Wärmebehandlung

Charakterisierung Wärmebehandlung

Wärmebehandlung: Gezielte Veränderung von Werkstoffeigenschaften

Die Wärmebehandlung ist ein Verfahren bzw. die Kombination mehrerer Verfahren zur Behandlung von metallischen Werkstücken. Dazu werden die Werkstücke, zumeist Stähle, zeitlich begrenzt auf bestimmte Temperaturen erwärmt. Unter Beachtung der Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten können Werkstoffeigenschaften verändert und zielgerichtet verbessert werden. Dabei können umgebende Mittel Änderungen zum Beispiel des Kohlenstoff- oder Stickstoffgehaltes herbeiführen.  Bei den Wärmebehandlungsprozessen sind die Einflussfaktoren Zeit (Erwärmungs- und Haltezeit), Temperatur, Atmosphäre und Abschreckung bzw. Abkühlung von entscheidender Bedeutung.

In der Wärmebehandlung wird grundsätzlich unterschieden zwischen Verfahren, die eine durchgreifende Gefügeumwandlung bewirken und Verfahren die lediglich eine Umwandlung an der Oberfläche eines Werkstückes verursachen. Zu den erstgenannten Verfahren gehören zum Beispiel das Glühen und das Härten, d.h. die thermischen Verfahren. Letztgenannte zählen zu den Diffusions- und Beschichtungsverfahren bzw. zu den thermochemischen Verfahren (z. B. Aufkohlen, Einsatzhärten, Nitrieren, Borieren).

Die Mechanismen der Wärmebehandlung sind bei unterschiedlichen Werkstoffgruppen, z.B. Aluminium verglichen mit Stahl, sehr verschieden. Daher muss stets auch die Werkstoffgruppe berücksichtigt werden.

Typische Aufgabenstellungen bei der Wärmebehandlung

Abb. Mikrostruktur Martensit
Mikrostruktur Martensit

Typische Aufgabenstellungen bei der Wärmebehandlung sind:

  • Abbau von Spannungen oder Verfestigungen im Bauteil, z.B. als Zwischenschritt in der Kaltumformung
  • Gezielte Einstellung der Werkstoff- und Bauteileigenschaften wie z.B. Härte, Zähigkeit und Zugfestigkeit, Verschleißfestigkeit, die für ihren späteren Einsatz erforderlich sind
  • Erzielung von besondere Qualitäten, die mit herkömmlichen Verfahren nicht oder nur schwer zu erzielen sind
  • Einstellung von lokal unterschiedlichen Bauteileigenschaften

Zielsetzung ist häufig die Steigerung der Lebensdauer eines Bauteils oder eines Werkzeugs und damit die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit. Zunehmend gibt es aber auch Bauteilanforderungen, die sich ohne die gezielte Einstellung der Werkstoffeigenschaften durch Wärmebehandlung nicht erfüllen lassen.

Wärmebehandlung simulieren

Abb. Wärmebehandlung einer Generatorwelle (Quelle: Saarschmiede)
Wärmebehandlung einer Generatorwelle (Quelle: Saarschmiede)

Warum ist es sinnvoll, die Wärmebehandlung zu simulieren?

Bei der Simulation der Wärmebehandlung geht es in erster Linie um die Vorhersage von Werkstoffeigenschaften (englisch: Prediction of Material Properties = PreMaP), die durch die Wärmebehandlung erzielt werden. Daneben kann aber auch die Vorhersage der mit der Wärmebehandlung einhergehenden Verzüge von Interesse sein.

Wird ein hochlegierter Werkzeugstahl falsch wärmebehandelt, kann er schlechtere technologische Eigenschaften haben, als ein niedrig legierter Stahl, welcher richtig wärmebehandelt wurde. Ein hochwertiger, korrekt wärmebehandelter Werkzeugstahl wird dagegen immer bessere Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungsfall aufweisen. Um qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen, ist eine effiziente Steuerung dieser energieintensiven Prozesse notwendig. Diese beinhaltet den sinnvollen Einsatz von Steuer-/Regelungselementen, Brennertechnologie und eine abgestimmte Kombination verschiedener Feuerfestprodukte (wie Feuerleichtsteine und Hochtemperaturwolle).

Die Wärmebehandlung ist ein energieintensiver Prozess; daher kann die simulationsgestützte Prozessoptimierung allen Unternehmen, die Wärmebehandlung als Teilprozess in der Fertigung einsetzen, ein großes Einsparpotenzial erschließen. Das gilt in besonderem Maße für Lohnhärter, die sich als Dienstleister auf die Wärmebehandlungstechnik spezialisiert haben.

Die Prozesssimulation reduziert den experimentellen Aufwand bei der Prozessauslegung und ‑optimierung. Es werden weniger Prototypen für Versuche benötigt, die aufwändige zerstörende Werkstoffprüfung und Schliffbilderstellung entfällt. Typische Wärmebehandlungsfehler, wie zu hohe oder zu geringe Durchhärtung, Rissgefahr durch die entstehenden Eigenspannungen oder übermäßiger Verzug, werden mit der Prozesssimulation erkannt bevor sie gemacht werden.

Unsere Lösung für die Wärmebehandlung

Das Modul Heat Treatment in Simufact Forming

Für die Beschreibung des Wärmebehandlungsprozesses stellt Simufact Forming mit dem Modul Heat Treatment einen eigenen Prozesstyp zur Verfügung, der eine einfache und übersichtliche Definition der erforderlichen Parameter erlaubt. Für globale und lokale Aufheiz- und Abkühlvorgänge können, auch kombiniert, flexibel veränderliche Zeiten, Temperaturen und Wärmeübergangskoeffizienten vorgegeben werden. Damit ist es möglich, einfach und übersichtlich vollständige Wärmebehandlungszyklen bestehend aus Aufheizen, Halten, Transport, Abkühlen, Pausieren, erneuten Aufheizen, Halten, Transport und Abkühlen in einem Prozess zu simulieren.

Die für die Berechnung erforderlichen Materialparameter können über Programme unserer Partner Sente Software (JMatPro) und GMT (MatILDa) erzeugt werden. Beispielhafte Materialdaten sind im Softwaremodul enthalten.

Nutzen Sie die Vorteile von Simufact Forming für Ihre Wärmebehandlungsprozesse:

Freiformgeschmiedete Welle bei der Wärmebehandlung.
  • kürzere Entwicklungszeiten
  • umfassendes Prozessverständnis
  • höhere Prozessstabilität und -qualität
  • Vorhersage der Bauteileigenschaften
  • Vermeidung von Härterissen
  • Ermittlung des notwendigen Aufmaßes für die Hartbearbeitung
  • Prüfung der Notwendigkeit einer Hartbearbeitung
  • Erweiterung der Produktpalette
  • optimale Abstimmung der einzelnen Prozessschritte
  • weniger Ausschuss
  • umfangreiche Materialdatenbanken

 

Modellierung kompletter Prozessketten

Selbstverständlich können Sie die Wärmebehandlungssimulation mit der Umform- und der Schweißsimulation koppeln, um die gesamte Prozesskette der Bauteilherstellung durchgängig zu simulieren.

 

Für eine funktionale Betrachtung von Simufact Forming Heat Treatment lesen Sie bitte unsere Produktbeschreibung:

Simufact Forming Heat Treatment