Verbesserung der Eigenschaften von Werkzeugstählen durch extrem tiefe Temperaturen – Kosten „kalt“ erwischt

Verbesserung der Eigenschaften von Werkzeugstählen durch extrem tiefe Temperaturen – Kosten „kalt“ erwischt

Durch moderne Verfahrensweisen der Wärmebehandlung hat man bis heute die Eigenschaften von Werkzeugstählen immer weiter verbessert. Ist man dabei tatsächlich schon an die Grenzen des Möglichen vorgestoßen? Ein neuartiges Behandlungsverfahren, welches mit tiefsten Temperaturen arbeitet, beweist, dass das Potential vieler bekannter Materialien bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist.
 

Das Verfahren „Freeze Cycle Processing“ (FCP)

FCP ist eine Methode zur Verbesserung der Materialeigenschaften von unterschiedlichsten Werkstoffen. Über eine lange Zeit werden die Werkstoffe dabei der extrem tiefen Temperatur von flüssigem Stickstoff ausgesetzt. Speziell die Widerstandsfähigkeit gegenüber abrasivem Verschleiß wird bei vielen Stählen drastisch heraufgesetzt.
Bei der FCP Behandlung werden die Werkstoffe in einer geschlossenen, prozessorgesteuerten Anlage sehr schonend, entsprechend einem abgestimmten Temperatur-Zeit-Profil, gekühlt und geheizt.
Dem langsamen Herunterkühlen auf unter -180°C folgt eine vielstündige Haltephase bei dieser Temperatur, bis über eine ebenfalls mehrstündige Heizphase wieder Raumtemperatur erreicht wird. Das Verfahren wird abgeschlossen, indem ein bis zu dreimaliger Temperzyklus folgt, der unterhalb der bekannten Anlasstemperaturen bleibt, um die vorgegebene Härte des Materials nicht zu beeinflussen.
 

Wirkungsmechanismen

Der Prozess wurden in den USA an verschiedenen Stellen entwickelt. Einen wesentlichen Anteil stellt hier die Forschungsarbeit der NASA dar, die das Verhalten von Werkstoffen unter extremen Temperaturbedingungen z. B. Weltraum, tiefkalte Flüssigtreibstoffe, untersuchte.
Beim Freeze Cycle Processing arbeitet man über einen langen Zeitraum, computergesteuert und absolut trocken bei Temperaturen in der Nähe von 77 Kelvin, anders als bei dem sogenannten "Tiefkühlen", das auf kurzes Eintauchen in sehr kalter Flüssigkeit mit Temperaturen von nur –80 °C begrenzt ist.

Ein langsamer, kontinuierlich gesteuerter Aufwärmzyklus bringt das Material auf Raumtemperatur zurück, so dass die grundlegende Gleichförmigkeit der umgewandelten und stabilisierten Gefügestruktur erhalten bleibt. Das nachfolgende Tempern sorgt für eine Gefügestabilisierung und führt die Änderungen in einen permanenten Zustand über, so dass hier gegenüber allen Oberflächenverfahren eine einmalige Behandlung genügt.
Am intensivsten untersucht wurde bislang die Auswirkung auf die Verschleißfestigkeit von Stählen. Hier ergibt sich ein Bild der starken Abhängigkeit von Legierungsbestandteilen, wobei höher legierte Stähle besser reagieren.

Durch diese Behandlung im Tiefst-Temperaturbereich wird dem Material genug Zeit gegeben, um Gitterfehler in den Mikrokristallen „auszuheilen“, eine geordnetere Kristallstruktur aufzubauen und dabei eine Umwandlung der Mikrostruktur in ein gleichförmigeres, feinkörnigeres Gefüge zu erreichen. Hier spricht man von einer Homogenisierung des Materials. Durch mehr Korngrenzen werden die inneren Bindungskräfte gesteigert und eine gleichmäßigere Struktur im gesamten Querschnitt des Materials erzielt. Bei härtbaren Stählen wird Restaustenit nahezu vollständig in Martensit umgewandelt, Kohlenstoffausscheidungen werden gleichmäßig verteilt, und es bilden sich sehr viele, ultrafeine Metallkarbid-Partikel (h-Karbide), die anstelle der vorher vorhandenen groben Karbide diffusiv im Gefüge platziert werden.
 

