Kaltverfestigung von Metall: Prozesse, Vorteile und Anwendungen

Kaltverfestigung ist eines der wichtigsten Phänomene bei Metallbearbeitungsprozessen. Ob bei der Herstellung von Getränkedosen durch Tiefziehen oder bei der Formgebung gewöhnlicher Fahrradrahmen, Kaltverfestigung spielt eine grundlegende und doch entscheidende Rolle. Unsere neugierigen Leser sollten dranbleiben, um tiefere Einblicke in dieses Thema zu erhalten.

Was ist kaltverfestigtes Metall?

Metalle werden je nach Verfahren manchmal erwünscht oder manchmal unerwünscht kaltverfestigt. Dadurch erhöht sich ihre Tragfähigkeit oder Streckgrenze. Dieser Artikel gibt einen detaillierten Überblick über die Grundlagen der Kaltverfestigung, Kaltverfestigungsberechnungen, Kaltverfestigung und fast alles, was damit zusammenhängt, in einer technischen, aber dennoch leserfreundlichen Sprache.

Definition und Bedeutung in der Metallurgie

Kaltverfestigung bei Metallen ist ein Prozess, bei dem sich ihre mechanischen Eigenschaften durch plastische Verformung infolge erhöhter Belastung über einen bestimmten Punkt hinaus ändern. Die größte Auswirkung hat die Erhöhung der Streckgrenze. Die Duktilität nimmt ab! Hersteller, insbesondere im Bereich Metallprodukte, legen großen Wert auf die Nützlichkeit dieses Phänomens. Nehmen wir als Beispiel die Herstellung von Getränkedosen aus Aluminium: Aluminiumlegierungen der Serie 3 sind im geglühten Zustand normalerweise relativ weich und dehnbar, aber durch Tiefziehen wird ihre Festigkeit verbessert, sodass sie zur Aufnahme und zum Transport von Getränken verwendet werden können, ohne dass ein Auslaufen aufgrund von Verformung befürchtet werden muss.

Dieses Verfahren lässt sich auch bei anderen Verfahren wie Walzen, Biegen, Scheren usw. zu unserem Vorteil nutzen.

Was sind die drei Phasen der Kaltverfestigung?

Im Folgenden werden drei Phasen der Kaltverfestigung erläutert:

1. Ertrag: Beim Einsetzen der Streckgrenze beginnt sich das Material plastisch zu verformen. Die erforderliche Schubspannung ist bei plastischer Verformung nahezu konstant
2. Kaltverfestigung: Um die plastische Verformung fortzusetzen, erhöht sich die erforderliche Scherspannung mit zunehmender Dehnung weiter.
3. Einschnürung: Durch die Aktivierung der Quergleitflächen verringert sich die erforderliche Spannung.

Sehen Sie sich dieses Video zur Verstärkung durch Kaltverfestigung an: Verstärkung durch Kaltverfestigung

Die Wissenschaft hinter der Kaltverfestigung

Die Kaltverfestigung bei Metallen steht mit wissenschaftlichen Konzepten wie Energiespeicherung, Verzerrung des Kristallgitters, Bewegung, Fixierung und Anhäufung von Versetzungen an den Korngrenzen in Zusammenhang. Weitere Informationen hierzu finden Sie hier.

Elastische vs. plastische Verformung

Die folgende Tabelle zeigt einige der wichtigsten Unterschiede zwischen elastischer und plastischer Verformung im Zusammenhang mit der Kaltverfestigung:

Versetzungen und Gitterspannungsfelder

Versetzungen spielen eine entscheidende Rolle im Prozess der Kaltverfestigung. Wenn das Material einer Spannung über seiner Streckgrenze ausgesetzt wird, verstärkt sich die Bewegung der Versetzungen. Sie bewegen sich und interagieren miteinander, wodurch verzerrte Gitterspannungsfelder entstehen. Je mehr Versetzungen ein Material hat, desto stärker wird die Bewegung der Versetzungen behindert und desto stärker ist somit die Kaltverfestigung.

Wie sich Versetzungen bei der Kaltverfestigung ansammeln

Wenn die angelegte Spannung weiter zunimmt, nimmt die Bewegung der Versetzungen zu, doch stellen die Korngrenzen für sie eine unüberwindbare Barriere dar. Daher stauen sie sich an den Korngrenzen und stellen eine große Behinderung für ihre weitere Bewegung dar.

