Technische Verfahren

Kunden- und Prozess-Know-how

Bei einer Wärmebehandlung wird ein Werkstoff bzw. Werkstoffgefüge oder Bauteil kontrolliert erwärmt und ggf. wieder abgekühlt, um seine physikalischen Eigenschaften (atomare Gitterstruktur, Werkstoffgüte/-qualität etc.) gezielt zu verändern bzw. einzustellen.

Grundsätzlich unterscheidet man in der Wärmebehandlung Verfahren mit Wärmezuführung (Trocknen, Tempern etc.) und Verfahren mit Wärmeentzug (Kühlen / Abschrecken). Die Verfahren lassen sich gezielt kombinieren, um beispielsweise eine bestimmte Materialfestigkeit durch Erwärmen mit abschließendem Abschrecken einzustellen oder um eine spannungsarme Werkstoffstruktur bzw. Materialzähigkeit durch Erwärmen mit nachfolgender, langsamer Abkühlung zu erzeugen. Steuerungs- bzw. Einflussgrößen (Prozessparameter) sind dabei die Behandlungstemperatur(en), Ausmaß und Geschwindigkeit der Temperaturveränderungen (Temperaturkurve) sowie die jeweilige Verweildauer in der Ofenkammer.

Bereits seit 1969 – angefangen mit Wirbelbett-Wärmebehandlungsanlagen – ist die SCHWING-Unternehmensgruppe auf die Konstruktion kundenspezifischer Industrieöfen spezialisiert. Die folgenden Verfahren kommen heute im Bereich der Wärmebehandlung mit Anwendungstemperaturen bis 600 °C am häufigsten zum Einsatz:

Trocknen

(auch Austrocknung, Exsikkation)

Beim Trocknen wird dem Werkstoff oder Bauteil durch gesteuerte Verdunstung oder Verdampfung Flüssigkeit oder flüchtige Bestandteile entzogen. In den meisten Fällen handelt es sich um Wasser oder um ungefährliche, aber geruchsbelastende Bestandteile, die auf diese Weise auf dem Werkstoffgefüge ausgetrieben werden.

Es können aber auch Lösemittel bzw. brennnbare Stoffe entzogen werden, wodurch zum Beispiel ein Bauteil aus Kunststoff gefestigt (u.a. durch Polymerisation), ein mit Stanzöl verschmutztes Metallteil durch Abdunsten gereinigt oder eine zuvor aufgebrachte Lackschicht abgedunstet und eingebrannt werden soll.

Bei der Planung Auslegung von diesbezüglichen Trocknungsanlagen greifen die Vorgaben der DIN EN 1539 für einen sicheren Prozessablauf und für die gefahrlose Ausbringung explosionsgefährlicher bzw. brennbarer Stoffe.

Tempern

von Duroplasten, Thermoplasten, Elastomeren, Glas und galvanisierten Bauteilen

Beim Tempern wird ein Festkörper – zumeist aus Glas, Acryl (PMMA) oder anderen Kunststoffen – über einen werkstoffspezifischen Zeitraum hinweg (einige Minuten bis Tage) auf eine Temperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt, um seine Materialeigenschaften grundsätzlich zu verbessern.

Ziel ist der Ausgleich von Strukturdefekten, der Abbau interner Spannungen, die Verbesserung der Kristall- und/oder Oberflächenstruktur sowie die Erhöhung der Festigkeit bzw. Zähigkeit und der Chemikalenresistenz des Bauteils.

Anwendungsbeispiele sind hier die Herstellung von Glasprodukten und eng tolerierten Kunststoffbauteilen (Erhöhung der Maßhaltigkeit) und die Vermeidung einer Wasserstoffversprödung bei galvanisch verzinkten Oberflächen von Verbindungselementen.

Härten von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen

Werkstoffgefüge aus Kunststoffen, Verbundwerkstoffen (Composite aus GfK, GMT, CfK etc.), Silikon und Gummi werden industriell zu formstabilen Produkten für unterschiedlichste Verwendungen hergestellt. Hierzu werden diese Materialien entweder in einem Formgebungsverfahren soweit vorvernetzt, bis sich eine formstabile Gefügematrix gebildet hat, oder mittels eines Beschichtungs- oder Laminierungsverfahrens unvernetzt aufgetragen bzw. zu einem Bauteil zusammengefügt.

In dem sich anschließenden Wärmebehandlungsverfahren, dem Härten, wird durch Temperatureinwirkung die im Formgebungsprozess stattgefundene Primärvernetzung bzw. die sich noch im nicht vernetzten Zustand befindlichen aufgetragenen Kunststoffe zu einer irreversiblen, funktionsstabilen Gefügestruktur ausgebildet. Die Produkte erhalten somit durch die thermische Ausreaktion ihrer Bindemittel (Phenol-, Epoxid-, Silikonharze etc.) die erforderliche End- bzw. Gestaltfestigkeit.

