Analyse der Rissbildungsursachen beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung

Schmieden und Wärmebehandlung sind entscheidende Prozesse in der Metallbearbeitung, die sich erheblich auf die mechanischen Eigenschaften und die Endqualität von Metallprodukten auswirken. Allerdings sind Risse, die beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung entstehen, ein häufiges Qualitätsproblem. Diese Risse beeinträchtigen nicht nur die Leistung der Gussteile, sondern können auch zu Ausschuss führen und die Produktionseffizienz verringern. In diesem Artikel werden die Hauptursachen für die Rissbildung beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung analysiert und wirksame Maßnahmen zur Vermeidung von Rissen erörtert.

1. Ursachen der Rissbildung beim Schmieden

Beim Schmieden wird durch äußere Krafteinwirkung eine plastische Verformung von Metallmaterialien bei hohen Temperaturen bewirkt und diese in die gewünschte Form gebracht. Während das Schmieden eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der inneren Struktur von Metallen spielt, führen die komplexen Umgebungs- und Materialeigenschaften häufig zur Rissbildung. Hier sind die Hauptursachen für Risse beim Schmiedeprozess:

1.1 Sachmängel

Fehler im Schmiedematerial, wie Einschlüsse, Poren und innere Risse, können während des Schmiedeprozesses verstärkt werden. Nichtmetallische Verunreinigungen oder örtlich spröde Bereiche im Rohmaterial können beim Schmieden leicht reißen und zur Ursache von Rissen werden. Dies gilt insbesondere für hochfeste Legierungen, Werkzeugstähle und ähnliche Materialien, bei denen sich innere Defekte beim Schmieden schnell ausdehnen und zu Rissen führen können.

1.2 Unsachgemäße Temperaturkontrolle

Die Schmiedetemperatur beeinflusst direkt den plastischen Fluss des Metalls. Sowohl zu hohe als auch zu niedrige Temperaturen können zu Rissen führen. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, mangelt es dem Metall an ausreichender Plastizität und Fließfähigkeit, was die Wahrscheinlichkeit von Rissen erhöht. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann die Oberfläche des Metalls oxidieren und es können sich im Inneren harte, spröde Phasen bilden, die das Risiko von Rissen erhöhen. Daher ist eine präzise Temperaturkontrolle von entscheidender Bedeutung und die Temperatur muss in einem für das Material geeigneten Bereich gehalten werden.

1.3 Falsche Schmiedeparameter

Parameter des Schmiedeprozesses wie Druck, Geschwindigkeit und Verformungsgrad spielen bei der Rissbildung eine wesentliche Rolle. Wenn die Schmiedegeschwindigkeit zu hoch ist, fließt das Metall möglicherweise nicht gleichmäßig in die Matrize, was zu Spannungskonzentrationen und Rissbildung führt. Wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist, kann es zu örtlicher Überhitzung kommen, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung und möglichen thermischen oder kalten Rissen führen kann.

1.4 Stresskonzentration

Wenn das Material während des Schmiedens eine ungleichmäßige Spannungsverteilung erfährt, ist es wahrscheinlicher, dass Spannungskonzentrationsbereiche entstehen, insbesondere in Fällen, in denen das Gesenkdesign schlecht ist oder die Form des Teils komplex ist. Spannungskonzentrationen in diesen Bereichen können zur Entstehung von Rissen führen. Dies tritt besonders häufig bei Gussteilen mit ungleichmäßiger Dicke auf, bei denen die innere und äußere Spannungsverteilung nicht gleichmäßig ist, was die Wahrscheinlichkeit von Rissen erhöht.

1.5 Probleme bei der Konstruktion und Wartung der Matrize

Die Gestaltung und Wartung von Schmiedegesenken wirkt sich direkt auf den Metallfluss und die Spannungsgleichmäßigkeit während des Schmiedeprozesses aus. Eine schlechte Gestaltung des Kühlsystems für die Matrize oder raue Matrizenoberflächen können zu örtlicher Überhitzung oder ungleichmäßiger Kühlung führen und die Wahrscheinlichkeit von Rissen erhöhen.

2. Ursachen der Rissbildung bei der Wärmebehandlung

Bei der Wärmebehandlung werden Metalle erhitzt, gehalten und abgekühlt, um ihre innere Struktur zu verändern und ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Aber auch eine unsachgemäße Wärmebehandlung kann zur Rissbildung führen. Nachfolgend sind die Hauptursachen für die Rissbildung bei der Wärmebehandlung aufgeführt:

2.1 Ungleichmäßige Heiztemperatur

Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung während der Wärmebehandlung ist eine häufige Ursache für Risse. Wenn bestimmte Bereiche des Teils ungleichmäßig erhitzt werden, können sie sich unterschiedlich ausdehnen, wodurch innere Spannungen entstehen, die zu Rissen führen. Dies gilt insbesondere für große oder komplex geformte Teile, bei denen Temperaturgradienten beim Erhitzen zu Rissen führen können.

2.2 Schnelle Abkühlung führt zu thermischer Belastung

Wenn während der Wärmebehandlung, insbesondere beim Abschrecken, die Abkühlgeschwindigkeit zu hoch ist (z. B. beim Abschrecken mit Wasser), können die Oberfläche und das innere Metall unterschiedliche Phasenwechselraten und Spannungskonzentrationen erfahren. In diesem Fall zieht sich die Metalloberfläche schnell zusammen, während sich das Innere aufgrund der langsameren Abkühlung ausdehnen kann, was zur Bildung von Kaltrissen führt. Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und legierte Stähle sind aufgrund der schnellen Abkühlung besonders anfällig für Sprödrisse.

