Vorteile lassen sich erzielen, indem man Einblicke in eine Schicht der Kornstruktur gewinnt, die das mechanische Verhalten von Edelstahl bestimmt. (Getty Images)
Die Auswahl von Edelstahl und Aluminiumlegierungen konzentriert sich im Allgemeinen auf Festigkeit, Duktilität, Dehnung und Härte. Diese Eigenschaften geben Aufschluss darüber, wie die Bestandteile des Metalls auf Belastungen reagieren. Sie sind ein effektiver Indikator für die Belastbarkeit des Rohmaterials, d. h. wie weit es sich biegen lässt, bevor es bricht. Das Rohmaterial muss den Formgebungsprozess ohne Bruch überstehen.
Zerstörende Zug- und Härteprüfungen sind eine zuverlässige und kostengünstige Methode zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften. Allerdings sind diese Prüfungen nicht immer so zuverlässig, sobald die Dicke des Rohmaterials die Größe der Prüfprobe begrenzt. Zugprüfungen an flachen Metallprodukten sind selbstverständlich weiterhin sinnvoll, jedoch lassen sich Vorteile erzielen, wenn man eine Schicht der Kornstruktur, die das mechanische Verhalten bestimmt, genauer untersucht.
Metalle bestehen aus einer Vielzahl mikroskopisch kleiner Kristalle, den sogenannten Körnern. Diese sind im Metall zufällig verteilt. Atome von Legierungselementen wie Eisen, Chrom, Nickel, Mangan, Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Schwefel in austenitischen Edelstählen sind Bestandteil eines einzelnen Korns. Diese Atome bilden eine feste Lösung von Metallionen, die über ihre gemeinsamen Elektronen im Kristallgitter gebunden sind.
Die chemische Zusammensetzung einer Legierung bestimmt die thermodynamisch bevorzugte Anordnung der Atome in den Körnern, die als Kristallstruktur bezeichnet wird. Homogene Bereiche eines Metalls mit einer sich wiederholenden Kristallstruktur bilden ein oder mehrere Körner, die als Phasen bezeichnet werden. Die mechanischen Eigenschaften einer Legierung hängen von der Kristallstruktur der Legierung ab. Gleiches gilt für die Größe und Anordnung der Körner jeder Phase.
Die meisten Menschen kennen die Aggregatzustände von Wasser. Wenn flüssiges Wasser gefriert, wird es zu Eis. Bei Metallen hingegen gibt es nicht nur eine feste Phase. Bestimmte Legierungsfamilien sind nach ihren Phasen benannt. Bei Edelstählen bestehen austenitische Legierungen der 300er-Serie nach dem Glühen hauptsächlich aus Austenit. Legierungen der 400er-Serie hingegen bestehen aus Ferrit (Edelstahl 430) bzw. Martensit (Edelstahl 410 und 420).
Das Gleiche gilt für Titanlegierungen. Die Bezeichnung jeder Legierungsgruppe gibt ihre vorherrschende Phase bei Raumtemperatur an – Alpha, Beta oder eine Mischung aus beiden. Es gibt Alpha-, Quasi-Alpha-, Alpha-Beta-, Beta- und Quasi-Beta-Legierungen.
Beim Erstarren des flüssigen Metalls scheiden sich die festen Partikel der thermodynamisch bevorzugten Phase dort ab, wo Druck, Temperatur und chemische Zusammensetzung dies zulassen. Dies geschieht üblicherweise an Grenzflächen, ähnlich wie Eiskristalle auf der Oberfläche eines warmen Teichs an einem kalten Tag. Bei der Kristallkeimbildung wächst die Kristallstruktur in eine Richtung, bis sie auf ein anderes Korn trifft. Korngrenzen bilden sich an den Schnittpunkten nicht übereinstimmender Gitter aufgrund der unterschiedlichen Orientierungen der Kristallstrukturen. Stellen Sie sich vor, Sie legen viele Rubik-Würfel unterschiedlicher Größe in eine Schachtel. Jeder Würfel hat ein quadratisches Gittermuster, aber sie sind alle in unterschiedlichen, zufälligen Richtungen angeordnet. Ein vollständig erstarrtes Metallwerkstück besteht aus einer Reihe scheinbar zufällig orientierter Körner.
