Aluminiumwärmebehandlung im Chargenbetrieb

Der Aluminiumguß ermöglicht die Herstellung maßgenauer Teile mit hoher Oberflächengüte. Die einbaufertige Ausführung von Aluminium-Gußteilen spart Material und macht eine Reihe von Bearbeitungsgängen überflüssig. Die Kombination der Vorteile des Gusses mit den guten Werkstoffeigenschaften des Aluminiums ermöglicht es, die Ansprüche der modernen Technik an die Bauteilfestigkeit, den Konstruktionsaufbau, die hohe Genauigkeit und die Oberflächengüte zu erfüllen und Kosten zu senken. 

Das Erreichen gewünschter Werkstoffkennwerte wird durch eine entsprechende Wärmebehandlung – der Lösungsbehandlung, dem Warmaushärten und dem Weich- bzw. Spannungsarmglühen erreicht. Heute werden bis zu 60 % der Gussteile einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Neben der Steigerung der Bauteilfestigkeit und -dehnung ist vor allem auch die bessere spanende Bearbeitbarkeit durch eine Wärmebehandlung zu nennen. Optimale Werkstoffkennwerte lassen sich dabei vor allem durch eine hohe Temperaturgenauigkeit im Wärmebehandlungsofen erreichen. Je näher beim Lösungsglühen die Liquiduslinie (Schmelzpunkt) erreicht werden kann, je gezielter ist ein für das Abschrecken notwendiger Gefügezustand möglich. Der Ofenbauer trägt daher ganz wesentlich durch die Realisierung einer optimalen Temperaturgenauigkeit an der Bauteilqualität bei. Eine hohe Dehnung wird vor allem durch ein präzises Warmauslagern eingestellt.

Voraussetzung für eine optimale Wärmebehandlung, ist die genaue Kenntnis des Werkstoffes. Der erste Schritt der Wärmebehandlung von Aluminiumgußbauteilen ist die Lösungsbehandlung. Das Erwärmen auf Lösungstemperatur erfolgt dabei möglichst schnell, um eine Grobkornbildung durch Rekristallisation zu vermeiden. Aus diesem Grund werden die Bauteile in den bereits auf Behandlungstemperatur vorgeheizten Ofen eingebracht und schnell auf Glühtemperatur erwärmt. Um eine optimale Gefügeausbildung zu erreichen wird ausserdem möglichst nahe an der Liquiduslinie (Schmelzpunkt) geglüht.

Das dem Halten folgende Abschrecken, das zu einem übersättigten Mischkristall führt, schließt unmittelbar und automatisch an die Lösungsbehandlung an, da ein unkontrolliertes Vorkühlen zu unerwünschten Grobkornausscheidungen führt, wodurch der Aushärtungseffekt vermindert wird. Die erforderliche Abschreckgeschwindigkeit ist werkstoffabhängig und bestimmt damit das Abkühlmedium. Dabei gilt der Grundsatz: So schnell wie nötig, aber so langsam wie zulässig abkühlen, um Eigenspannungen und Verzug zu vermeiden. 

Auslagern ist bei Gußlegierungen die bevorzugte Methode des Aushärtens. Je nach Zusammensetzung wird in kalt und warm aushärtbare Legierung unterschieden. Bei kalt aushärtbaren Werkstoffen (Aushärtezeit 5 bis 8 Tage) sorgen die Legierungszusätze Magnesium und Kupfer, insbesondere die Kupferausscheidungen, für die Härte- und Festigkeitseigenschaften des Bauteils. Zu den warm aushärtbaren Legierungen gehören die gut schweißbaren Legierung (Al Mg Si), die bis etwa 180 °C warmausgelagert werden. Hierbei gehen die Legierungselemente Magnesium und Silizium eine chemische Verbindung ein und verlagern sich in die „Gleitebenen" des Aluminiums, so dass insbesondere bei mechanischer Beanspruchung eine Verformung behindert wird. 

Die Haltezeiten hängen im Wesentlichen von der Bauteilgeometrie, d,h. von der Werkstückdicke ab. Um eine homogene Durchwärmung und somit einen homogenen Gefügezustand zu erreichen sind mit steigender Werkstückdicke zunehmende Haltezeiten erforderlich.

Beim Kaltaushärten oder Auslagern bei Raumtemperatur nach dem Lösungsglühen muß lediglich das Verstreichen von Zeit abgewartet werden, um einen Anstieg auf die gewünschten Festigkeitswerte zu erreichen. Die maximale Verarbeitungszeit bezüglich der Verformung nach dem Lösungsglühen beträgt je nach Werkstoff 30 Minuten bis 2 Stunden. Durch Einfrieren, d.h. einer Tieftemperaturauslagerung bei –20°C kann eine Kaltaushärtung des Werkstoffs verhindert werden.