Abhängig von den produkterzeugenden Werkstoffen und/oder Bindemitteln treten bei der Ausreaktion brennbare flüssige bzw. gasförmige Reaktions-/Abspaltungsprodukte auf, deren Konzentration während des Wärmebehandlungsprozesses sicher gehandhabt bzw. die sicher abgeführt werden müssen.

Bei der Planung Auslegung von diesbezüglichen Härtungsanlagen greifen die Vorgaben der DIN EN 1539 für einen sicheren Prozessablauf und für die gefahrlose Ausbringung explosionsgefährlicher bzw. brennbarer Stoffe.

Kühlen / Abschrecken

Der Entzug von Wärme bzw. thermischer Energie aus einem Werkstoff/Bauteil wird als Kühlen bezeichnet. Je nach zu erzielender Materialeigenschaft kann das Kühlen langsam oder schnell erfolgen:

  • langsame Abkühlung: Abbau innerer mechanischer Spannungen, Erhöhung von Festigkeit und Formstabilität, Vermeidung von Spannungsrissen im Material, Temperaturreduzierung für die manuelle Weiterverarbeitung
  • schnelle Abkühlung (Abschrecken in Umluft-Kühlkammer): „Einfrieren“ der wärmetechnisch erzeugten Gefügematrix, Erhöhung der Widerstandsfähigkeit des Werkstoffs/Bauteils gegenüber thermischer und mechanischer Beanspruchung

Lösungsglühen

(auch: Homogenisieren, Diffusionsglühen, Ausgleichsglühen)

Lösungsglühen ist eine Wärmebehandlung von meist metallischen Legierungen wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen. Durch das Lösungsglühen werden Konzentrationsunterschiede der Legierungselemente durch Diffusion vermindert bzw. Gefügeinhomogenitäten (Kristall-Seigerungen) aufgelöst, die Gefügestruktur homogenisiert und somit die Spannungen im Werkstück abgebaut.

Spannungsarmglühen

Durch das Härten von Werkstoffen zur Erhöhung der Materialfestigkeit kann die im Werkstoff mittels Wärme herbeigeführte Gitterverspannung auch negative Auswirkungen wie z.B. einen möglichen Materialverzug oder Härterisse im Bauteil nach sich ziehen.

Diese unerwünschten Begleiteigenschaften können bei Metallwerkstoffen / Stahl durch den i.d.R. vorgeschalteten Prozess des Spannungsarmglühens vermieden werden. Dabei werden die inneren Spannungen im Werkstoffgefüge weitestgehend abgebaut, wird eine verzugsarme industrielle Weiterverarbeitung des Werkstoffs (z.B. bei spanender oder spanloser Formgebung) ermöglicht und somit die Standzeiten von Metallwerkzeugen verlängert.

Anlassen

Anlassen bezeichnet die gezielte Erwärmung bzw. Durchwärmung eines häufig zuvor gehärteten Werkstoffs oder Bauteils unterhalb seines Umwandlungspunktes. Dabei befindet sich die atomare Gitterstruktur des Materials im gelösten Zustand, wodurch sich das Werkstoffgefüge enstpannen kann und dessen technische Eigenschaften positiv zu beeinflusst bzw. gezielt eingestellt werden können (vgl. Vorspannen von Stahlfedern).

Durch das Verfahren des Anlassens werden hauptsächlich folgende technische Eigenschaften erzielt:

  • Erhöhung der Zähigkeit eines zuvor gehärteten Metalls
  • Erzielung gewünschter optischer Effekte (z.B. Blaufärben)

 

Auslagern

(auch Warmauslagern, Ausscheiden, Ausscheidungshärtung, Aushärten)

Durch das Auslagern von Legierungen bzw. Werkstoffen mit Legierungsbestandteilen kann bei diesen Materialien bei Temperaturen zwischen 100 und 200 °C (Aluminiumlegierungen) in Verbindung mit der werkstoffspezifischen Behandlungsdauer gezielt die Dehngrenze erhöht bzw. die Festigkeit/Härte des Werkstoffs eingestellt werden.

In der Materialstruktur eines legierten Werkstoffes bilden sich durch das Lösungsglühen mit unmittelbar folgendem Abschrecken im Gefüge metastabile Phasen, die eine mechanisch nur bedingt stabile Gefügestruktur entstehen lassen. Durch das nachfolgend angewandte Auslagern werden durch die Abscheidung dieser metastabilen Phasen in einer fein verteilten Form (Ausscheiden) im Werkstoffgefüge Barrieren bzw. Begrenzungen geschaffen, die das Material am Fließen hindern bzw. den Versetzungsbewegungen entgegenwirken.

Vorwärmen (Erwärmen) / Warmhalten

Beim Vorwärmen bzw. Warmhalten werden Werkstoffe und Bauteile auf ihre Verarbeitungstemperatur erwärmt bzw. auf Temperatur gehalten und so für einen nachgelagerten Verarbeitungsprozess vorbereitet.

Im Maschinen- und Anlagenbau werden zum Beispiel Bauteile in Montageprozessen durch Aufschrumpfen (Erwärmen/Abkühlen) zusammengefügt oder zum Schweißen vorgewärmt.

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