Einfluss der Temperatur auf die Dynamik der Kaltverfestigung

Bei hohen Temperaturen wird die Bewegung von Versetzungen durch die Zunahme der Gesamtenergie, hauptsächlich in Form von Wärme, erleichtert. Daher ist weniger Arbeit erforderlich, um das Material zu verformen. Die Kaltverfestigung wird schwierig. Versetzungen können leicht nach oben klettern.

Gezielte Kaltverfestigung: So nutzen Sie die Vorteile

Bei vielen Metallbearbeitungsanwendungen wird Kaltverfestigung angestrebt, um ein Material für eine bestimmte Anwendung geeignet zu machen. Die Vorteile dieser Methode werden bei Prozessen wie Tiefziehen, Biegen, Scheren, Walzen usw. genutzt. Nehmen wir beispielsweise die Aluminium-Getränkedose (wie bereits erwähnt).

Stärkung von Metallen durch Kaltverfestigung

Beim Kaltverfestigen von Metallen erhöht sich ihre Festigkeit auf Kosten ihrer Duktilität, was oft das gewünschte Ziel ist. Beispielsweise hilft die Duktilität von Aluminium vor dem Kaltverfestigen dabei, dem Rohling von Getränkedosen seine Form zu geben, und beim Kaltverfestigen hilft die erhöhte Festigkeit dabei, die Form zu erhalten.

Gängige Techniken: Rollen, Hämmern und Ziehen

Anwendungen im Werkzeug- und Formenbau

Die Werkstoffe für Werkzeuge und Formen sollten eine relativ hohe Festigkeit aufweisen, um den häufigen und hohen Belastungen standzuhalten, denen sie während ihrer Lebensdauer ausgesetzt sind.

Anwendungen in der Blechumformung

Kaltgewalztes und ungeglühtes Blech weist im Vergleich zu warmgewalztem Metall eine höhere Festigkeit auf. Durch Kaltwalzen wird eine Kaltverfestigung erreicht.

Was ist das Problem bei der Kaltverfestigung?

Obwohl die Kaltverfestigung in Fertigungsprozessen durchaus nützlich ist, geschieht sie manchmal unbeabsichtigt und unerwünscht. Ein häufiges Problem aufgrund der Kaltverfestigung tritt in der CNC- und Zerspanungsindustrie auf. Wir werden mehr darüber erfahren!

Ursachen für unerwünschte Kaltverfestigung

Nachfolgend sind einige der häufigsten Ursachen für unerwünschte Kaltverfestigung aufgeführt:

1. Eine falsche Werkzeugausrichtung beim Bearbeitungsprozess führt zur Kaltverfestigung der Oberfläche.
2. Mangelnde Schmierung erhöht die Reibung, was die Kaltverfestigung verschlimmert
3. Hohe Dehnungsrate führt zu Spannungskonzentration
4. Fehlendes Glühen, wo erforderlich

Wärmeentwicklung und Oberflächenhärtung

Bei Herstellungsprozessen führt mangelnde Schmierung zu lokaler Spannungskonzentration und Wärmestauung, die zu unerwünschter Verhärtung des Werkstücks führt.

Auswirkungen auf die CNC-Bearbeitung und Formbarkeit

In der CNC-Bearbeitungsindustrie kann die Oberfläche des Werkstücks aufgrund unsachgemäßer Einstellung des Werkzeugs in den ersten Durchgängen kaltverfestigt werden. Diese kaltverfestigte Oberfläche verursacht später im Bearbeitungsprozess Probleme. Die Oberfläche des Werkstücks kann rau werden und die Lebensdauer des Werkzeugs verringert sich aufgrund übermäßigen Verschleißes. Außerdem wird die Präzision beeinträchtigt.

Quantifizierung der Kaltverfestigung

In der Materialmechanik werden Kaltverfestigungsberechnungen durch Einführung eines Kaltverfestigungskoeffizienten (n) durchgeführt. Dies ist im Grunde wie ein Potenzgesetz und der Koeffizient wirkt wie ein Exponent. Normalerweise werden für diese Berechnungen die Holloman-Beziehung oder die Ludwik-Gleichung verwendet. Es gibt jedoch auch andere empirische Beziehungen.