Ein weiteres wichtiges Wärmebehandlungsverfahren von Aluminiumwerkstoffen ist das Weichglühen, welches je nach Werkstoffart zwischen 340 und 420°C über einen Zeitraum von 2 bis 4 Stunden durchgeführt wird. Die Abkühlung erfolgt in der Regel zweistufig auf Haltetemperaturen von 230°C mit einer gesteuerten ersten Abkühlung von ca. 30°C/h und einer Haltedauer von 2 bis 6 Stunden. Die anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt an Luft. Das Ziel des Weichglühen ist das Erreichen eines globularen Gefüges, welches für folgende spanabhebende Fertigungsverfahren signifikante Vorteile bringt (u.a. kein Schmieren).

Das sogenannte Erholungs- oder Spannungsarmglühen wird bei Temperaturen von 350°C mit einer Haltedauer von 2 Stunden und einer anschließenden Abkühlung an Luft durchgeführt.

Bei der diskontinuierlichen Wärmebehandlung von Aluminiumbauteilen werden Umluftöfen in Kammer-, Herdwagen-, oder Schachtofenbauweise eingesetzt, die mit einer horizontalen oder vertikalen Luftführung ausgestattet sind. Umluftöfen erlauben bei ausreichender Luftumwälzung, auf eine mehrseitige Beheizung zu verzichten. Die Luftführung wird von Leitblechen übernommen, die vor den Heizelementen montiert sind. Die vorbeiströmende Luft nimmt die Wärme von den Heizwendeln auf und transportiert diese in den Ofenraum. Die Vorteile von Umluftöfen liegen in einer optimalen Temperaturverteilung und einer gleichmäßigen Aufheizung des Werkstückes.

Die üblicherweise bei Aluminium und auch Kupfer-Legierungen durchgeführten Verfahren des Weichglühens bei bzw. Spannungsarmglühen werden wirtschaftlich in denen auf die Anforderungen der Prozesse angepassten Kammerofenkonzepte durchgeführt.

Die wirtschaftliche Durchführung einer Wärmebehandlung ist unmittelbar mit der Reduzierung von Chargier- und Transportzeiten verbunden. Herdwagenöfen weisen aufgrund ihrer Konstruktion ein optimales “Anlagenhandling” auf und sind damit für einen besonders wirtschaftlichen Einsatz prädestiniert. 

Der Herdwagenofen mit zwei elektro-hydraulischen Hubtüren und 2 Herdwagen bietet metallverarbeitenden Betrieben und Gießereien eine flexible und wirtschaftliche Alternative für die Wärmebehandlung von Metallen bis 900°C. 2 elektro-hydraulische Hubtüren und 2 Herdwagen sorgen für einen hochproduktiven Verfahrensablauf. Eine 5-seitige Beheizung führt zu bestmöglicher Temperaturverteilung. 

Hohe Besatzgewichte sind durch spezielle Spurkranzräder gewährleistet. 

Durch den Einsatz geeigneter Speicher-Programmierbarer-Steuerungen (SPS) können üblicherweise manuell betriebene Öfen in halbautomatischer Weise eingesetzt werden. Antriebe für Türen bzw. Deckel oder für Herdwagen, Abkühlsysteme (Kühlgebläse oder Sturzkühlung), die automatisch zugeschaltet werden, oder Verfahreinrichtungen sind Elemente, die eine halbautomatische Betriebsweise ermöglichen.

Das halbautomatische Lösungsglühen im Schachtofen ist vor allem beim Einsatz eines Hallenkrans zum Überführen der Charge in das Abschreckbad eine wirtschaftliche Variante. Der Ofen ist mit hydraulischen Hubzylinder und einer horizontalen Verfahreinrichtung mit elektrischem Zahnstangenantrieb für ein schnelles Öffnen des Deckels ausgestattet, der in Kombination mit einem Spezialkran ein Abschrecken in 20 bis 30 Sekunden ermöglicht. 

Das Gesamtkonzept für das Lösungsglühen von Aluminiumwerkstoffen bei 470 bis 540°C mit anschließendem Warmauslagern bei 120 bis 180°C wird individuell an die Anforderungen des Prozesses angepaßt. Das System besteht aus dem genannten Schachtofen zum Lösungsglühen bis 600°C und einem Herdwagenofen zum Warmauslagern bis 250°C, die über eine vollautomatische Prozeßsteuerung in Verbindung mit einem Abschreckbecken betrieben werden. 

