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Messer: Mit flüssigem Stickstoff Stahl nachhärten Restaustenit effizient umwandeln

| Redakteur: Konrad Mücke

Um verschleissfeste und formstabile Bauteile aus Stahl zu erhalten, muss der Restaustenit im Werkstoff nach dem Härten möglichst vollständig umgewandelt werden. Dies gelingt besonders effizient mit einer Behandlung bei Temperaturen bis –150 °C.

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Das direkte Einspeisen von flüssigem Stickstoff sorgt für kurze Zykluszeiten und sichere Prozessführung.
Das direkte Einspeisen von flüssigem Stickstoff sorgt für kurze Zykluszeiten und sichere Prozessführung.
(Bild: Messer)

Stahl zu härten, erfordert, den Kohlenstoffanteil zunächst bei hohen Temperaturen im Austenit zu lösen und das Werkstück anschliessend in flüssigem Öl abzuschrecken. Dabei verändert sich die Kristallstruktur. Der gelöste Anteil an Kohlenstoff, die Härtetemperatur und das Abschreckmedium bestimmen die Art der Veränderung sowie die Eigenschaften des gehärteten Stahls bei Raumtemperatur.

Klassische Verfahren aufwendig

In der Praxis werden die Härteöle meistens konstant auf Temperaturen von 50 °C bis 70 °C gehalten, um die Wärmebehandlung bezüglich der Härte und Formstabilität reproduzierbar zu machen. Bei diesen Temperaturen wird der Austenit während des Abschreckens jedoch nicht vollständig in Martensit umgewandelt. Bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt über 0,5 Gewichtsprozent kann die Bildung von Martensit beim Abschrecken auf Raumtemperatur nicht vollständig erfolgen. Das ist allerdings für die Stahlqualität entscheidend, speziell bei Werkzeugstahl für Schneidwerkzeuge und für Gussformen mit kleinen Konturen. Nur der vollständig umgewandelte Stahl erweist sich als verschleissfest und konturstabil.

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Eine weitreichende Umwandlung wird bislang mit langwierigem wiederholtem Erwärmen und Abkühlen erreicht. Bis zu 20 Volumenprozent kann der Anteil an Restaustenit im Stahl nach dem Härten noch betragen. Restaustenit wirkt sich aber negativ auf Masshaltigkeit, Verschleissbeständigkeit, Härte sowie Verarbeitungsfähigkeit aus. Er ist auch unter dem Aspekt der Sicherheit unerwünscht. Sein Anteil im Stahl muss also unbedingt reduziert werden.

Die diffusionslose und exotherme martensitische Umwandlung beginnt mit einer Keimbildung von Martensit an Gitterdefekten im Austenit (Versetzungen, Korngrenzen). Das Volumen nimmt nach der Umwandlung um drei bis vier Prozent zu. Je nach chemischer Zusammensetzung der Legierung stellt sich ein spezifischer Gehalt an Restaustenit ein. Der endgültige Umwandlungsgrad wird von dem angewendeten Kühlprofil massgeblich bestimmt. Wie viel Restaustenit im Werkstoff verbleibt, bestimmen zahlreiche Faktoren. Im Ofen spielen die Härte­temperatur und die Haltezeit sowie der Kohlenstoffpegel der Ofenatmosphäre eine Rolle. Beim Abschrecken bestimmen neben den Parametern der Werkstücke (Werkstoffe, Geometrie und weitere) das Härteöl, die Öltemperatur, die Abschreck­geschwindigkeit und die Ölwälzung den Prozess. Im Entnahmezyklus der Charge sind Tauchzeit, Abtropfzeit, Abschreckraumtemperatur, Lager- und Abkühlzeit von Bedeutung. Im Reinigungszyklus sind es die Temperatur der Reinigerlösung, die Parameter einer Dampf- oder Sprühbehandlung, die Trocken- und die Gesamtzykluszeit.

Bei –150 °C vollständig umwandeln

Das Tieftemperaturverfahren ermöglicht dagegen eine umfassendere Umwandlung des Restaustenits. Es ist reproduzierbar. Zudem benötigt es – im Vergleich zum klassischen Verfahren – deutlich weniger Energie und verkürzt die Durchlaufzeiten. Ein zusätzliches Abkühlen der gehärteten Bauteile auf bis zu –150 °C fördert die Umwandlung von Restaustenit in Martensit oder macht sie bei bestimmten Legierungen und Legierungsanteilen überhaupt erst möglich. Die gehärteten Bauteile werden in Kältekammern definiert abgekühlt und anschliessend wieder erwärmt. Dabei betragen die Temperaturen – abhängig von den jeweiligen Legierungen und Forderungen an Härte und Beständigkeit – meist zwischen –80 °C und –120 °C. Diese Prozedur sollte möglichst nach dem Härten und mehrmals erfolgen. Die Martensit-Finishtemperatur (Mf) ist dabei entscheidend. Sie zeigt an, bei welcher Temperatur ein zu erwartender Umwandlungsgrad erreicht ist.