Härteprüfungen und ihre Rolle

Um die tatsächliche Kaltverfestigung zu quantifizieren, kann ein Brinell- oder Vickers-Härtetest durchgeführt werden. Der Brinell-Test gibt normalerweise die Härte über einen großen Bereich an, während der Vickers-Test für einen präziseren Härtetest auf Mikroebene verwendet werden kann.

Spannungs-Dehnungskurven und ihre Bedeutung

Die Kaltverfestigung kann auch anhand einer Spannungs-Dehnungs-Kurve geschätzt werden. Vor der Streckgrenze und Elastizitätsgrenze folgt sie einem linearen Muster, d. h. die Dehnungsmenge steigt proportional zur Spannungsmenge. Jenseits der Streckgrenze neigt sich die Kurve jedoch stärker zur x-Achse, die die Spannung darstellt. Daher wird es schwieriger, die Dehnung mit dem gleichen Anstiegsverhältnis des Spannungswerts zu erreichen.

Bei Versetzungen folgt die Spannung normalerweise einer Halbwurzelbeziehung zur Versetzungsdichte:

Wobei die Spannung und die Versetzungsdichte ist.

Empirische Beziehungen bei der Kaltverfestigung

Gängige empirische Beziehungen wie die Holloman-Gleichung oder die Ludwik-Gleichung quantifizieren den Einfluss der Kaltverfestigung auf die Spannung, die zur Verformung eines kaltverfestigten Materials erforderlich ist. Die Ludwik-Gleichung lautet wie folgt:

Dabei ist die Streckgrenze, K der Festigkeitskoeffizient, ist die plastische Dehnung und n der Kaltverfestigungskoeffizient.

Welche Metalle können kaltverfestigt werden?

Die meisten gängigen Metalle lassen sich aufgrund der vorhandenen und beweglichen Versetzungen leicht kaltverfestigen. Einige harte und spröde Legierungen, wie beispielsweise einige Gusseisen, lassen sich jedoch zu schwer kaltverfestigen und werden daher nicht durch Metallbearbeitung, sondern durch Metallguss geformt.

Stahl

Es ist eines der häufigsten und am weitesten verbreiteten Beispiele für „Verfestigung durch Kaltverfestigung“. Biegen, Quetschen, Pressen usw. sind die häufigsten Verfahren hierfür.

Kupfer

Kupfer und Messing können leicht kaltverfestigt werden. Einige kontrollierte Härtungsprozesse wie thermomechanische Behandlung oder partielles Glühen verbessern sowohl die Festigkeit als auch die Duktilität.

Aluminium

Aluminium ist im geglühten Zustand relativ weich, eine Kaltverfestigung in Verfahren wie Kaltwalzen oder Tiefziehen erhöht die Festigkeit.

Gold und Edelmetalle

Goldschmiede nutzen die Vorteile sowohl des Legierens als auch der Kaltverfestigung, um wertvollem Schmuck die gewünschte Festigkeit zu verleihen, ohne die er anfällig für Beschädigungen wäre.

Platin und Silber können auch für den Einsatz in elektronischen Anwendungen verstärkt werden

Kaltverfestigungsdiagramme für Metalle

In der folgenden Tabelle sind die Kaltverfestigungseigenschaften, Vorteile und Einschränkungen der häufig verwendeten Metalle zusammengefasst:

So vermeiden Sie Kaltverfestigung bei der Bearbeitung

Unerwünschte Kaltverfestigungen, die während der Bearbeitung auftreten können, können zu höheren Betriebskosten, Prozessineffizienz, Materialverschwendung, schnellem Werkzeugverschleiß und mangelnder Präzision führen. Sie müssen vermieden werden, um den Prozess zu optimieren.

Optimierung von Geschwindigkeiten und Vorschüben

Eine ausgewogene und optimierte Geschwindigkeit des Schneidwerkzeugs kann die Reibung und den Wärmestau minimieren, die zu einer Kaltverfestigung führen. Die Vorschubgeschwindigkeit sollte hoch sein, während die Schnitte tief sein sollten, um unnötiges Reiben des Werkzeugs am Werkstück zu vermeiden.

Einsatz von Gleichlauffräsen und modernen Werkzeugbeschichtungen

Durch das Gleichlauffräsen wird unnötiges Reiben und übermäßige Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück erheblich verhindert.

