Wenn von Wärmebehandlung die Rede ist, geht es in der Regel zunächst darum, wie heiß ein Ofen werden muss, um Metallteile umzuwandeln. Aber oft ist es der Abschreck- (oder Abkühl-) Prozess, der das Endergebnis weitgehend bestimmt.
Was ist Abschrecken?
Abschrecken ist der Prozess der Abkühlung von Metallteilen, nachdem diese während der Wärmebehandlung eine bestimmte Temperatur erreicht und gehalten haben. Die Methode und die Geschwindigkeit des Abschreckens bestimmen in der Regel die Kategorie eines Wärmebehandlungsverfahrens. Die gebräuchlichsten Verfahren der Wärmebehandlung sind Glühen, Normalisieren, Härten, Anlassen und Oberflächenhärten. Jedes Verfahren führt zu einer bestimmten Qualität, die für unterschiedliche Zwecke verwendet werden kann oder Teil eines anderen Verfahrens zur Herstellung eines mehrstufigen Endprodukts ist.
Eine langsamere Abschreckzeit, wie beim Glühen oder Normalisieren, kann zu Metallteilen führen, die federnd und biegsam sind oder zu Draht extrudiert werden können. Andererseits kann eine schnellere Abkühlung zu oberflächengehärteten oder durchgehärteten Teilen führen, die für die Herstellung von Bolzen, Bohrern oder Nockenwellen benötigt werden. Das Anlassen eines gehärteten Teils durch Wiedererwärmen des Metalls auf etwas niedrigere Temperaturen mit einer langsameren Abkühlungszeit kann dazu beitragen, einen Teil der inneren Spannungen des Metalls abzubauen und gleichzeitig die Festigkeit zu erhöhen, so dass ein weniger sprödes, hochduktiles Material entsteht.
Häufig wird ein einzelnes Teil mehreren Wärmebehandlungsvorgängen unterzogen. Es ist hilfreich, sich einen mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess wie folgt vorzustellen: Stellen Sie sich eine Scheibe aus biegsamem Metall vor, in die Zähne geschnitten werden, um ihr das Profil eines Zahnrads zu geben, dann wird das Zahnrad in einem Hochtemperaturofen gehärtet, geschliffen, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen, und schließlich gehärtet, um die Dehnbarkeit zu erhöhen. Die Qualität des Metalls ändert sich bei jedem Prozess, um die Bearbeitung zu erleichtern, eine Kante punktgenau zu definieren oder die Langlebigkeit des fertigen Teils zu gewährleisten.
Jedes Verfahren und das entsprechende Endprodukt spielen in der heutigen Fertigung eine wichtige Rolle. Aus diesem Grund hat Ipsen immer wieder Wege gefunden, seinen Kunden mehr Optionen und eine bessere Kontrolle des Abschreckprozesses zu bieten.
Eine ziemlich coole Geschichte
Als Craig Moller, Chefingenieur bei Ipsen USA, 1978 seine Arbeit bei Ipsen aufnahm, konnten Vakuumöfen mit Hilfe von 40-PS-Motoren eine Gasüberdruck-Kühllösung von bis zu zehn psi verarbeiten. Das entspricht in etwa dem Druck, mit dem man in einem zehn Fuß tiefen Schwimmbecken taucht, oder dem Luftdruck in einem sehr platten Autoreifen. "Das war damals Spitzentechnologie", erinnert sich Moller.
Heute hat Ipsen Öfen mit 600 PS starken Kühlmotoren hergestellt, die einen Abschreckdruck von bis zu 15 bar erzeugen. Das ist etwa das Zehnfache des Drucks der Maschinen von vor 45 Jahren.
Der Gasdruck ist aufgrund der Thermodynamik von Bedeutung. Je dichter ein Material ist, ob fest, flüssig oder gasförmig, desto leichter kann Wärme von einem Stoff auf einen anderen übertragen werden. Das ist der Grund, warum ein vakuumisolierter Thermobecher heiße Getränke länger heiß und kalte Getränke länger kalt halten kann als ein Plastikbecher - das Vakuum minimiert die Wärmeübertragung.
Moller erklärt, warum der Abschreckdruck ein so wichtiger Aspekt der Innovation im Laufe der Jahre ist: "Wenn man den Gasdruck verdreifacht, verdoppelt sich die Abkühlgeschwindigkeit eines Abschrecksystems und der abgeschreckten Teile."
Und wenn es um das Härten bestimmter Metalle geht, die für die Herstellung von Werkzeugen verwendet werden, ist ein schnelles und sauberes Abschrecksystem unerlässlich. Wenn Kunden beispielsweise Strangpressmatrizen für Aluminium zur Herstellung von Teilen für Elektrofahrzeuge suchen, liefern diese Hochdruck-Vakuumöfen saubere Matrizen, die für eine lange Lebensdauer der Matrize oberflächengehärtet sind", erklärt Moller. Diese sauberen Matrizen können ein hohes Maß an Genauigkeit bei den stranggepressten Teilen gewährleisten.