Bei jeder Kornbildung besteht die Möglichkeit von Linienfehlern. Diese Fehler sind fehlende Teile der Kristallstruktur, sogenannte Versetzungen. Diese Versetzungen und ihre anschließende Bewegung innerhalb des Korns und über Korngrenzen hinweg sind grundlegend für die Duktilität von Metallen.
Ein Querschnitt des Werkstücks wird montiert, geschliffen, poliert und geätzt, um die Kornstruktur sichtbar zu machen. Bei gleichmäßiger und gleichachsiger Korngröße ähnelt die Mikrostruktur im Lichtmikroskop einem Puzzle. Tatsächlich sind die Körner dreidimensional, und der Querschnitt jedes Korns variiert je nach Ausrichtung des Werkstückquerschnitts.
Wenn eine Kristallstruktur mit allen ihren Atomen gefüllt ist, gibt es keinen Raum für Bewegung außer der Dehnung der atomaren Bindungen.
Entfernt man die Hälfte einer Atomreihe, schafft man die Möglichkeit für eine andere Atomreihe, an diese Stelle zu gleiten und so die Versetzung zu verschieben. Wird eine Kraft auf das Werkstück ausgeübt, ermöglicht die gebündelte Bewegung der Versetzungen im Mikrogefüge dessen Biegung, Dehnung oder Stauchung ohne Bruch.
Wirkt eine Kraft auf eine Metalllegierung, erhöht sich die Energie des Systems. Wird genügend Energie zugeführt, um plastische Verformung zu verursachen, verformt sich das Kristallgitter und es bilden sich neue Versetzungen. Logischerweise sollte dies die Duktilität erhöhen, da mehr Raum frei wird und somit die Bewegung von Versetzungen begünstigt wird. Stoßen Versetzungen jedoch zusammen, können sie sich gegenseitig blockieren.
Mit zunehmender Anzahl und Konzentration von Versetzungen werden immer mehr Versetzungen blockiert, was die Duktilität verringert. Schließlich treten so viele Versetzungen auf, dass eine Kaltumformung nicht mehr möglich ist. Da sich die blockierten Versetzungen nicht mehr bewegen können, dehnen sich die atomaren Bindungen im Kristallgitter bis zum Bruch. Dies ist der Grund für die Kaltverfestigung von Metalllegierungen und dafür, dass die plastische Verformung, die ein Metall vor dem Bruch aushält, begrenzt ist.
Das Korn spielt auch beim Glühen eine wichtige Rolle. Durch das Glühen eines kaltverfestigten Materials wird das Mikrogefüge im Wesentlichen zurückgesetzt und somit die Duktilität wiederhergestellt. Während des Glühprozesses werden die Körner in drei Schritten umgewandelt:
Stellen Sie sich eine Person vor, die durch einen überfüllten Zugwaggon geht. Menschenmengen lassen sich nur durch Lücken zwischen den Reihen zusammendrängen, ähnlich wie bei Versetzungen in einem Gitter. Während sie voranschreiten, füllen die Menschen hinter ihnen die entstandenen Lücken, während vor ihnen neuer Platz entsteht. Am anderen Ende des Waggons angekommen, ändert sich die Anordnung der Fahrgäste. Versuchen zu viele Menschen gleichzeitig vorbeizugehen, stoßen sie gegen die Wände des Waggons und werden so eingeklemmt. Je mehr Lücken entstehen, desto schwieriger wird es für alle, sich gleichzeitig zu bewegen.