Positive Resultate

FCP-behandelte Materialien haben ein dichteres Gefüge und erreichen eine höhere Standfestigkeit (keine größere Härte). Bruchempfindlichkeit und Verschleiß werden drastisch reduziert. Das Resultat sind längere Standzeiten, geringerer Wartungsaufwand, reduzierte Stillstandszeiten und eine Erhöhung der Produktionsleistung.
Verbesserte Wärmeleitfähigkeit sorgt dafür, dass bei spanenden Werkzeugen Spitzentemperaturen geringfügig abgesenkt werden, ein Effekt, der auch bei manchen Beschichtungen die Schneiden-temperatur günstig beeinflusst. Besonders bei der Bearbeitung von "problematischen" Materialien wie hochfeste oder korrosionsbeständige Stähle und Luftfahrt-Al-Legierungen kann man erheblich gesteigerte Einsatzzeiten beobachten.
Durch die Steigerung der Zähigkeit des Materials nimmt die Neigung zum Kantenbruch stark ab. Beim Tieflochbohren in Motorblöcken werden bei Chrysler kältebehandelte Bohrer eingesetzt, da diese erheblich seltener brechen.
Restspannungen im Material werden beseitigt, die Gefahr von Verzug durch Temperatureinflüsse und Bearbeitung wird geringer.
 

Einsatzgebiete

FCP wird zwar am häufigsten zur Verbesserung von Werkzeugstählen benutzt, ist aber ein "universelles" Verfahren, da Mechanismen wie das Ausheilen von Gitterbaufehlern bei (fast) allen technischen Materialien wirken. Daher liegt der größte Teil der Anwendungen bei allen Werkzeugen, die Schneiden, Bohren, Räumen oder in anderer Form Zerspanen. Auch Vollhartmetallwerkzeuge (VHM) können in ähnlicher Weise verbessert werden. Die typischen Einsatzzeiten der Werkzeuge können meist um das 2- bis 3-fache gesteigert werden. Gleiches gilt für die höherlegierten Stähle, für Schmiedegesenke und Spritzgussformen.
Durch die Verbesserung des Kristallgefüges sinkt z. B. der elektrische Widerstand von Kupfer um ca. 10%. Die zum Widerstandsschweißen eingesetzten Kupfer- und Messingelektroden werden durch bessere Leitfähigkeit leistungsfähiger und deren Standzeiten durch reduzierten Abbrand deutlich verlängert. Sogar bei High-End-Phonogeräten werden kältebehandelte Silberkabel eingesetzt, da diese ein günstigeres Signal-Rausch-Verhältnis besitzen.
 

Kosteneinsparungen

Durch die Vermeidung von Stillstandzeiten durch verschleißbedingte Werkzeugwechsel wird eine unmittelbare Einsparung bei der Produktion von Massenstanzteilen erzielt.
Mit Stanzwerkzeuge aus 1.2379 oder 1.3343 konnten nach der Kältebehandlung oftmals 3- bis 5-fache Stückzahlen gefertigt werden bis turnusmäßiges Schleifen notwendig wurde. Eine langfristige, finanzielle Entlastung des Werkzeugbaus entsteht durch weniger Schleifzyklen und die längere Lebensdauer der Werkzeuge.
 
Wann kann das Verfahren angewendet werden?
FCP ist eine Nachbehandlung, die erst nach dem normalen Härteprozess durchgeführt wird. Daher kann sie bei allen bestehenden und auch alten Werkzeugen durchgeführt werden, sofern die verwendeten Materialien und deren Wärmebehandlung bekannt sind.
Die aktuellen Untersuchungen zeigen, dass sich manchmal der messbare Erfolg erst nach dem ersten Nachschleifen von neuen Werkzeugen einstellt. Daher ist es sinnvoll, neue und alte Werkzeuge erst nach der Kältebehandlung zu schärfen, um die superfeine Schneidkante zu erhalten, die die verbesserte Leistung erbringen kann.
 

Umweltaspekte

FCP ist absolut umweltfreundlich, verursacht keine Umweltbelastung, und es entstehen keinerlei Abfallprodukte, da ausschließlich Stickstoff als Kälteträger und Inertgas benutzt wird. Das Heizen mit Strom wird in einer Ökobilanz ausgeglichen, indem die Lebensdauer von Werkzeugen verlängert wird und insgesamt nicht so oft neue Materialien verschmolzen werden müssen. Daher ist FCP ein Beispiel dafür, dass eine gute Ökobilanz und Kosten-Einsparungen nicht im Gegensatz zueinander stehen müssen.
 

Unser Angebot

Sie verwenden Führungen, Ziehsteine, Gesenke und  Werkzeuge, von denen Sie sich stets längere Standzeiten wünschen? Wir bieten Ihnen gerne die Möglichkeit an, Ihre Bauteile zu behandeln. Namhafte Unternehmen aus dem Bereich Wehrtechnik, LuR und Motorsport nutzen bereits die Möglichkeit, Bauteile mit starkem Verschleiß einer Tiefstkältebehandlung zu unterziehen. Sprechen Sie uns an, wir beraten Sie gerne!