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2022

Wie lässt sich die Aufheizzeit bei der Wärmebehandlung von Schmiederohlingen verkürzen?

Das Verhältnis der Zeit, in der die Oberfläche des Schmiedeteils nach dem Aufheizen im Ofen die Zieltemperatur erreicht (gleichmäßige Erwärmung), zur Zeit, in der der Kern die Zieltemperatur erreicht (Isolierung), zur gesamten Aufheizzeit variiert mit der Heiztemperatur. Je niedriger die Heiztemperatur, desto höher dieses Verhältnis; je höher die Heiztemperatur, desto länger die Haltezeit. Der Schlüssel zur Verkürzung der Aufheizzeit liegt also in der Phase, die einen großen Anteil der Gesamtaufheizzeit ausmacht. Gemäß den Prinzipien der Wärmeübertragung gibt es folgende Möglichkeiten zur Verkürzung der Aufheizzeit:

1. Gleichmäßige Erwärmung

Wird das Werkstück ungleichmäßig erwärmt, führt eine ungleichmäßige Erwärmung der Oberfläche zu einem exzentrischen Erwärmungszentrum. Dies entspricht einer Vergrößerung des Querschnitts, beispielsweise um den Durchmesser (1,4D). Um dies zu korrigieren, muss die Aufheizzeit um 30–50 % verlängert werden. Daher ist eine homogene Erwärmung der wichtigste Aspekt zur Verkürzung der Aufheizzeit. Hierbei ist auf ein gutes Arbeitsumfeld im Heizofen zu achten, die Ofentemperatur präzise zu regeln und die Gaszirkulation beim Beladen des Werkstücks zu berücksichtigen.

2. Geeignete Querschnittstemperaturdifferenz wählen

Nachdem die Oberfläche des Schmiedeteils erwärmt ist, erreicht die Kerntemperatur aufgrund der begrenzten Wärmeleitfähigkeit erst nach längerer Zeit die Oberflächentemperatur. Daher sollte die Erwärmungszeit entsprechend den tatsächlichen Anforderungen an die Werkstückmitte festgelegt werden, d. h. eine gewisse Querschnittstemperaturdifferenz ist zulässig. Beispielsweise muss bei normalem Baustahl, der keine Verformung erfordert, die Erwärmung nicht bis nahe an die Oberflächentemperatur erfolgen. Bei einem fehlerhaften Kern hingegen muss dieser auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt werden. Die Analyse der Erwärmungsstandards ausländischer Schmiedeteile zeigt, dass die Querschnittstemperaturdifferenz beim Hochtemperatur-Breitpressverfahren unter 10 °C liegt, während die zulässige Querschnittstemperaturdifferenz bei herkömmlichen Schmiedeteilen nahezu 100 °C beträgt und die Erwärmungszeit nur 60 % der ersteren ausmacht. Dieselben Probleme treten auch bei der Wärmebehandlung auf: Für die Mischkristallbildung von Legierungselementen, die Kornfeinung, die Mikrostrukturumwandlung und die Anlassparameter etc. existiert unabhängig vom Ziel ein geeigneter Temperaturbereich. Daher kann die Erwärmungszeit unter Gewährleistung der Qualität durch die Untersuchung des geeigneten Temperaturbereichs für verschiedene Stahlsorten und Prozessanforderungen sowie die Bestimmung der angemessenen zulässigen Querschnittstemperaturdifferenz deutlich verkürzt werden.

3. Ofentemperatur angemessen erhöhen

Beim Erwärmen des Schmiederohlings hinkt die Oberflächentemperatur stets der Ofentemperatur hinterher. Nachdem die Temperatur im Ofen die erforderliche Temperatur erreicht hat, kann die Oberfläche des Schmiedeteils innerhalb eines längeren Zeitraums die maximale Temperatur erreichen. Die Dauer dieses Zeitraums hängt eng mit der erforderlichen Erwärmungstemperatur zusammen. Mit sinkender Erwärmungstemperatur nimmt der Wärmeübergangskoeffizient an der Oberfläche ab, und die benötigte Zeit verlängert sich. Daher kann eine entsprechende Erhöhung der Ofentemperatur vor Erreichen der Oberflächentemperatur des Schmiedeteils die Zeit bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur deutlich verkürzen. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Werkstücke mit einfachen Formen. Durch die Berechnung des Temperaturfeldes können die Ofentemperatur und die Haltezeit entsprechend der Werkstückgröße, der erforderlichen Erwärmungstemperatur und der Erwärmungsgeschwindigkeit angepasst werden.

4. Konvektion verstärken

Bei hohen Temperaturen erfolgt der Wärmeaustausch an der Oberfläche hauptsächlich durch Konvektion. Bei konstanter Ofengastemperatur bestimmt die Gasgeschwindigkeit an der Oberfläche der Ofenbeschickung und des Schmiedeblocks den Wärmeübergangskoeffizienten und beeinflusst die Zeit, die die Oberfläche zum Erreichen der gewünschten Temperatur benötigt. Herkömmliche Kohlegas- und Schwerölöfen nutzen hauptsächlich die Verbrennungsluftzufuhr für die erzwungene Konvektion. Bei Niedertemperaturheizungen im Bereich von 200–400 °C wird der Brenner teilweise abgeschaltet. Die Reduzierung des Luftvolumens beeinträchtigt die Heizleistung im Niedertemperaturbereich erheblich. Daher lässt sich bei Niedertemperaturöfen die Heizleistung steigern und die Aufheizzeit verkürzen, wenn die Ofenkonstruktion optimiert und die Gaszirkulation verbessert wird.

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