Es ist wichtig, den minimalen Verformungsgrad zu verstehen, der erforderlich ist, um die Rekristallisation auszulösen. Besitzt das Metall jedoch vor der Erhitzung nicht genügend Verformungsenergie, findet keine Rekristallisation statt und die Körner wachsen einfach über ihre ursprüngliche Größe hinaus.
Die mechanischen Eigenschaften lassen sich durch die Steuerung des Kornwachstums beeinflussen. Eine Korngrenze ist im Wesentlichen eine Wand aus Versetzungen. Sie behindern die Bewegung.
Wird das Kornwachstum eingeschränkt, entstehen mehr kleine Körner. Diese kleineren Körner weisen eine feinere Kornstruktur auf. Mehr Korngrenzen bedeuten weniger Versetzungsbewegung und höhere Festigkeit.
Wird das Kornwachstum nicht eingeschränkt, wird die Kornstruktur gröber, die Körner werden größer, die Korngrenzen weniger und die Festigkeit nimmt ab.
Die Korngröße wird oft als dimensionslose Zahl zwischen 5 und 15 angegeben. Es handelt sich dabei um ein relatives Verhältnis zum durchschnittlichen Korndurchmesser. Je höher die Zahl, desto feiner die Körnung.
ASTM E112 beschreibt Verfahren zur Messung und Bewertung der Korngröße. Dabei wird die Kornmenge in einem bestimmten Bereich gezählt. Dies geschieht üblicherweise durch Schneiden eines Querschnitts des Rohmaterials, Schleifen und Polieren sowie anschließendes Ätzen mit Säure, um die Partikel freizulegen. Die Zählung erfolgt unter einem Mikroskop, dessen Vergrößerung eine ausreichende Probenahme der Körner ermöglicht. Die Vergabe von ASTM-Korngrößennummern signalisiert eine angemessene Gleichmäßigkeit in Kornform und -durchmesser. Es kann sogar vorteilhaft sein, die Abweichung der Korngröße auf zwei oder drei Punkte zu begrenzen, um eine gleichbleibende Leistung des Werkstücks zu gewährleisten.
Bei der Kaltverfestigung besteht ein umgekehrtes Verhältnis zwischen Festigkeit und Duktilität. Die Beziehung zwischen ASTM-Korngröße und Festigkeit ist tendenziell positiv und stark, während die Dehnung im Allgemeinen umgekehrt proportional zur ASTM-Korngröße ist. Übermäßiges Kornwachstum kann jedoch dazu führen, dass „weiche“ Werkstoffe nicht mehr effektiv kaltverfestigt werden.
Die Korngröße wird oft als dimensionslose Zahl zwischen 5 und 15 angegeben. Es handelt sich dabei um ein relatives Verhältnis zum durchschnittlichen Korndurchmesser. Je höher der ASTM-Korngrößenwert, desto mehr Körner pro Flächeneinheit.
Die Korngröße des geglühten Materials variiert mit der Zeit, der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit. Das Glühen erfolgt üblicherweise zwischen der Rekristallisationstemperatur und dem Schmelzpunkt der Legierung. Der empfohlene Glühtemperaturbereich für austenitischen Edelstahl der Legierung 301 liegt zwischen 1040 und 1135 °C. Der Schmelzpunkt liegt bei etwa 1400 °C. Im Gegensatz dazu sollte kommerziell reines Titan der Güteklasse 1 bei 700 °C geglüht werden und schmilzt bei etwa 1650 °C.
Beim Glühen konkurrieren Erholungs- und Rekristallisationsprozesse miteinander, bis die rekristallisierten Körner alle deformierten Körner vollständig verdrängt haben. Die Rekristallisationsrate ist temperaturabhängig. Nach Abschluss der Rekristallisation setzt das Kornwachstum ein. Ein Werkstück aus Edelstahl 301, das eine Stunde lang bei 1040 °C (1900 °F) geglüht wurde, weist ein feineres Korngefüge auf als dasselbe Werkstück, das für die gleiche Zeit bei 1093 °C (2000 °F) geglüht wurde.