2.3 Unsachgemäßer Wärmebehandlungsprozess

Die Auswahl der Wärmebehandlungsparameter hat direkten Einfluss auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften des Werkstoffs. Bei falschen Wärmebehandlungsparametern wie Heiztemperatur, Haltezeit und Abkühlgeschwindigkeit können sich ungleichmäßige innere Strukturen bilden, die zu inneren Spannungen und letztendlich zu Rissen führen. Bei bestimmten Materialien, wie z. B. kohlenstoffreichem Stahl, können übermäßige Erwärmungstemperaturen zur Ausfällung von Karbiden führen, wodurch harte und spröde Phasen entstehen, die zur Rissbildung neigen.

2.4 Wasserstoffversprödung

Wasserstoffversprödung ist ein Phänomen, bei dem Metall Wasserstoffgas absorbiert, was zu einer Verringerung der Zähigkeit führt und die Wahrscheinlichkeit von Rissen erhöht. Während der Wärmebehandlung, insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen, kann Wasserstoff in das Metall eindringen und dessen Duktilität verringern. Wasserstoffversprödung tritt häufig bei hochfesten Stählen und bestimmten legierten Stählen auf, wo sich unter Belastung Risse schnell ausbreiten können.

2.5 Restspannung nicht gelöst

Beim Schmieden entstehende Restspannungen können zu Rissen führen, wenn sie bei der Wärmebehandlung nicht wirksam abgebaut werden. Werden Schmiedeteile beispielsweise nicht ausreichend geglüht oder entspannt, bleiben Eigenspannungen im Metall zurück. Bei der Wärmebehandlung können diese Spannungen aufgrund von Temperaturänderungen zu neuen Rissen führen.

3. So verhindern Sie die Rissbildung

Um die Rissbildung beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung zu reduzieren, sollten folgende Maßnahmen umgesetzt werden:

3.1 Prozessparameter optimieren

Kontrollieren Sie die Parameter des Schmiede- und Wärmebehandlungsprozesses, insbesondere Temperatur und Abkühlgeschwindigkeit. Während des Schmiedens sollte die Temperatur innerhalb des richtigen Bereichs kontrolliert und die Schmiedegeschwindigkeit an die spezifischen Anforderungen des Teils angepasst werden. Vermeiden Sie bei der Wärmebehandlung ein schnelles Abkühlen, insbesondere bei schwer abzuschreckenden Materialien. Stattdessen sollten langsamere Abkühlmethoden wie Ölabschreckung oder Luftkühlung eingesetzt werden.

3.2 Matrizendesign verbessern

Bei Schmiedegesenken ist ein angemessenes Design basierend auf der Teileform und den Materialeigenschaften von entscheidender Bedeutung. Stellen Sie sicher, dass das Kühlsystem der Matrize gleichmäßig verteilt und effizient ist, um lokale Überhitzung zu vermeiden. Außerdem sollte eine regelmäßige Wartung der Matrizen durchgeführt werden, um glatte und ebene Oberflächen zu gewährleisten und Spannungskonzentrationen aufgrund von Matrizendefekten zu verhindern.

3.3 Materialqualitätskontrolle

Überprüfen Sie die Materialqualität vor dem Schmieden genau und beseitigen Sie etwaige Mängel im Rohmaterial. Eine Vorbehandlung des Materials durch Prozesse wie Glühen kann innere Spannungen reduzieren und die Plastizität des Materials verbessern, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung verringert wird.

3.4 Wärmebehandlungsverfahren genau auswählen

Wählen Sie geeignete Wärmebehandlungsverfahren basierend auf den spezifischen Eigenschaften des Materials. Vermeiden Sie übermäßige Erwärmungstemperaturen, insbesondere bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt und legierten Stählen. Um Kaltrisse zu vermeiden, sollten geeignete Haltezeiten und Abkühlraten gewählt werden. Die Abkühlgeschwindigkeiten sollten moderat sein, insbesondere bei Teilen, die eine langsame Abkühlung erfordern.

3.5 Reststressabbau

Führen Sie vor der Wärmebehandlung geeignete Glüh- oder Entspannungsbehandlungen durch, um Restspannungen beim Schmieden zu beseitigen. Durch diesen Schritt wird das Risiko von Rissen während des Wärmebehandlungsprozesses verringert. Bei großen oder komplex geformten Teilen sollten Sie segmentierte Heiz- oder Kühlmethoden in Betracht ziehen, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden.

Die Rissbildung beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung ist ein komplexes Phänomen, an dem verschiedene Faktoren wie Prozessparameter, Materialfehler und Gesenkdesign beteiligt sind. Durch die Optimierung der Prozesssteuerung, die Verbesserung des Werkzeugdesigns, die Sicherstellung der Materialqualität und die Auswahl geeigneter Wärmebehandlungsprozesse können Risse wirksam minimiert werden und so qualitativ hochwertige Produkte gewährleistet werden. Für Fachleute in der Schmiedeindustrie ist es von entscheidender Bedeutung, die Ursachen der Rissbildung zu verstehen und proaktive Maßnahmen zu ihrer Vermeidung zu ergreifen, um die Produktionseffizienz zu verbessern und die Produktqualität sicherzustellen.