Herr Lausecker, da kühlt man mal eben eine Portion Stahl, ein Werkzeug, auf –180 °C ab – und schon soll das Material dauerhaft neue Eigenschaften haben? Das hört sich schon ein wenig an wie Alchemie …
… wenn das so einfach wäre, dann würde das tatsächlich an Zauberei grenzen. Die Wirklichkeit ist aber sogar noch weitaus spannender: Die Tieftemperaturbehandlung, wie wir sie einsetzen, ist ein komplexer Prozess, bei dem mittels eines exakt gesteuerten Temperaturverlaufs Materialien in ihren Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Das hat unter anderem Auswirkungen auf Spannungen im Material, auf den Restaustenitgehalt und damit auch auf die Verschleißbeständigkeit sowie auf die Dimensionsbeständigkeit. Damit wollen wir unter anderem die Lebensdauer der Werkzeuge verlängern, die Produktqualität verbessern und damit letztlich auch den Nutzungsgrad der Maschinen im Produktionsprozess erhöhen.
Wie genau läuft eine Tieftemperaturbehandlung ab?
Das Verfahren selbst ist eigentlich ganz einfach: die Werkzeuge und Bauteile werden in eine sehr gut isolierte Tiefkühlkammer eingelegt und mit Hilfe von Stickstoff auf Temperaturen von -180 °C abgekühlt. Nach rund 15 Stunden werden die Teile auf etwas über Raumtemperatur erwärmt und können dann aus der Kammer entnommen werden. Das war‘s im Prinzip auch schon, das Verfahren ist damit abgeschlossen.
Sie sprachen von einem komplexen Prozess – wo also ist der Haken?
Nun, auch wenn es im Prinzip sehr einfach klingt, kann man doch einiges falsch machen. Einige Anbieter kühlen beispielsweise nur auf –80 °C ab, als Medium wird hier üblicherweise Trockeneis verwendet. Andere wiederum stecken die zu behandelnden Bauteile direkt in den flüssigen Stickstoff. Ein Temperaturschock ist hier die Folge. Beides führt nicht zu optimalen Ergebnissen.
Wie also muss der Prozess für optimale Ergebnisse ablaufen?
Wir bei CoolTech haben uns in vielen Versuchen eine praxisbewährte Vorgehensweise erarbeitet: Wir kühlen Bauteile sehr langsam ab, mit 1 bis 2 K/min nähern wir uns der Temperatur, die bei der Umwandlung vom flüssigen in gasförmigen Stickstoff entsteht. Das sind –196 °C. Wir achten dabei streng darauf, dass die Bauteile in der Kammer nie mit dem flüssigen Stickstoff in Kontakt kommen. Mit der langsamen Abkühlung stellen wir auch sicher, dass das gesamte Material sehr gleichmäßig durchgekühlt wird. Dies wird umso wichtiger, je schwerer und großvolumiger die Bauteile werden.
Wo in der Prozesskette hat die Tieftemperaturbehandlung ihren Platz?
Zunächst werden Werkzeugkomponenten geschruppt, eventuell grobgeschlichtet und bei Bedarf auch konventionell gehärtet – die Tieftemperaturbehandlung kann und soll den klassischen Härteprozess nicht ersetzen. Auch ein eventuelles zusätzliches Anlassen oder Temperieren des zu bearbeitenden Werkstücks kann vorher geschehen. Wenn all diese Prozesse abgeschlossen sind, wird vor der Bearbeitung auf Endkontur in der Tiefkühlkammer temperiert. Nach der Tieftemperaturbehandlung ist das Werkstück sehr dimensionsstabil, so dass beim Fertigschlichten auf Endkontur eine hohe Maßgenauigkeit erzielt werden kann.
Was genau bewirkt eigentlich das Abkühlen im Material?
Beim Härten werden Werkzeuge und Bauteile erwärmt und anschließend rasch abgekühlt. Dabei wandelt sich das Gefüge vom α-Eisen (Ferrit) in γ-Eisen (Austenit) und weiter in Martensit um. Beim anschließenden Anlassen oder Tempern – einer erneuten Wärmebehandlung – werden noch die gewünschten Eigenschaften im Material eingestellt. Da wir Menschen nun einmal bei etwa +20 °C am besten leben und darauf auch all unsere Verfahren abstimmen, kühlt der Stahl in der Regel nach der Wärmebehandlung auch nur auf Raumtemperatur ab. Damit verhindern wir allerdings eine vollkommene Umwandlung des Gefüges. Denn die Martensit-Finishtemperatur liegt deutlich unter der Raumtemperatur, und so kann nicht der gesamte Austenit in Martensit umgewandelt werden. Mit der Tieftemperaturbehandlung auf –180 °C wird der Umwandlungsprozess somit vervollständigt.
Was ist dabei zu beachten?
