In der Metallurgie und Werkstoffwissenschaft streben Experten stets danach bessere Produkte mit verbess physikalischen und chemischen Eigenschaften zu entwickeln. Dies wird der Regel durch spezialisierte Verfahren unter festgelegten Bedingungen erreicht. Die Kalt- und Warmverformung verschiedener Stahlsorten ist ein bewährter Weg, um deren Eigenschaften gezielt zu optimieren.
Die Kaltverformung ist ein Verfahren, bei dem Stahl unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur durch mechanische Einwirkung gehärtet wird. Rekristallisationstemperatur beschreibt den Punkt, an dem neue, fehlerfreie Kristallkörner die ursprünglichen im Werkstoff ersetzen.
Während des Kaltverformungsprozesses findet keine nennenswerte Erholung statt. Stattdessen kommt es zur Ansammlung von inneren und Eigenspannungen im Metall. Zudem können vorhandene Risse oder Poren wachsen, und es können während der Bearbeitung neue Risse entstehen. Bemerkenswert ist, dass diese Verfestigung ohne den Einsatz von Wärme erfolgt.
Zu den vier gängigen Kaltverformungsverfahren zählen das Quetschen, Biegen, Scheren und Ziehen. Das Quetschen umfasst Methoden wie Walzen, Extrudieren und Kaltumformen.
Kaltgewalzter Stahl steht unter hohen Spannungen. Während dieses Prozesses tritt Kaltverfestigung ein, die die Härte um etwa 20 Prozent gegenüber dem Ursprungszustand steigern kann. Ein weiteres verbreitetes Verfahren ist das Kaltumformen, bei dem der Stahl oder das Zielmetall zwischen zwei Matrizen gelegt und dann durch Schläge in Form gebracht wird. Dadurch nimmt das Werkstück die Form der Matrize an.
Biegeverfahren werden bevorzugt zur Formgebung von Stahllegierungen eingesetzt. Das Scheren dient dem Zerteilen von Stahlblechen in unterschiedlich breite Streifen.
Das Längsteilen von Stahl ist ein Verfahren, bei dem eine breite Mutterrolle in schmalere Streifen mit gleichbleibenden Abmessungen geschnitten wird. Die Hersteller führen dazu das große Edelstahlband durch eine sogenannte Längsteilanlage; die entstehenden Streifen werden anschließend wieder zu Coils aufgewickelt. Zu beachten ist, dass die Messer der Maschine an der Schnittkante einen Grat hinterlassen können.
Kaltverformte Stahlkomponenten werden häufig in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie eingesetzt. Auch viele wesentliche Prozesse und Geräte für medizinische Anwendungen, etwa bei der Fertigung von Herzschrittmacher-Stanzteilen und Hypodermisnadeln, greifen auf kaltverformten Stahl zurück. Zudem wird Kaltarbeitsstahl zur Herstellung von Nieten, Dichtungen und Abschirmungen verwendet.
Neben der Festigkeitssteigerung bewirkt das Kaltwalzen auch eine Glättung der Oberfläche. In Bezug auf die Rauheit kann kaltgewalzter Stahl bis zu zehnmal glatter sein als warmgewalzter, was die Herstellung hochwertiger, glänzender Oberflächen für Konsumgüter erleichtert.
Ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil der Kaltverformung ist, dass dabei kaum Metallschrott anfällt, wie es bei anderen Verfahren oft der Fall ist. Im Gegensatz zur Warmverformung sind keine Glühöfen oder Einweichgruben erforderlich, was die Kosten zusätzlich senkt.
Die Warmverformung umfasst Verfahren, bei denen Metalle oberhalb ihrer Rekristallisationstemperatur plastisch umgeformt werden. Das Arbeiten oberhalb dieser Temperatur ermöglicht eine Rekristallisation während der Verformung. Dies ist entscheidend, da so Kaltverfestigungen vermieden werden und die Streckgrenze sowie Härte gering bleiben, während die Duktilität hoch erhalten bleibt.
Stahl wird üblicherweise bei Temperaturen um 700°C (ca. 1300°F) warmverformt, wobei das Material nahe an seinen Schmelzpunkt gebracht wird. Bei jedem Warmverformungsprozess ist die Temperaturkontrolle des Werkstücks der entscheidende Faktor, da etwa 90% der zugeführten Energie in Wärme umgesetzt wird.
Das Warmwalzen ist ein klassisches Verfahren mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Hierbei wird Stahl zwischen gegenläufig rotierenden Walzen hindurchgeführt, wodurch das Material gestreckt, verdünnt und in der Querschnittsfläche reduziert wird – das Ergebnis ist eine homogene Dicke.
Das Warmschmieden ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung und wird in zahlreichen Industriezweigen zur Herstellung verschiedenster Produkte eingesetzt. Dabei wird das Metall durch lokale Druckkräfte, etwa mit einem Hammer oder einer Schmiedemaschine und Matrize, bearbeitet. Das Verfahren eignet sich besonders zur Fertigung von Industriebauteilen wie Kranhaken, Kurbeln, Kurbelwellen und Schraubenschlüsseln.
Warmverformung eignet sich hervorragend für die Massenproduktion. Die hohe Temperatur verbessert die Verformbarkeit und ermöglicht die nahezu uneingeschränkte Bearbeitung des Metalls. Durch die geringere Schubspannung ist weniger Kraft für die Umformung erforderlich. Darüber hinaus lassen sich durch Warmverformung Materialfehler wie Gasporen und inhomogene Zusammensetzungen effektiv beseitigen.
Die strukturelle Integrität und Redundanz im Design von Stahlbauten kann bei Bränden einen Einsturz verhindern. Daher sind die verbleibenden mechanischen Eigenschaften von Stählen entscheidend, um die Leistungsfähigkeit der Konstruktion nach einem Brand sowie die Wiederverwendbarkeit einzelner Bauteile beurteilen zu können.
In einem Artikel in Construction and Building Materials verglichen Wissenschaftler die Restfestigkeitseigenschaften von warm- und kaltverformtem Stahl unter hohen Temperaturen wie sie bei Bränden auftreten.
Sowohl bei warmgewalztem als auch bei kaltgeformtem Stahl bleibt das Elastizitätsmodul nach einem Brand weitgehend unverändert. Nach Luftabkühlung zeigen warmgewalzte Stähle eine Abnahme der Streck- und Zugfestigkeit ab Temperaturen von über 600°C. Dagegen beginnt bei kaltgeformten Stählen die Festigkeitsabnahme bereits ab etwa 300°C.
Warmgewalzte Stähle weisen nach Luftabkühlung eine verbesserte Duktilität auf, während bei Wasserabkühlung von hohen Temperaturen eine Verringerung der Duktilität zu beobachten ist. Im Gegensatz dazu zeigen kaltgeformte Stähle nach einem Brand durchweg eine Verbesserung der Duktilitätswerte.
Sowohl die Warm- als auch die Kaltverformung von Stahl bieten jeweils spezifische Vorteile. Diese Verfahren werden für unterschiedliche industrielle Anwendungen genutzt. Die Wahl des geeigneten Prozesses richtet sich jedoch stets nach dem Verwendungszweck und den gewünschten Materialeigenschaften.
