Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass für industrielle, medizinische oder Konsumgüteranwendungen bestimmte Formen und mechanische Eigenschaften eines Legierungsprodukts erforderlich sind. Genau an dieser Stelle kommen Kaltumformungsverfahren ins Spiel.
Kaltumformung bezeichnet jedes Metallbearbeitungsverfahren, bei dem die Legierung unterhalb ihrer Rekristallisationstemperatur plastisch verformt wird. Jede Legierung besitzt eine eigene Rekristallisationstemperatur, die in der Regel etwa bei der Hälfte des Schmelzpunkts des Metalls liegt.
Von Prägen und Walzen bis hin zum Stanzen: Ein erfolgreiches Kaltumformungsprojekt liefert ein Material mit hoher Maß- und mechanischer Präzision sowie ausgezeichneter Reproduzierbarkeit und Austauschbarkeit.
Wird ein Metall verformt, kommt es auf atomarer Ebene zu einer Verfestigung. Durch Kaltverfestigung verschieben sich die Atome im Kristallgitter und „verriegeln“ sich, wenn das Metall bestimmten Belastungen ausgesetzt wird. Mit jedem weiteren Umformungsvorgang nimmt die Widerstandsfähigkeit gegenüber weiterer Verformung zu, da immer mehr Atome in festen Positionen verbleiben. Die eingebrachte Arbeit, also Energie, erhöht somit die Festigkeit des Werkstoffs.
Gelegentlich tritt Kaltverfestigung unbeabsichtigt auf und ist unerwünscht. Meist jedoch ist sie das beabsichtigte Ziel, da feste Materialien in vielen Anwendungen von Vorteil sind. Aus diesem Grund finden Kaltumformungsverfahren besonders in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie sowie in zahlreichen weiteren Branchen breite Anwendung.
Der wichtigste Unterschied zwischen Warm- und Kaltumformung liegt in der Temperatur. Es gibt jedoch noch weitere wesentliche Unterscheidungsmerkmale zwischen diesen beiden Metallbearbeitungsverfahren.
Die Rekristallisation ist ein zentrales Phänomen in der Metallurgie. Sie tritt auf, wenn Metallatome so stark angeregt werden, dass sich neue Kristalle bilden. Ähnlich wie Wasser seinen Aggregatszustand wechselt, besitzt auch jedes Metall einen eigenen Rekristallisationspunkt.
Die technischen Definitionen von Warm- und Kaltumformung beziehen sich auf die Rekristallisationstemperatur des Metalls. Warmumformung findet oberhalb, Kaltumformung unterhalb dieser Temperatur statt. Dazwischen liegt die sogenannte Halbwarmumformung.
Warmumformung stellt andere Anforderungen und liefert andere Ergebnisse als die Kaltumformung. Diese Unterschiede sind bei der Wahl des geeigneten Verfahrens entscheidend. Warmumgeformter Edelstahl beispielsweise weist eine hohe Duktilität auf, zeigt keine Kaltverfestigung und enthält keine Eigenspannungen. Allerdings erfordert die Warmumformung einen erheblichen Energieeinsatz, was die Lebensdauer von Werkzeugen und Maschinen verkürzt und somit die Kosten erhöht.
Kaltumformung kommt ohne Erhitzen aus, benötigt jedoch deutlich höhere Kräfte zur Verformung des Metalls. Der Vorteil: Es entstehen glattere Oberflächen und eine präzisere Kontrolle der mechanischen Eigenschaften.
Wie bei der Wärmebehandlung hat jedes Kaltumformungsverfahren spezifische Vor- und Nachteile. Die Auswahl erfolgt stets nach dem geplanten Einsatzzweck des Werkstoffs.
Die verschiedenen Verfahren spiegeln die breite Anwendungsvielfalt von Metallen wider. Jedes Kaltumformungsverfahren verleiht dem Metall spezifische Eigenschaften.
Die vier Hauptarten der Kaltumformungsverfahren sind:
Das Präzisionsstanzen ist ein komplexer Prozess, der mehrere dieser Kaltumformungsmethoden kombiniert.
Walzen, Kaltfließpressen, Prägen und Extrudieren zählen zu den Kaltumformungsverfahren, die dem Pressen zugeordnet werden.
Das Kaltwalzen, eine der Kernkompetenzen von Ulbrich, ist das am weitesten verbreitete Kaltumformungsverfahren. Bleche, Bänder und andere Produkte werden kaltgewalzt, um glatte Oberflächen und spezifische Materialeigenschaften zu erzielen.
Kaltgewalzter Stahl wird starken Spannungen ausgesetzt, was durch Kaltverfestigung zu einer bis zu 20 Prozent höheren Festigkeit im Vergleich zum Ausgangszustand führt.
Beim Kaltfließpressen wird das Metall zwischen zwei Matrizen gelegt, die wiederholt aufeinander geschlagen werden. Das Metall nimmt dabei die Form der Matrizen an.
