Bearbeitung von Metallen
In diesem Artikel werden Wärmebehandlung und die Bearbeitung von Metallen erörtert. Die Bearbeitung von Metallen umfasst metallurgische Prozesse, die die Eigenschaften von Metallen modifizieren.
Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung von großen Kohlenstoffstahlkomponenten wird durchgeführt, um die Vorteile kristalliner Defekte zu nutzen und bestimmte gewünschte Eigenschaften oder Zustände zu erreichen.
Während der Herstellung wird durch Variation der Abkühlgeschwindigkeit (Abschrecken) des Metalls die Korngröße und das Korngefüge kontrolliert. Die Kornmerkmale werden gesteuert, um unterschiedliche Härte- und Zugfestigkeitsniveaus zu erzielen. Im Allgemeinen gilt: Je schneller ein Metall abgekühlt wird, desto kleiner werden die Korngrößen sein, was das Metall härter macht. Mit zunehmender Härte und Zugfestigkeit in wärmebehandeltem Stahl nehmen Zähigkeit und Duktilität ab.
Die Abkühlrate beim Abschrecken hängt von der Kühlmethode und der Größe des Metalls ab. Gleichmäßiges Abkühlen ist entscheidend, um Verformungen zu vermeiden. Typischerweise werden Stahlkomponenten in Öl, Wasser oder einer Emulsion der beiden abgeschreckt.
Schweißen kann innere Spannungen induzieren, die im Material verbleiben, nachdem das Schweißen abgeschlossen ist. In rostfreien Stählen, wie z.B. Typ 304, ist das Kristallgitter kubisch flächenzentriert (Austenit). Während des Hochtemperaturschweißens kann ein Teil des umgebenden Metalls auf zwischen 260°C (500°F) und 537°C (1000°F) erhitzt werden. In diesem Temperaturbereich wird der Austenit in eine kubisch raumzentrierte Gitterstruktur (Bainit) umgewandelt. Wenn das Metall abgekühlt ist, enthalten die Bereiche um die Schweißnaht etwas ursprünglichen Austenit und etwas neu gebildeten Bainit. Ein Problem entsteht, weil der "Packungsfaktor" (PF = Volumen der Atome/Volumen der Elementarzelle) für FCC-Kristalle nicht derselbe ist wie für BCC-Kristalle.
Der gebildete Bainit nimmt mehr Raum ein als das ursprüngliche Austenitgitter. Diese Volumenzunahme verursacht verbleibende Druck- und Zugspannungen im Material. Schweißspannungen können durch Wärmesenken-Schweißen, das zu niedrigeren Metalltemperaturen führt, oder durch Glühen minimiert werden.
Glühen ist ein weiterer gängiger Wärmebehandlungsprozess für Kohlenstoffstahlkomponenten. Beim Glühen wird die Komponente langsam erhitzt auf eine erhöhte Temperatur und für eine lange Zeit gehalten, dann abgekühlt. Der Glühprozess wird durchgeführt, um die folgenden Effekte zu erzielen:
a. Um den Stahl zu erweichen und die Duktilität zu verbessern.
b. Um innere Spannungen zu lösen, die durch vorherige Prozesse wie Wärmebehandlung, Schweißen oder Bearbeitung verursacht wurden.
c. Um die Kornstruktur zu verfeinern.
Kalt- und Warmumformung
Plastische Verformung, die in einem Temperaturbereich und über einen Zeitraum durchgeführt wird, sodass die Verfestigung nicht aufgehoben wird, wird als Kaltumformung bezeichnet. Es wurde beträchtliches Wissen über die Struktur des kaltverformten Zustands erlangt. In den frühen Stadien der plastischen Verformung erfolgt das Gleiten im Wesentlichen auf primären Gleitflächen und die Versetzungen bilden koplanare Anordnungen. Mit fortschreitender Verformung tritt Quergleiten auf. Die kaltverformte Struktur bildet Bereiche mit hoher Versetzungsdichte, die sich bald zu Netzwerken entwickeln. Die Korngröße nimmt bei geringer Verformung mit der Verformung ab, erreicht jedoch bald eine feste Größe. Kaltumformung verringert die Duktilität.
Warmumformung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Metalle oberhalb ihrer Rekristallisationstemperatur verformt werden und keine Verfestigung auftritt. Warmumformung wird normalerweise bei erhöhten Temperaturen durchgeführt. Blei wird jedoch bei Raumtemperatur warmumgeformt, da es eine niedrige Schmelztemperatur hat. Am anderen Extrem wird Molybdän selbst bei relativ hohen Temperaturen kaltumgeformt, da es eine hohe Rekristallisationstemperatur hat.
Der Widerstand von Metallen gegen plastische Verformung nimmt bei höheren Temperaturen im Allgemeinen ab. Aus diesem Grund werden größere massive Abschnitte immer heiß durch Schmieden, Walzen oder Extrusion bearbeitet.
Zusammenfassung
Die wichtigen Informationen in diesem Abschnitt sind unten zusammengefasst:
Zusammenfassung der Auswirkungen der Wärmebehandlung auf die Metalleigenschaften
- Abschrecken
Die Variation der Abkühlgeschwindigkeit (Abschrecken) des Metalls kontrolliert die Korngröße und das Korngefüge.
Die Kornmerkmale werden gesteuert, um unterschiedliche Härte- und Zugfestigkeitsniveaus zu erzielen.
Härte und Zugfestigkeit nehmen in wärmebehandeltem Stahl zu; Zähigkeit und Duktilität nehmen ab. - Schweißen
Erzeugt verbleibende Druck- und Zugspannungen.
Spannungen werden durch Wärmesenken-Schweißen und Glühen minimiert. - Glühen
Erweicht Stahl und verbessert die Duktilität.
Löst innere Spannungen, die durch vorherige Prozesse verursacht wurden.
Verfeinert die Kornstruktur.