Wird das Material nicht lange genug im optimalen Glühbereich gehalten, kann das resultierende Gefüge aus einer Mischung alter und neuer Körner bestehen. Sollen sich im gesamten Metall gleichmäßige Eigenschaften ergeben, sollte der Glühprozess auf ein gleichmäßiges, gleichachsiges Gefüge abzielen. Gleichmäßig bedeutet, dass alle Körner annähernd die gleiche Größe aufweisen, und gleichachsig bedeutet, dass sie annähernd die gleiche Form haben.
Um ein gleichmäßiges und gleichachsiges Gefüge zu erzielen, muss jedes Werkstück der gleichen Wärmemenge für die gleiche Zeit ausgesetzt und mit der gleichen Geschwindigkeit abgekühlt werden. Dies ist beim Chargenglühen nicht immer einfach oder möglich. Daher ist es wichtig, mindestens zu warten, bis das gesamte Werkstück die erforderliche Temperatur erreicht hat, bevor die Haltezeit berechnet wird. Längere Haltezeiten und höhere Temperaturen führen zu einem gröberen Gefüge bzw. einem weicheren Material und umgekehrt.
Wenn Korngröße und Festigkeit zusammenhängen und die Festigkeit bekannt ist, warum sollte man die Korngröße berechnen? Alle zerstörenden Prüfverfahren weisen eine gewisse Streuung auf. Zugversuche, insbesondere bei geringen Dicken, hängen maßgeblich von der Probenpräparation ab. Zugfestigkeitsprüfungen, die nicht die tatsächlichen Materialeigenschaften widerspiegeln, können zu vorzeitigem Versagen führen.
Sind die Eigenschaften im Werkstück nicht einheitlich, liefert eine Zugprobe von einer Kante möglicherweise nicht alle relevanten Informationen. Probenvorbereitung und -prüfung können zudem zeitaufwändig sein. Wie viele Prüfungen sind für ein bestimmtes Metall möglich und in wie vielen Richtungen ist dies praktikabel? Die Beurteilung der Kornstruktur bietet zusätzliche Sicherheit gegen unerwartete Ergebnisse.
Anisotrop, isotrop. Anisotropie bezeichnet die Richtungsabhängigkeit mechanischer Eigenschaften. Neben der Festigkeit lässt sich die Anisotropie besser durch die Untersuchung der Kornstruktur verstehen.
Ein gleichmäßiges und gleichachsiges Gefüge sollte isotrop sein, d. h. es weist in alle Richtungen die gleichen Eigenschaften auf. Isotropie ist besonders wichtig bei Tiefziehprozessen, bei denen die Rundlaufgenauigkeit entscheidend ist. Beim Einziehen des Rohlings in die Form fließt das anisotrope Material nicht gleichmäßig, was zu einem Defekt namens „Ohrring“ führen kann. Der Ohrring entsteht, wenn der obere Teil des Formteils eine wellenförmige Silhouette bildet. Die Untersuchung des Gefüges kann die Lage von Inhomogenitäten im Werkstück aufzeigen und zur Diagnose der Ursache beitragen.
Eine korrekte Wärmebehandlung ist entscheidend für die Erzielung von Isotropie. Es ist jedoch ebenso wichtig, den Verformungsgrad vor der Wärmebehandlung zu kennen. Bei der plastischen Verformung des Materials verformen sich auch die Körner. Beim Kaltwalzen, also der Umwandlung von Dicke in Länge, verlängern sich die Körner in Walzrichtung. Mit der Änderung des Kornlängenverhältnisses ändern sich auch die Isotropie und die mechanischen Eigenschaften. Bei stark verformten Werkstücken kann selbst nach der Wärmebehandlung noch eine gewisse Orientierung vorhanden sein. Dies führt zu Anisotropie. Bei tiefgezogenen Werkstoffen ist es mitunter notwendig, den Verformungsgrad vor der abschließenden Wärmebehandlung zu begrenzen, um Verschleiß zu vermeiden.
