Wärmebehandlung für CNC-gefertigte Teile: Festigkeit, Härte & Leistung steigern

Es gibt viele Wege, die Eigenschaften von Metallen und ihre Reaktion auf Präzisionsbearbeitung zu verändern. Eine dieser Methoden ist die Wärmebehandlung. Wärmebehandlung beeinflusst viele verschiedene Aspekte von Metallen, einschließlich Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Zerspanbarkeit, Umformbarkeit, Duktilität und Elastizität. Sie wirkt sich auch auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften des Metalls aus, wodurch sich der Einsatz des Metalls oder die zukünftige Bearbeitung des Metalls ändert. Diese Veränderungen erfolgen durch Änderungen in der Mikrostruktur und manchmal der chemischen Zusammensetzung des Materials.

Hier untersuchen wir sorgfältig die am häufigsten verwendeten wärmebehandlungsbezogenen Metalllegierungen in der CNC-Bearbeitung und wie diese Wärmebehandlungen Teile in der Präzisionsbearbeitung beeinflussen.

Was ist Wärmebehandlung?

Viele Standard-CNC-Fertigungsbetriebe nutzen Wärmebehandlung. Hersteller können Festigkeit, Plastizität und Korrosionsbeständigkeit fertiger Komponenten verändern, indem sie Wärmebehandlungsprozesse einbeziehen.

Diese Behandlungen beinhalten das Erhitzen der Metalllegierung auf eine (meist) extreme Temperatur und anschließendes kontrolliertes Abkühlen, um den physikalischen Zustand oder die mechanischen Eigenschaften des Materials zu ändern. Die Temperatur, auf die das Material erhitzt wird, die Haltezeit bei dieser Temperatur und die Abkühlrate beeinflussen die endgültigen physikalischen Eigenschaften der Metalllegierung stark.

Teil des Design- und Engineeringprozesses ist es, festzulegen, welche physikalischen Eigenschaften für das Teil erforderlich sind, und das beste Metall zur Erfüllung dieser Anforderungen auszuwählen. Wärmebehandlung von Metalllegierungen vor oder nach der Bearbeitung kann wichtige physikalische Eigenschaften erheblich verbessern. Wärmebehandlung erhöht Härte, Festigkeit oder Zerspanbarkeit des Metalls.

Arten der Wärmebehandlung

Glühen (Annealing)

Glühen ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem das Material auf eine kritische Temperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt wird. Der Glühprozess verändert die physikalische Struktur des Materials, macht es weicher und duktiler.

Glühen ist eine Wärmebehandlungsmethode, bei der ein Metall wie Aluminium, Kupfer, Stahl, Silber oder Messing auf eine bestimmte Temperatur erhitzt und für eine gewisse Zeit gehalten wird, um eine Umwandlung zu durchlaufen, und dann an der Luft abgekühlt wird. Dieser Prozess erhöht die Duktilität des Metalls und verringert die Härte, wodurch das Metall leichter zu bearbeiten ist. Kupfer, Silber und Messing können schnell oder langsam abgekühlt werden, während Eisenmetalle wie Stahl für das Glühen immer allmählich abgekühlt werden müssen.

Glühen wird meist nach der Formung aller Metalllegierungen und vor weiterer Bearbeitung durchgeführt, um sie zu erweichen und ihre Bearbeitbarkeit zu verbessern, damit härtere Materialien nicht leicht reißen oder brechen. Wenn keine andere Wärmebehandlung spezifiziert ist, haben die meisten CNC-bearbeiteten Teile Materialeigenschaften im geglühten Zustand.

Anlassen (Tempering)

Anlassen erhitzt Teile ebenfalls, aber bei einer niedrigeren Temperatur als Glühen, meist nach dem Härten von Baustahl (1045 und A36) und Legierungsstahl (4140 und 4240). Anlassen kann verwendet werden, um Härte, Duktilität und Festigkeit von Metallen zu ändern, was sie meist leichter bearbeitbar macht. Das Metall wird auf eine Temperatur unter dem kritischen Punkt erhitzt, da die niedrigere Temperatur die Sprödigkeit verringert, während die Härte erhalten bleibt.

Spannungsarmglühen (Stress Relieving)

Spannungsarmglühen beinhaltet das Erhitzen des Teils auf eine hohe Temperatur (aber niedriger als beim Glühen) und anschließendes langsames Abkühlen. Es wird meist nach der CNC-Bearbeitung eingesetzt, um die während des Fertigungsprozesses entstehenden Restspannungen zu beseitigen. So können Teile mit konsistenteren mechanischen Eigenschaften produziert werden.

Die Spannungsbeseitigung ist eine notwendige Bedingung, um die inneren Spannungen des Materials aus dem vorherigen Fertigungsprozess zu eliminieren. Ohne Spannungsarmglühen können Teile während des Gebrauchs reißen oder die Toleranz verlieren, was schließlich zu Teilschäden führt.

