst stark erhitzt, dann abgeschreckt und anschließend über einen längeren Zeitraum bei niedrigerer Temperatur wieder erhitzt. Das Ausscheidungshärten zeichnet sich dadurch aus, dass sich die einzelnen Legierungselemente auflösen und somit gleichmäßig in der Metallmatrix verteilt werden.

Die Ausscheidungshärtung führt zu einer erheblichen Steigerung der Härte und Festigkeit der Legierung. Es ist wichtig zu wissen, dass nicht alle Legierungen in einem Alterungsprozess wärmebehandelt werden können. Diejenigen Metalle, bei denen dies möglich ist, werden als "Superlegierungen" bezeichnet, da sie in Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden.

• Einsatzhärtung und Aufkohlung

Einsatzhärten bezeichnet eine bestimmte Gruppe von Wärmebehandlungen für Teile, die einen hohen Grad an Oberflächenhärte erfordern, während das Innere weich bleibt. Das Einsatzhärten steht im Gegensatz zum Abschrecken, bei dem die Härte sowohl an der Oberfläche als auch im Inneren des Teils erhöht wird. Die häufigste Art des Einsatzhärtens ist das Aufkohlen.

Beim Aufkohlen werden unlegierte Stähle in einer kohlenstoffreichen Umgebung erhitzt und anschließend abgeschreckt, um den Kohlenstoff in der Metallmatrix zu verfestigen. Das Ergebnis ist eine erhöhte Oberflächenhärte der Stähle, die der Eloxierung von CNC-Aluminiumteilen ähnelt.

 

Bei Werkstoffen aus Metalllegierungen können zu verschiedenen Zeitpunkten des Fertigungsprozesses unterschiedliche Wärmebehandlungen durchgeführt werden. Bei CNC-gefrästen Teilen können Wärmebehandlungen entweder vor oder nach der CNC-Bearbeitung durchgeführt werden, wie folgt:

• Wenn die verwendete Metalllegierung leicht verfügbar ist, verwendet das CNC-Bearbeitungsunternehmen Ausgangsmaterial, das bereits vor der Bearbeitung wärmebehandelt wurde. Diese Methode ist vorteilhaft, weil sie die schnellste ist und daher die Projektvorlaufzeiten verkürzt.
• Da einige Wärmebehandlungen die Härte des Materials drastisch erhöhen, werden sie nach der Bearbeitung durchgeführt, da sonst die Bearbeitbarkeit zu schwierig ist. Ein gängiges Beispiel sind Werkzeugstahlteile, die nach der CNC-Bearbeitung wärmebehandelt werden. Wenn eine Wärmebehandlung als Nachbearbeitungsmethode eingesetzt wird, findet sie natürlich nach der CNC-Bearbeitung statt.