Moderne Werkzeuge, die scharf und viel härter sind, wie Keramik oder beschichtete Werkzeuge wie DLC (diamantähnliche Beschichtung) oder TiAlN oder TiN-beschichtete Werkzeuge, haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Außerdem können sie Wärme gut ableiten und bleiben auch nach vielen Durchgängen scharf.

Effektive Strategien zur Kühlmittelanwendung

Die häufige Anwendung von Kühlmittel trägt zur Verringerung von Reibung und Wärmestau bei und macht das Material somit weniger anfällig für Kaltverfestigung.

Was ist ein Beispiel für Kaltverfestigung?

Es gibt zahlreiche Anwendungen der Kaltverfestigung in unterschiedlichen Branchen, beispielsweise im Baugewerbe, der Automobil- und Lokomotivindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Kaltverfestigung bei der Schraubenherstellung

Bolzen aus Metallen wie Stahl durchlaufen bei ihrer Herstellung verschiedene Schritte wie Kaltziehen, Kopfschmieden und Gewinderollen. Durch eine enorme Verformung werden sie kaltverfestigt. Sie weisen tendenziell eine erhöhte Festigkeit und Verschleißfestigkeit auf.

Anwendungen in Fertigung und Bau

Übliche Biege- und Schervorgänge an Blechen bei der Herstellung von Bindern, Stützen und Pfetten führen zu einer Kaltverfestigung des Metalls. Dadurch erhöht sich seine Festigkeit.

Fallstudien aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automobil

Die Festigkeit von Bauteilen aus der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie, die Press-, Quetsch- und Schneidvorgänge durchlaufen, wird durch Kaltverfestigung verbessert.

Vorteile von kaltverfestigenden Werkstoffen bei der CNC-Bearbeitung

Bei der CNC-Bearbeitung werden Materialien während bestimmter Prozesse, wie z. B. Quetschen oder Formen, kaltverfestigt, was ihre Festigkeit erhöhen kann. Dieser Prozess kann die Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit des Materials verbessern, was es ideal für Anwendungen macht, die eine hohe Haltbarkeit erfordern. Kaltverfestigung kann jedoch auch bei Schneidvorgängen unerwünscht sein, da sie zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und Schwierigkeiten bei der Erzielung hochwertiger Oberflächen führen kann.

Kaltverfestigung vs. Wärmebehandlung

Kaltverfestigung und Wärmebehandlung sind zwei verschiedene Prozesse. Bei der Kaltverfestigung spielen nur mechanische Kräfte eine Rolle, bei der Wärmebehandlung spielen jedoch sowohl mechanische Kräfte als auch die Anwendung von Wärme und Kühlung eine Rolle, wobei letztere wichtiger ist.

Wie sich Kaltverfestigung vom Glühen unterscheidet

Kaltverfestigung und Glühen unterscheiden sich in vielen Aspekten. Während das Hauptziel bei der Kaltverfestigung eine Erhöhung der Festigkeit ist, bewirkt das Glühen genau das Gegenteil: Es erhöht die Duktilität.

Vergleich der Haltbarkeit: Kaltverfestigte und wärmebehandelte Metalle

Die Wärmebehandlung hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und der Vergleich der Haltbarkeit beider ist subjektiv. In mancher Hinsicht ist die Wärmebehandlung haltbarer als die Kaltverfestigung und umgekehrt.

FAQ

Wie kommt es zur Kaltverfestigung?

Die Kaltverfestigung erfolgt hauptsächlich aufgrund der Bewegung und Wechselwirkung von Versetzungen. Verzerrungen in den Gitterspannungsfeldern und die Ansammlung von Versetzungen an den Korngrenzen führen zur Kaltverfestigung.

Warum können einige Metalle nicht kaltverfestigt werden?

Aufgrund der mangelnden Duktilität einiger Metalle wie Gusseisen können diese nicht bearbeitet werden.

Lässt sich Edelstahl 316 kaltverfestigen?

Ja, Edelstahl 316 kann kaltverfestigt werden.

Kann Kaltverfestigung die Bearbeitbarkeit verbessern?

Bei Weichmetallen kann durch Kaltverfestigung die Bearbeitbarkeit verbessert werden.