Cool bleiben
Eine Zeit lang drehte sich beim Wettlauf um ein schnelleres Abschreckverfahren alles um den Druck - mehr Druck bedeutete, dass die Teile kühler und schneller wurden. Zu Beginn lag der Schwerpunkt der Wärmebehandlungsinnovation zu 90 Prozent auf dem Erwärmungsprozess. Schließlich erforderte die Notwendigkeit, den durch Risse und thermische Verformung verursachten Ausschuss zu reduzieren, bessere Lösungen für den Abschreckprozess. "Es war eine große Veränderung", erklärt Jim Grann, technischer Direktor bei Ipsen. "Im Moment ist das Gleichgewicht bei der Entwicklung von Erwärmungs- und Abschrecktechnologie eher 50/50."
Grann ist seit 1978 am Innovationsprozess beteiligt, als er vor der Fusion mit Ipsen für Abar arbeitete. "Was die Innovation beim Abschrecken vorantreibt, ist die Notwendigkeit, die schnellstmögliche Abkühlung zu erreichen und gleichzeitig die Kontrollierbarkeit des Prozesses zu gewährleisten. Unkontrollierte Abkühlungsgeschwindigkeiten können zu Spannungen in den Teilen führen. Schnelleres Abkühlen ohne Verformung ist der Schlüssel".
Heutige SPS-Steuerungen können in Echtzeit reagieren und Änderungen an einem Rezept mitten im Prozess vornehmen, wenn die Thermoelemente während des Abschreckens eine anomale Reaktion feststellen. "Ein Rezept kann zum Beispiel anzeigen, dass die Kerntemperatur und die Oberflächentemperatur eines Teils nicht mehr als eine ganz bestimmte Temperaturdifferenz aufweisen dürfen. Die SPS kann die Temperaturen überwachen und die Abschreckung durch Druckreduzierung, Gaszirkulation oder sogar durch Nachheizen des Ofens verlangsamen. Die Teile erwärmen sich zuerst an der Außenseite, kühlen aber auch zuerst von außen ab, so dass der Ofen angewiesen werden kann, entsprechend zu reagieren", erklärt Grann.
Die verschiedenen Baureihen von Ipsen-Vakuumöfen, kombiniert mit modernen SPS-Systemen, bieten dem Endanwender eine bessere Kontrolle über seinen Prozess als je zuvor. Die TITAN-, MetalMaster- und TurboTreater-Linien verfügen über ein breites Spektrum an Abschreckmöglichkeiten mit einem 360-Grad-Strömungsdesign, das Dutzende von verschiedenen Wärmebehandlungsprozessen bedienen kann. Spezialanlagen wie der Turbo²Treater und der VUTK können für spezifische, häufig wiederholte Rezepte entwickelt werden, die eine signifikante Steuerung des Abschreckgasflusses erfordern und eine gerichtete Gaskühlung aus nahezu jedem Winkel innerhalb der Kammer ermöglichen.
"Manchmal ist ein Gasfluss in eine Richtung sinnvoll. Denken Sie an das Quenchen eines langen Rohrs. Wenn das Gas von beiden Enden gleichzeitig einströmt, treffen sie sich in der Mitte und bilden eine statische Totzone. Wenn das Gas abwechselnd von einem Ende und dann vom anderen Ende einströmt, werden die Temperaturunterschiede minimiert", erklärt Grann.
Richtungsabhängige Abschreckgasoptionen, variable Drucksteuerungen und aktive Temperaturüberwachung ermöglichen es den Betreibern, sicherzustellen, dass Teile mit einfachen oder komplexen Geometrien die gleiche Erfolgsquote haben. "Wenn Sie uns sagen, was Sie tun wollen, welches Material Sie verwenden, wie viele Teile Sie an einem Tag, in einer Woche oder in einem Monat bearbeiten wollen - sagen Sie uns, was Sie erreichen wollen, und wir können eine Lösung finden."
Mit einer Reihe von Ofendesigns und SPS-Steuerungsoptionen ist Grann sicher, dass Ipsen einen Ofen für nahezu jeden Prozess entwickeln kann. "Es gibt immer noch einige Abschreckraten, die wir nicht erreichen können, aus dem gleichen Grund, warum mein Toyota 4Runner nicht 240 Meilen pro Stunde fahren kann... wir können die Physik nicht besiegen", überlegt Grann.
Erfolgreiche Innovationen, wie sie Moller und Grann im Laufe ihrer Karriere erlebt haben, sind vor allem dadurch entstanden, dass sie den besonderen Anforderungen der Kunden auf einem sich ständig verändernden Markt gerecht wurden.
Wenn Sie ein einzigartiges Abschreckproblem haben, das eine maßgeschneiderte Lösung erfordert, wenden Sie sich an uns unter sales@ipsenusa.com oder unter der Nummer 800-727-7625.