Beim Extrudieren wird das Metall mit hoher Kraft durch eine Matrize gepresst und erhält so einen bestimmten Querschnitt.
Biegeverfahren werden meist zur Formgebung von Legierungsprodukten eingesetzt.
Beim Walzprofilieren wird ein langes Metallband (meist Bandstahl) nach Durchlauf mehrerer Walzenstufen schrittweise gebogen, bis das gewünschte Profil erreicht ist.
Weitere gängige Biegeverfahren sind das Rohrbiegen, das Walzenbiegen und das Winkelbiegen.
Das Aufschneiden von Blechen in Streifen ist das am häufigsten verwendete Scherverfahren der Kaltumformung.
Beim Stahlschlitzen wird eine breite Metallrolle in schmalere Bänder mit gleichmäßigen Maßen zerschnitten. Das große Edelstahlband wird in eine Schneidemaschine eingelegt und anschließend die Streifen zu einer neuen Rolle aufgewickelt. Allerdings hinterlassen die Messer der Maschine einen Grat an der Schnittkante.
Beim Kaltziehen wird Metall durch Ziehen verlängert, ohne dass es dabei reißt.
Beim Tiefziehen wird eine gewalzte Metallspule durch eine Matrize gestanzt, wobei ein Stempel die gewünschte Form erzeugt.
Die Matrize entspricht dem Stempel, ist jedoch etwas weiter, um das Material durchzulassen. Die Kompressionskraft drückt das Rohmaterial in die Matrize. Jeder Ziehvorgang ist ein separater Schritt, wobei sich der Durchmesser verringert und die Höhe oder Tiefe des Teils zunimmt. Dadurch wird die Rekristallisation während der Formänderung sichergestellt. Zu den Produkten des Tiefziehens zählen Batteriekapseln, implantierbare medizinische Geräte, Lösungen für die Luftfahrt und Komponenten für die Flugzeugabwehr.
Das Metallstanzen ist ein ideales Fertigungsverfahren für Metallprodukte, bei denen enge Toleranzen gefordert sind.
Ein flaches Metallband wird im Stanzprozess in verschiedene Formen gebracht. Dieser komplexe Vorgang kombiniert mehrere Umformtechniken wie Stanzen, Prägen, Durchstoßen, Ausschneiden und Biegen.
Die Kaltumformung bietet zahlreiche Vorteile, die dafür sorgen, dass die Nachfrage nach diesen Verfahren trotz des hohen Kraftaufwands konstant hoch bleibt.
Kaltumformung findet in vielen Bereichen Anwendung, unter anderem:
Die Kaltumformung ist eine effektive Methode zur Festigkeitssteigerung von Metallen.
Warmgewalzter Stahl wird durch Kaltwalzen auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften gebracht, insbesondere mit erhöhter Zugfestigkeit. Warm- und Kaltwalzen zählen zu den am häufigsten eingesetzten metallurgischen Verfahren.
Neben der Festigkeitssteigerung sorgt das Kaltwalzen auch für eine glattere Oberfläche. Die Rauheit (Oberflächenunebenheit) von kaltgewalztem Stahl kann bis zu zehnmal geringer sein als bei warmgewalztem. Daher ist die Kaltumformung ideal zur Herstellung von Metalloberflächen für Konsumgüter.
Kaltumformung ist wirtschaftlich, da kein Metallabfall (Schrott) entsteht. Im Gegensatz dazu erfordern Warmumformungsverfahren Glühöfen und Schmelzöfen, die bei der Kaltumformung entfallen.
Wie viele andere industrielle Verfahren ist auch die Kaltumformung nur für bestimmte Metalle und Größenbereiche geeignet. Für andere Werkstoffe oder größere Abmessungen ist die Warmumformung besser geeignet.
Kaltumformung eignet sich für eine Vielzahl von Metallen: Werkzeugstähle wie Edelstahl, Kobalt-, Kupfer- und Aluminiumlegierungen, Nickelbasismetalle sowie bestimmte Titanlegierungen.
Kaltumformung ist für größere Metallteile nicht geeignet, da der dafür erforderliche Kraftaufwand zu hoch wäre. In der Regel ist Kaltumformung bei Durchmessern über 25 Millimetern nicht mehr praktikabel. Größere Teile werden daher üblicherweise durch andere Verfahren gehärtet.
Einige Metalle lassen sich grundsätzlich nicht kaltumformen. Dazu gehören legierte Stähle, die bei Raumtemperatur nicht duktil sind, Kohlenstoffstahl und Titan Grad 5. Manche kaltumformbaren Metalle wie Kupfer können nach der Kaltumformung spröde werden.
Angesichts der Vielzahl an Kaltumformungsverfahren ist es entscheidend, für jede Anwendung das passende Verfahren zu wählen.
Die richtige Kaltumformung führt zu stärkeren, glatteren und leistungsfähigeren Metallen.