Flüssiger Stickstoff in Kältekammer

Beim Tieftemperaturverfahren wird flüssiger Stickstoff in den Kühlraum einer Kältekammer eingespritzt. Dort verteilen Ventilatoren das tiefkalte Gas, damit es gleichmässig auf die eingelegten Werkstücke einwirken kann. Der gesamte Ablauf aus Kühlen und Wiedererwärmen wird in modernen Anlagen, wie den Cryogen®-Kältekammern von Messer, vorprogrammiert und zentral geregelt, sodass alle Parameter für die Aushärtung des Stahls exakt eingehalten werden. Dazu gehören die Geschwindigkeit und die Dauer der Abkühlung, die Haltezeit einer vorgegebenen Temperatur sowie die Geschwindigkeit und Dauer des Erwärmens. Das geregelte Erwärmen hat den Vorteil, dass der gesamte Prozess in der Box ohne Luftzutritt stattfindet und eine Vereisung der Charge nicht auftreten kann. Ein weiteres Plus ist der schnelle Übergang von der Haltetemperatur zur Umgebungstemperatur, der die Prozesszeit erheblich verkürzt. Stickstoff und Energie werden in modernen Kühlkammern ebenfalls sehr effizient eingesetzt. Für 1 kg schwere Bauteile genügt weniger als 1 kg flüssiger Stickstoff. Mit einer mit Vakuum isolierten Rohrleitung zum Zuführen des Stickstoffs vom Behälter zur Kühlanlage kann der Energiebedarf weiter verringert werden. Eine möglichst kurze Verrohrung ist vorteilhaft und sollte somit bei der Projektierung der Gesamtanlage berücksichtigt werden.

Sicheres, ausgereiftes Verfahren

Kältekammern des Gas- und Anlagenherstellers von Messer ermöglichen eine effiziente und reproduzierbare Kältebehandlung, in der die spezifischen Kundenvorgaben exakt verwirklicht werden können. Sie zeichnen sich durch hohe Kühlleistung und Betriebssicherheit aus. So wird etwa beim Öffnen der Kammer die Zufuhr des Kühlmediums automatisch abgesperrt. Alle Kältekammern werden anschlussfertig geliefert. Das beschleunigt und vereinfacht deren Inbetriebnahme am gewünschten Aufstellort. Zudem können die Kältekammern schnell und problemlos an einem anderen Ort bei minimalem Installationsaufwand aufgestellt werden.

Die Einspeisung von Flüssigstickstoff ermöglicht einen sehr effizienten und kostengünstigen Betrieb. Sie sorgt für schnelles Erreichen der Kühltemperatur und für einen gleichmässigen Temperaturverlauf. Zugleich ist ein sehr schneller Temperaturwechsel und eine Aufwärmung für einen raschen Chargenwechsel möglich. Eine prozessorgesteuerte Temperaturregelung ermöglicht, die Abläufe exakt zu steuern. Die hochwertige Konstruktion der Kammern sorgt für deren lange Lebensdauer. Die Kammern eignen sich für hohe Nutzlasten. Nicht zuletzt kann auch die Kapazität des Stickstoff-Vorratsbehälters genau auf den jeweiligen Bedarf ausgelegt werden. Experten von Messer ermitteln mit Anwendern die geforderte Produktqualität und erarbeiten geeignete Konzepte. Die Analyse der Prozesse und das Ermitteln des Verbesserungspotenzials sind Grundlage für die Planung und Auslegung der Kältebehandlung. Nach der Verfahrenseinführung sind die dauerhafte Betreuung und der Service ein fester Bestandteil der Zusammenarbeit.

Qualität der Bauteile verbessert

Das Verfahren mit tiefen Temperaturen ist nicht nur besonders wirtschaftlich, es steigert auch die Qualität. Beim Vergleich der Lebensdauer von Schneidstählen zur Holzbearbeitung wird der Nutzen der Kälte messbar. Ein österreichisches Unternehmen hat Werkzeugstahl (Industriemesser zum Entfernen von Baumrinde) mit und ohne anschliessende Tieftemperaturbehandlung verglichen. Die Haltetemperatur betrug –150 °C. Das reduzierte die Druckspannungen im Schneidmesser und liess besonders feine Nadeln aus Martensit entstehen. Diese Gefügestruktur erweist sich als besonders widerstandsfähig. Die Schneidmesser bleiben lange Zeit scharf. Die Lebensdauer von Werkzeugstählen, die eine Tieftemperaturbehandlung erfahren, wird ebenfalls deutlich erhöht.

Das Gleiche gilt für Werkstücke, bei denen die Genauigkeit von filigranen Konturen eine entscheidende Rolle spielt. Gussformen für Joghurtbecher zum Beispiel müssen äusserst genau sein. Schon kleine Abweichungen in Konturen können beim Vorbereiten, Befüllen und Etikettieren den Prozess stören. Die Tieftemperaturbehandlung steigert die Beständigkeit gegen Verschleiss und sorgt dafür, dass die Bauteile ihre Konturen über lange Zeit beibehalten. Das verringert die Gesamtkosten beim Herstellen von Formen und Werkzeugen. Vorteilhaft ist zudem, dass sich bei tiefen Temperaturen behandelte Stähle besser bearbeiten lassen. Bei der Kältebehandlung kommt es auf die Abkühlgeschwindigkeit, die Temperatur und ihre Verteilung, die Haltezeit, das Aufheizen und das Anlassen an. Um reproduzierbare Qualität zu erzielen, ist eine Behandlungsvorschrift unerlässlich, die einen Arbeitsplan sowie die Kontrolle des Prozessablaufes und der Endqualität umfasst.

Vorteilhaft bei grossem Produktspektrum

Die Vorteile der Tieftemperaturbehandlung lassen sich bei einer Vielzahl an Werkstücken und Anwendungen nutzen. Das betrifft beispielsweise einsatzgehärtete Einspritzdüsen. Die Kältebehandlung verbessert deutlich deren Beständigkeit gegen Verschleiss. Gleiches gilt für im Vakuum gehärtete Gleitlagerringe und Klingen für Rasierapparate. Diese sind länger nutzbar. Das verringert den Aufwand und die Kosten für Wartung und Ersatzteile. Bei Spezial-Faltenbälgen nutzen Anwender vor allem den Vorteil der verbesserten Sicherheit. Dieser Aspekt steht – neben der Lebensdauer – auch bei Schutzketten für Reifen von Grossfahrzeugen im Vordergrund. - kmu - SMM

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