Wärmebehandlungen für CNC-bearbeitete Teile

Erfahren Sie, wie Wärmebehandlungen auf viele Metalllegierungen angewendet werden können, um wichtige physikalische Eigenschaften wie Härte, Festigkeit und Bearbeitbarkeit drastisch zu verbessern.

Einführung
Wärmebehandlungen können bei vielen Metalllegierungen angewendet werden, um wichtige physikalische Eigenschaften (z. B. Härte, Festigkeit oder Bearbeitbarkeit) drastisch zu verbessern.Diese Veränderungen entstehen durch Veränderungen der Mikrostruktur und manchmal auch der chemischen Zusammensetzung des Materials.

Bei diesen Behandlungen werden die Metalllegierungen auf (normalerweise) extreme Temperaturen erhitzt und anschließend unter kontrollierten Bedingungen abgekühlt.Die Temperatur, auf die das Material erhitzt wird, die Zeit, die es auf dieser Temperatur gehalten wird, und die Abkühlgeschwindigkeit haben großen Einfluss auf die endgültigen physikalischen Eigenschaften der Metalllegierung.

In diesem Artikel haben wir die Wärmebehandlungen untersucht, die für die am häufigsten verwendeten Metalllegierungen bei der CNC-Bearbeitung relevant sind.Durch die Beschreibung der Auswirkungen dieser Prozesse auf die Eigenschaften des Endteils hilft Ihnen dieser Artikel bei der Auswahl des richtigen Materials für Ihre Anwendungen.

Wann werden Wärmebehandlungen angewendet?
Metalllegierungen können während des gesamten Herstellungsprozesses Wärmebehandlungen unterzogen werden.Bei CNC-bearbeiteten Teilen werden in der Regel Wärmebehandlungen durchgeführt:

Vor der CNC-Bearbeitung: Wenn eine standardisierte Qualität einer Metalllegierung angefordert wird, die leicht verfügbar ist, bearbeitet der CNC-Dienstleister die Teile direkt aus diesem Lagermaterial.Dies ist oft die beste Option, um die Durchlaufzeiten zu verkürzen.

Nach der CNC-Bearbeitung: Einige Wärmebehandlungen erhöhen die Härte des Materials deutlich oder dienen als Endbearbeitungsschritt nach der Umformung.In diesen Fällen wird die Wärmebehandlung nach der CNC-Bearbeitung angewendet, da eine hohe Härte die Bearbeitbarkeit eines Materials verringert.Dies ist beispielsweise bei der CNC-Bearbeitung von Werkzeugstahlteilen gängige Praxis.

Gängige Wärmebehandlungen für CNC-Materialien
Glühen, Spannungsarmglühen und Anlassen
Beim Glühen, Anlassen und Spannungsarmglühen wird die Metalllegierung auf eine hohe Temperatur erhitzt und das Material anschließend langsam abgekühlt, normalerweise an der Luft oder im Ofen.Sie unterscheiden sich in der Temperatur, auf die das Material erhitzt wird, und in der Reihenfolge im Herstellungsprozess.

Beim Glühen wird das Metall auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt, um die gewünschte Mikrostruktur zu erreichen.Üblicherweise werden alle Metalllegierungen nach der Umformung und vor jeder Weiterverarbeitung geglüht, um sie weicher zu machen und ihre Bearbeitbarkeit zu verbessern.Wenn keine andere Wärmebehandlung vorgeschrieben ist, weisen die meisten CNC-bearbeiteten Teile die Materialeigenschaften des geglühten Zustands auf.

Beim Spannungsarmglühen wird das Teil auf eine hohe Temperatur erhitzt (jedoch niedriger als beim Glühen) und wird normalerweise nach der CNC-Bearbeitung eingesetzt, um die durch den Herstellungsprozess entstehenden Eigenspannungen zu beseitigen.Auf diese Weise werden Teile mit gleichmäßigeren mechanischen Eigenschaften hergestellt.

Beim Anlassen wird das Teil auch auf eine niedrigere Temperatur erwärmt als beim Glühen. Es wird normalerweise nach dem Abschrecken (siehe nächster Abschnitt) von Weichstählen (1045 und A36) und legierten Stählen (4140 und 4240) eingesetzt, um deren Sprödigkeit zu verringern und ihre mechanische Leistung zu verbessern.

Abschrecken
Beim Abschrecken wird das Metall auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt, gefolgt von einem schnellen Abkühlschritt, üblicherweise durch Eintauchen des Materials in Öl oder Wasser oder durch Aussetzen eines kühlen Luftstroms.Durch schnelles Abkühlen werden die Veränderungen in der Mikrostruktur, die das Material beim Erhitzen erfährt, „verriegelt“, was zu Teilen mit sehr hoher Härte führt.

Teile werden in der Regel als letzter Schritt im Herstellungsprozess nach der CNC-Bearbeitung abgeschreckt (denken Sie an Schmiede, die ihre Klingen in Öl tauchen), da eine erhöhte Härte die Bearbeitung des Materials erschwert.

Werkzeugstähle werden nach der CNC-Bearbeitung abgeschreckt, um ihre sehr hohe Oberflächenhärte zu erreichen.Anschließend kann ein Anlassverfahren eingesetzt werden, um die resultierende Härte zu steuern.Beispielsweise hat Werkzeugstahl A2 nach dem Abschrecken eine Härte von 63–65 Rockwell C, kann aber auf eine Härte zwischen 42 und 62 HRC angelassen werden.Das Anlassen verlängert die Lebensdauer des Teils, da es die Sprödigkeit verringert (beste Ergebnisse werden bei einer Härte von 56-58 HRC erzielt).

Ausscheidungshärtung (Alterung)
Ausscheidungshärtung oder Alterung sind zwei Begriffe, die üblicherweise zur Beschreibung desselben Prozesses verwendet werden.Die Ausscheidungshärtung ist ein dreistufiger Prozess: Das Material wird zunächst auf eine hohe Temperatur erhitzt, dann abgeschreckt und schließlich über einen längeren Zeitraum auf eine niedrigere Temperatur erhitzt (ausgelagert).Dies führt dazu, dass sich die Legierungselemente, die zunächst als diskrete Partikel unterschiedlicher Zusammensetzung erscheinen, auflösen und gleichmäßig in der Metallmatrix verteilen, ähnlich wie sich Zuckerkristalle in Wasser auflösen, wenn die Lösung erhitzt wird.

Nach der Ausscheidungshärtung erhöhen sich Festigkeit und Härte der Metalllegierungen drastisch.Beispielsweise ist 7075 eine Aluminiumlegierung, die häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird, um Teile herzustellen, deren Zugfestigkeit mit der von Edelstahl vergleichbar ist, die aber weniger als das Dreifache wiegen.

Einsatzhärten und Aufkohlen
Einsatzhärten ist eine Familie von Wärmebehandlungen, die zu Teilen mit hoher Härte auf ihrer Oberfläche führen, während die Unterlagematerialien weich bleiben.Dies wird häufig einer Erhöhung der Härte des Teils über sein gesamtes Volumen vorgezogen (z. B. durch Abschrecken), da härtere Teile auch spröder sind.

Aufkohlen ist die gebräuchlichste Wärmebehandlung beim Einsatzhärten.Dabei werden Weichstähle in einer kohlenstoffreichen Umgebung erhitzt und das Teil anschließend abgeschreckt, um den Kohlenstoff in der Metallmatrix zu fixieren.Dies erhöht die Oberflächenhärte von Stählen auf ähnliche Weise wie das Eloxieren die Oberflächenhärte von Aluminiumlegierungen erhöht.