1998 LS 8.1 Waermebehandlung

Vorwissen

Bei der Verarbeitung von Metallen und Metalllegierungen kommt es immer zu Kaltverformung und Gussfehler. Kaltverformungen sind plastische Verformungen bei z.B. Raumtemperatur wie Abstrahlen oder Biegen. Gussfehler entstehen durch ungleichmäßige Abkühlung oder eine zur schnellen Abkühlung. --- Bild Spannungen im Gefüge --- Dabei entstehen innere Spannungen im Gefüge (räumliche Anordnung von Atomen, siehe Grafik), die zu einer Erhöhung der Festigkeit führen. Zu hohe innere Spannung führt zu einer ungewünschten Festigkeitserhöhung, welche zu Verzug (die Arbeit passt nicht mehr), Rissbildung oder Bruch führen kann. In den meisten Fällen sind die inneren Spannungen aber vernachlässigbar, wenn die Verarbeitungsanleitung eingehalten wird. Bei großen/langen Teilen ist die Gefahr größer.

Beispiel: Verfestigung durch Abstrahlen

Erhöhung der Festigkeit

Wie man dem Graphen entnehmen kann, führt eine Erhöhung der Festigkeit zwar zu einer Erhöhung der maximalen Spannung, jedoch besagt die Fläche unter dem Graphen aus, wie viel Energie und damit wie viel innere Spannungen ein Werkstück aufnehmen kann. Bei höherer Festigkeit wird ein Werkstück zunehmend anfälliger für Brüche. Bei den gehärteten (blau) Werkstück bricht das Werkstück schon bei einmaliger großer Spannung, da sich das Werkstück kaum dehnen kann. Allerdings ist das Werkstück sehr widerstandsfähig gegen Eindringen eines Körpers in die Oberfläche (vergleiche Definition Härte).

Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung ist ein technischer Prozess, der das gezielte Erhitzen sowie das anschließende kontrollierte Abkühlen von Materialien umfasst, um deren Eigenschaften zu verbessern. Dieses Verfahren wird vor allem bei Metallen eingesetzt, kann jedoch auch bei Kunststoffen angewandt werden.

Wärmebehandlungen sind ein Extraschritt, der bei den meisten zahntechnischen Arbeiten die Eigenschaften zwar verbessert, aber nicht notwendig ist. Wärmebehandlungen kosten Zeit und Geld.

Anwendung und Verlauf der Wärmebehandlungen

Jede Wärmebehandlung besteht aus den Phasen (s. Abbildung):

1. Erwärmen (Aufwärmen und Durchwärmen),
2. Halten und
3. Abkühlen

Erwärmen

Das Erreichen der Zieltemperatur eines Werkstücks kann auf zwei Arten erfolgen: einerseits durch Wärmeübertragung, bei der die Wärme durch Wärmeübertragung (durch Konvektion (Muffelofen/Backofen/Heizung) oder Strahlung (Infrarotheizung), auf das Werkstück übergeht (normaler Ofen), und andererseits durch im Werkstück selbst erzeugte Wärme mittels Induktionserwärmung (Mehr dazu beim Gießen).

Bei der Wärmeübertragung erfolgt die Erwärmung des inneren Teils des Werkstücks durch Wärmeleitung, was bedeutet, dass der Kern (die Mitte des Werkstücks) später die Zieltemperatur erreicht als der Rand (die Oberfläche). Dies wird als Durchwärmen bzw. Durchwärmzeit bezeichnet (s. Abbildung oben). Eine viel schnellere Erwärmung ist machbar, wenn die Wärme innerhalb des Werkstücks generiert wird, dies geschieht durch Induktionserwärmung (Mehr dazu beim Gießen).

Mit steigender Erwärmungsgeschwindigkeit, größerer Abmessung des Werkstücks und geringerer thermischer Leitfähigkeit des Materials nimmt der Temperaturunterschied zwischen dem Kern und dem Rand des Werkstücks zu. Obwohl aus ökonomischen Gründen (Zeit, Geld) eine schnelle Erwärmung des Werkstücks angestrebt wird, führt dies zu erhöhten Risiken von Verzug und Rissen aufgrund der beträchtlichen Temperaturdifferenzen zwischen Rand und Kern.

Es gibt eine Vielzahl von Wärmebehandlungen, einige gängige mit kurzer Erläuterung sollen hier vorgestellt werden:

Weichglühen

Beim Weichglühen hebt man die Spannungen durch Verformung möglichst auf.

Spannungsarmglühen

Spannungsarmglühen wird hauptsächlich nach dem Schweißen, Löten oder bei dickwandigen Teilen angewendet, bei denen bereits kleine Temperaturunterschiede zwischen Kern und Rand zu bedeutenden Spannungen führen können. Dickwandige Teile haben wir normalerweise nicht in der Zahntechnik, aber eine lange Brücke könnte nach dem Löten schonmal nicht mehr passen.

Wärmebehandlung im Keramikofen

Zeit-Temperatur Verlauf der verschiedenen Verfahren Erwärmen/Halten/Abkühlen

Verknüpfung zu Phasendiagrammen Verknüpfung zum Spannungs-Dehnungsdiagramm

Langsames vs schnelles Abkühlen / Abkühlen an der Luft