Härten (Quenching)

Härten beinhaltet das Erhitzen des Metalls auf eine sehr hohe Temperatur und anschließendes schnelles Abkühlen. Meist wird das Material in Öl oder Wasser getaucht oder einem Strom kalter Luft ausgesetzt. Je nach den vom Teil geforderten endgültigen mechanischen Eigenschaften werden manchmal Polymere oder Salze verwendet. Das schnelle Abkühlen „friert“ die mikrostrukturellen Veränderungen ein, die das Material beim Erhitzen durchläuft, was zu sehr hoher Härte des Teils führt.

Teile werden meist nach der CNC-Bearbeitung als letzter Schritt im Fertigungsprozess gehärtet, um hohe Oberflächenhärte zu erreichen. Der Anlassprozess kann dann verwendet werden, um die resultierende Härte zu kontrollieren. Beispiel: Die Härte von Werkzeugstahl A2 nach dem Härten beträgt 63–65 HRC, kann aber auf 42–62 HRC angelassen werden. Anlassen verringert die Sprödigkeit der Teile und verlängert so die Lebensdauer (56–58 HRC für beste Ergebnisse).

Randschichthärten / Einsatzhärten (Case Hardening)

Einsatzhärten ist eine Reihe von Wärmebehandlungen, die zu hoher Oberflächenhärte der Teile führen, während das Innere des Materials weich bleibt. Dies ist meist besser als die Härtung des gesamten Teilsvolumens (z. B. durch Härten), da härtere Teile auch spröder sind.

Einsatzkarburieren ist die gängigste Einsatzhärtungs-Wärmebehandlung. Für Metalle mit geringem Kohlenstoffgehalt (wie Stahl) muss zusätzlicher Kohlenstoff in die Oberfläche eingebracht werden, und dann wird das Teil gehärtet, um den Kohlenstoff in der Metallmatrix einzuschließen, was die Oberflächenhärte des Stahls ähnlich erhöht wie das Eloxieren die Oberflächenhärte von Aluminiumlegierungen erhöht.

Einsatzhärten ist ein Prozess, der meist als letzter Schritt nach der Bearbeitung des Teils verwendet wird. Hohe Hitze wird mit anderen Elementen und Chemikalien kombiniert, um eine gehärtete Außenschicht zu erzeugen. Da Härten Metalle spröder macht, ist Oberflächenhärten nützlich für Anwendungen, die flexible Metalle mit haltbaren Verschleißschichten erfordern.

Wann werden Wärmebehandlungen angewendet?

Die Metalllegierung kann während des gesamten Fertigungsprozesses wärmebehandelt werden. Für CNC-bearbeitete Teile werden folgende Wärmebehandlungen üblicherweise verwendet:

Vor der CNC-Bearbeitung: Wenn eine standardisierte Güte der Metalllegierung gefordert ist, bearbeitet der CNC-Dienstleister die Teile direkt aus dem Vorratsmaterial. Dies ist meist die beste Option zur Verkürzung der Lieferzeit.

Nach der CNC-Bearbeitung: Bestimmte Wärmebehandlungen können die Härte des Materials erheblich erhöhen oder als Endbearbeitungsschritt nach der Formgebung dienen. In diesen Fällen verringert die hohe Härte die Zerspanbarkeit des Materials, daher wird die Wärmebehandlung nach der CNC-Bearbeitung durchgeführt. Beispiel: Dies ist Standardpraxis bei der CNC-Bearbeitung von Werkzeugstahlteilen.

Wie man eine Wärmebehandlung in der Bestellung spezifiziert

Bei einer CNC-Bestellung gibt es drei Wege, Wärmebehandlung anzufordern:

Referenz auf Fertigungsstandards:

Viele Wärmebehandlungen sind standardisiert und breit verwendet. Beispiel: Der T6-Indikator in Aluminiumlegierungen (6061-T6, 7075-T6 etc.) zeigt an, dass das Material ausfallsgehärtet wurde.

Geforderte Härte spezifizieren:

Dies ist eine gängige Methode zur Spezifikation von Wärmebehandlung und Oberflächenhärtung von Werkzeugstählen. Dies zeigt dem Hersteller, welche Wärmebehandlung er nach der CNC-Bearbeitung durchführen muss. Beispiel: Für D2-Werkzeugstahl beträgt die Härte meist 56–58 HRC.

Wärmebehandlungszyklus spezifizieren:

Dies erfordert fortgeschrittenes metallurgisches Wissen. Wenn Sie verstehen, wie verschiedene Wärmebehandlungen Metalle beeinflussen, können Sie den erforderlichen Wärmebehandlungsprozess spezifizieren, um die Materialeigenschaften der Anwendung gezielt zu modifizieren.