Kaltumformung

Kaltumformung ist das plastische Umformen von Metallen unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Durch die dabei auftretende Verfestigung steigt die Werkstofffestigkeit an. Wenn die Festigkeitssteigerung unerwünscht ist, kann sie durch Rekristallisationsglühen wieder abgebaut werden. Die Kaltumformung wird vor allem dann angewendet, wenn enge Maßtoleranzen und gute Oberflächeneigenschaften gewünscht sind, oder um gezielt die Festigkeit der Werkstoffe zu erhöhen.

Für die Kaltumformung ist die unterdrückte Rekristallisation charakteristisch. Dazu muss die Rekristallisationstemperatur unterschritten werden. Diese ist etwa bei 40–50 % der absoluten Schmelztemperatur und hängt vom Material und dem aufgebrachten Umformgrad ab. Somit ist streng genommen die Umformung von Blei bei Raumtemperatur eine Warmumformung, obwohl das im täglichen Umgang nicht so bezeichnet wird.

Vergleich mit Warmumformen

Kaltumformen

Arbeitstemperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur
Enge Maßtoleranzen möglich
Kein Verzundern der Oberfläche
Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Duktilität, d.h. Bruchdehnung (Kaltverfestigung)
Duktile Stoffe sind gut kalt formbar wie z.B. durch Tiefziehen, Biegen oder Recken.

Warmumformen

Arbeitstemperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur
Große Umformbarkeit der Werkstoffe
Geringe Umformkräfte
Geringe Änderung von Festigkeit und Bruchdehnung am umgeformten Werkstoff

Kaltverfestigung

→ Hauptartikel: Verfestigung (Werkstoffkunde)

Da sich durch plastische Verformung in Metallen die Versetzungsdichte erhöht (auf bis zu $10^{14}\,\mathrm {m} ^{-2}$ ), steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich Versetzungen bei ihrer Bewegung gegenseitig einschränken und behindern. Entsprechend ist zur Weiterverformung eine größere Spannung notwendig, was sich in einer Zunahme von Dehngrenze und Festigkeit bemerkbar macht. Die beschriebene Verfestigung geht mit einer erhöhten Sprödigkeit bzw. einer verringerten Duktilität einher. Zusätzlich nimmt auch die Korrosionsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit in kaltverfestigten Bereichen des Werkstoffes ab.

Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um die Festigkeit eines Werkstoffs durch geringe Vorverformung z.B. durch Walzen oder Ziehen zu erhöhen. So lässt sich die Festigkeit bei Aluminiumlegierungen in etwa verdoppeln. Die beispielsweise beim Biegen von Kupferrohr eintretende Verfestigung verhindert ab einem gewissen Punkt eine weitere Verformung. Um das Rohr wieder zu erweichen, erhitzen Heizungsinstallateure das Rohr mit der Gasflamme.

Die Verfestigung tritt nur bei Werkstoffen mit höheren Schmelzpunkten auf. Blei, Zinn und Zink lassen sich nicht kalt verfestigen. Der Grad der Verfestigung ist proportional zum Verformungsgrad $\varepsilon$ :

$\varepsilon ={\frac {{\text{Querschnittsänderung }}\Delta A}{{\text{Ausgangsquerschnitt }}A_{0}}}\cdot 100\%$

Zugversuch

Die Verfestigung sorgt dafür, dass die Fließkurve eines Metalls im plastischen Bereich ansteigt. Wird das Material nach der plastischen Verformung entlastet, so folgt die Spannungs-Dehnungs-Kurve einer zur elastischen Geraden parallelen Linie. Bei erneuter Belastung ist die Fließgrenze $\sigma _{v}$ heraufgesetzt um:

$\Delta \sigma _{v}=k_{v}\cdot M\cdot G\cdot b{\sqrt {\rho }}$

Hierbei ist

$k_{v}$ der Vorfaktor für Verformungsverfestigung (normalerweise $k_{v}\approx 0{,}1\dots 0{,}2$ )
der Taylor-Faktor
der Schubmodul
der Betrag des Burgersvektor
$\rho$ die Versetzungsdichte.

Bei o.g. erneutem Belasten läuft die Spannungs-Dehnungs-Kurve idealerweise auf derselben Gerade wie bei der vorangegangenen Entlastung. Die Dehnung bis zur Einschnürung bzw. bis zum Bruch ist entsprechend verringert, d.h., das Material hat deutlich an Duktilität verloren. Daher eignet sich die Kaltumformung nur für duktile Werkstoffe.

Folgen

Die durch Kaltumformung (Kaltwalzen, Tiefziehen, Biegen, Treiben, Fließpressen, Dengeln oder auch Hämmern und Kugelstrahlen) hervorgerufenen Versetzungen und Eigenspannungen führen neben der Erhöhung der Härte und der Streckgrenze auch zu veränderten elektrischen und magnetischen Eigenschaften: Die elektrische Leitfähigkeit und die Anfangspermeabilität verringern sich, und bei Stahl kann eine Dauermagnetisierung entstehen. Auf diese Weise können sich überlastete Werkzeuge (z.B. Spiralbohrer) spontan magnetisieren.

Kaltverfestigung ist oft erwünscht und erhöht z.B. die Standzeit einer Sense durch Dengeln. Gezielt eingebrachte oberflächliche Druckspannungen führen beim Kugelstrahlen zu einer hohen Härte und verbesserten Dauerfestigkeit, da Zugspannungen in das darunterliegende Material verlagert werden und sich so keine Anrisse bilden können.

Die Kaltverfestigung ist speziell bei Kupfer sehr ausgeprägt. Kupferdraht und -rohre werden hart, halbhart oder weich angeboten. Der Draht wird in mehreren Stufen kalt gezogen und ist anschließend kaltverfestigt (hart). Er wird meist geglüht weiterverarbeitet oder ausgeliefert. Die harten Rohre kann der Installateur durch Erwärmung mit der Gasflamme lokal wieder erweichen. Beim Biegen verfestigen sie sich erneut.

Kaltumformprozesse

Siehe auch: Umformen#Einteilung_nach_Beanspruchung_der_Werkstücke_(DIN_8582)

Literatur

Joachim Rösler, Harald Harders, Martin Bäker: Mechanisches Verhalten der Werkstoffe. B.G. Teubner Verlag / GWV Fachverlage GmbH 2006, ISBN 978-3-8351-0008-4.
Otto Graf: Versuche im Stahlbau. Dauerversuche mit Nietverbindungen. Springer Verlag Berlin Heidelberg GmbH, Berlin Heidelberg 1935.
Industrieverband Massivumformung e.V. (Hrsg.): Kaltmassivumformung: Präzision in Serie. Überarbeitete Ausgabe. Infostelle Industrieverband Massivumformung, Hagen 2012, ISBN 978-3-928726-29-0.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de