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Verbesserung der Eigenschaften von Werkzeugstählen
durch extrem tiefe Temperaturen – Kosten „kalt“ erwischt
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| 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. |
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| Das Verfahren „Freeze
Cycle Processing“ (FCP) |
FCP ist eine
Methode zur Verbesserung der Materialeigenschaften
von unter-schiedlichsten Werkstoffen. Über eine
lange Zeit werden die Werkstoffe dabei der extrem
tiefen Temperatur von flüssigem Stickstoff aussetzt.
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. |
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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.
vorher vorhandenen groben Karbide diffusiv im Gefüge
platziert werden.
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.
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. |
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| 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. |
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| 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 ähnlichen
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 Phono- Geräten werden kältebehandelte
Silberkabel eingesetzt, da diese ein günstigeres
Signal-Rausch-Verhältnis besitzen. |
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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. |
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| 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. |
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| 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 erschmolzen werden müssen.
Daher ist FCP ein Beispiel dafür, dass eine gute
Ökobilanz und Kosten-Einsparungen nicht im Gegensatz
zueinander stehen müssen. |
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