Orangenhautbildung. Das Aufnehmen von Material ist nicht der einzige Tiefziehfehler, der mit der Ziehdüse in Zusammenhang steht. Orangenhaut entsteht, wenn Rohmaterialien mit zu groben Partikeln gezogen werden. Jedes Korn verformt sich unabhängig und in Abhängigkeit von seiner Kristallorientierung. Der Unterschied in der Verformung benachbarter Körner führt zu einem texturierten Erscheinungsbild, das an Orangenhaut erinnert. Die Textur ist die granulare Struktur, die an der Oberfläche der Becherwand sichtbar wird.
Ähnlich wie bei den Pixeln eines Fernsehbildschirms wird bei einer feinkörnigen Struktur der Unterschied zwischen den einzelnen Körnern weniger deutlich, wodurch die Auflösung effektiv erhöht wird. Die alleinige Angabe mechanischer Eigenschaften reicht möglicherweise nicht aus, um eine ausreichend feine Korngröße zu gewährleisten und den Orangenhauteffekt zu vermeiden. Wenn die Maßabweichung des Werkstücks weniger als das Zehnfache des Korndurchmessers beträgt, bestimmen die Eigenschaften der einzelnen Körner das Umformverhalten. Die Verformung erfolgt nicht gleichmäßig über viele Körner hinweg, sondern spiegelt die spezifische Größe und Ausrichtung jedes einzelnen Korns wider. Dies zeigt sich am Orangenhauteffekt an den Wänden der gezogenen Becher.
Bei einer ASTM-Korngröße von 8 beträgt der durchschnittliche Korndurchmesser 885 µin. Dies bedeutet, dass jede Dickenreduzierung von 0,00885 Zoll oder weniger durch diesen Mikroformungseffekt beeinflusst werden kann.
Obwohl grobkörnige Materialien Probleme beim Tiefziehen verursachen können, werden sie mitunter für Prägeverfahren empfohlen. Prägen ist ein Umformprozess, bei dem ein Rohling komprimiert wird, um eine gewünschte Oberflächenstruktur zu erzeugen, beispielsweise die Gesichtszüge eines Viertels von George Washington. Im Gegensatz zum Drahtziehen fließt beim Prägen in der Regel kein großes Materialvolumen, es ist jedoch eine hohe Kraft erforderlich, die die Oberfläche des Rohlings verformen kann.
Aus diesem Grund kann die Minimierung der Oberflächenfließspannung durch die Verwendung einer gröberen Kornstruktur dazu beitragen, die für eine ordnungsgemäße Formfüllung erforderlichen Kräfte zu verringern. Dies gilt insbesondere für das Freiformprägen, bei dem Versetzungen auf Oberflächenkörnern frei fließen können, anstatt sich an Korngrenzen anzusammeln.
Die hier diskutierten Trends sind Verallgemeinerungen, die möglicherweise nicht auf bestimmte Bereiche zutreffen. Sie verdeutlichten jedoch die Vorteile der Messung und Standardisierung der Korngröße von Rohmaterialien bei der Konstruktion neuer Teile, um häufige Fehler zu vermeiden und die Formgebungsparameter zu optimieren.
Hersteller von Präzisions-Metallstanzmaschinen und Tiefziehmaschinen zur Formgebung ihrer Teile arbeiten eng mit Metallurgen zusammen, die über technisches Know-how im Bereich Präzisionswalzen verfügen und bei der Materialoptimierung bis hin zur Kornebene unterstützen können. Die Integration von Metallurgen und Ingenieuren beider Seiten in ein Team kann einen grundlegenden Wandel bewirken und zu deutlich besseren Ergebnissen führen.
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