Da die Umwandlung des Restaustenits in Martensit während der Temperaturänderung beim Abkühlvorgang passiert, ist die Haltedauer bei der niedrigen Temperatur nicht unbedingt vorrangig, sondern das Herunterkühlen an sich und das Erreichen der tiefsten Temperatur. Damit erklärt sich auch die besondere Prozessführung bei CoolTech: Wir kühlen zunächst auf –180 °C ab, erwärmen etwas, um danach wieder auf –180 °C abzukühlen, so dass ein sinusartiger Temperaturverlauf entsteht. Das wiederholt sich mehrfach. Mit dem mehrfachen Erreichen der tiefsten Temperaturen schaffen wir es, einen maximalen Anteil des instabilen Restaustenits in den gewünschten Martensit umzuwandeln. In der Praxis schaffen wir es beispielsweise, den Restaustenitgehalt in Einsatzstahl 15CrNi6 (1.5919) von rund 15 auf nur noch 4,8 Prozent zu senken.
„In der Praxis haben wir per
Tieftemperaturbehandlung schon Steigerungsraten bis zum Mehrfachen der bisherigen Lebensdauer realisiert.“
Wolfgang Lausecker, CoolTech
Und was bedeutet das in der Praxis für den Anwender – sind die erzielbaren Vorteile den Aufwand wert?
Aber ja, Herr Pergler! Die Auswirkungen der Tieftemperaturbehandlung liegen schließlich in mehreren Bereichen – sie ist ein cooler Prozessschritt mit geldwerten Vorteilen. Der stark reduzierte Rest-Austenitanteil verhindert ein Aufwachsen der Werkzeugplatten während des Lebenszyklus, und das von Beginn an – es ist ein künstliches Altern des Materials. Die sogenannte Eta-Karbid-Bildung verhilft den Werkzeugstählen zu höheren Lebensdauern im Einsatz. Werkzeugstähle zeigen allgemein eine deutliche Steigerung der Lebensdauer nach der Tieftemperaturbehandlung. In der Praxis haben wir schon Steigerungen bis zum Mehrfachen der normalen Lebensdauer realisiert.
Neben der Verschleißfestigkeit erwähnten Sie die Erhöhung der Dimensionsstabilität …
… und die wird unter anderem über den künstlichen Alterungsprozess des Materials erreicht. Was normalerweise über Wochen und Monate passiert, wird mit der Tieftemperaturbehandlung in nur 15 Stunden erledigt. Das ist wichtig gerade in Bezug auf die Umwandlung des Restaustenits in Martensit: Denn beim Umklappen des Gefüges erfolgt auch eine Volumenzunahme. In den betroffenen Gefügeanteilen kann diese Volumenzunahme bis zu 4 Prozent betragen. Deshalb setzen wir den Prozessschritt vor dem Finishen der Werkzeuge an; Bei einem fertigen im Regal befindlichen Stanz-, Präge- oder Umformwerkzeug ist ein „Wachstum“ der Werkzeuge mit Sicherheit nicht erwünscht. Wenn es noch genauer sein muss als sonst, etwa bei der Fertigung von Lehren – Lehrringe, Lehrdorne und Ähnliches – kann ein auf diese Weise speziell gealterter Werkstoff verwendet werden, um höchste Dimensionsstabilität über Jahre zu garantieren.
Was passiert beim Tiefkühlen eigentlich mit Spannungen, die im Werkstoff vorhanden sind?
Die extrem langsame Abkühlung und Erwärmung der Bauteile während der Tieftemperaturbehandlung ermöglicht es, dass auch diese inneren Materialspannungen weitestgehend abgebaut werden können. Bei vielen Komponenten für die Raumfahrt wird die Tieftemperaturbehandlung nicht zuletzt deshalb heute schon zwingend vorgeschrieben. Aber auch bei Bauteilen, die bei ihrer Bearbeitung im Bereich der Zerspanung eine längere Laufzeit benötigen, ist es wichtig, nur geringe bis keine inneren Spannungen im Material zu haben. Ansonsten verzieht sich das Bauteil beim Ausspannen aus der Werkzeugmaschine. Eine vorgelagerte Tieftemperaturbehandlung kann diesen Spannungsverzug verhindern oder zumindest deutlich reduzieren.
Ist das Verfahren nur für Werkzeugstähle geeignet?
Keineswegs. So steigern zum Beispiel auch Hartmetalle ihren Verschleißwiderstand aufgrund einer Tieftemperaturbehandlung. Studien haben gezeigt, dass bei der Zerspanung von Titan mittels tieftemperaturbehandelter VHM-Werkzeuge gegenüber herkömmlichen VHM-Werkzeugen eine Erhöhung der Werkzeuglebensdauer von bis zu 40 Prozent möglich ist.
Wie kann ein Anwender in die Technik der Tieftemperaturbehandlung einsteigen?
CoolTech bietet dieses Verfahren als Dienstleistung für unterschiedlichste Anwendungsfälle an – wir sind einer von nur sehr wenigen unabhängigen Anbietern in Europa. Auf diese Weise ist für Interessenten ein risikoloser Einstieg möglich. Wenn ein Anwender seine Werkzeuge bei sich im Haus behandeln will, bieten wir auch die Anlagentechnologie mit unserem Know-how an. Mit der Tieftemperaturbehandlung lassen sich Kosten senken, innere Materialspannungen abbauen, der Verzug der Bauteile verhindern und Stanz-, Präge- und Umformwerkzeuge maßlich stabil halten – und zwar von Anfang an bis zum Lebensdauerende.