Ein weiteres Standard- Anlagenkonzept zum halbautomatischen Vergüten besteht aus einem auf einem Untergestell befindlichen Herdwagenofen, einem Abschreckbad sowie einer Transportvorrichtung. Der Herdwagenofen ist für Temperaturen bis 600°C ausgelegt und ermöglicht sowohl das Lösungsglühen als auch das nach dem Abschrecken folgende Warmauslagern. Die Transportvorrichtung wird manuell über Gabelstabler beschickt. Bei ebenerdiger Betriebsweise wäre das Abschreckbecken im Boden einzulassen.

Dieses Beispiel entspricht im Wesentlichen dem im folgenden Kapitel beschriebenen vollautomatischen Anlagenkonzept. Die vollautomatische Betriebsweise erfordert gegenüber der halbautomatischen Betriebsweise lediglich den Einsatz zusätzlicher Chargierplätze, die automatisch über ein Schienensystem über die Verfahreinrichtung transportiert werden. Dieser Zusatznutzen ist durch einen geringen zusätzlichen Kostenaufwand zu realisieren, so dass die vollautomatische Betriebsweise in der Regel wesentlich wirtschaftlicher ist.

Die beim Vergüten von Aluminiumguss an den Ofenbau gestellten Anforderungen, wie z.B. eine Temperaturgenauigkeit von ± 3 bis ± 5 °C und die Vermeidung eines nennenswerten Abkühlens während der Überführung vom Lösungsglühofen zum Abschreckbad werden optimal erfüllt. Über eine geeignete Steuersoftware ist der vollautomatische Betrieb der Anlage einschließlich einer online-Dokumentation aller Prozessabschnitte möglich.

Dank einer auf die werkstofflichen Besonderheiten des Aluminiums abgestimmten Anlagentechnik lassen sich alle Parameter einhalten. Lösungsglühung und Warmauslagerung erfolgen in den Herdwagenöfen mit Luftumwälzung, die mit einer optimalen Temperaturregeleinrichtung versehen sind. In der Ofendecke befinden sich zwei leistungsstarke Luftumwälz-Gebläse, die zur Energieeinsparung während der Haltezeit automatisch auf 1/3 Leistung zurückgeschaltet werden können. Die Luftströmung wird durch die verstellbaren Luftleitbleche optimal innerhalb des Ofenraumes verteilt. 

Zur Minimierung der Energieverluste und zur Einstellung kurzer Aufheizzeiten wurde eine Faserisolierung mit einer zusätzlichen Hinterisolierung in das hinterlüftete Gehäuse eingebaut. Diverse, an den Öfen befindliche Prüfstutzen erlauben externe Temperaturmessungen. Die Öfen sind mit Herdwagen auf Spurkranzrädern ausgestattet und mit einem proportional gesteuertem hydraulischen Antrieb zum automatischen Verfahren der Wagen ausgerüstet. 

Der mit einer Leichtisolierung versehene Herdwagen verfügt über eine Aufnahmevorrichtung für den Beschickungskorb und wird mittels eines Hydraulikmotors bewegt. Durch die Aufnahmevorrichtung wird der Hydraulikkorb beim schnellen Herausfahren aus dem Herdwagenofen fixiert. Die Chargierkörbe werden von einer Verfahr- und Hebevorrichtung zum Herdwagen und zu den Beschickungstischen transportiert, sowie in das Wasserbad eingetaucht. Die Abschreckverzögerungszeit ist kleiner als 10 s, nachdem die Ofentür geöffnet wurde bzw. offen ist. Um einen vollautomatischen Betrieb der gesamten Anlage zu ermöglichen, werden vier Beschickungs- und Entnahmetische eingesetzt, auf denen die Chargierkörbe in die Anlage eingebracht bzw. herausgenommen werden. Das Abschreckbad befindet sich in unmittelbarer Nähe der Wärmebehandlungsanlage, um die Abschreckverzögerung auf 10 s zu minimieren. Hier liegt die Temperatur des Abschreckmediums stets unterhalb von 40 °C, da nur so eine ausreichende Abschreckwirkung gewährleistet ist. Die Charge wird automatisch abgesenkt und abgeschreckt. Es kann im vollautomatischen 3-Schichtbetrieb gefahren werden, so dass hohe Kapazitätsauslastungen (Aufheizen: 2 h, Halten: 6 h) erreichbar sind. Präzise Steuerungs- und Regelungssysteme für Wärmebehandlungsprozesse führen nicht nur zu einem optimalen Wärmebehandlungsergebnis, sondern schützen auch die Anlagentechnik und führen zu einem sicheren Anlagenbetrieb und langer Lebensdauer der Anlage. 

Im Rahmen der Qualitätssicherung und der Produkthaftung wird es in Zukunft immer wichtiger sein, die einzelnen Produktionsschritte und verfahren zu dokumentieren, um im Schadensfall den Nachweis führen zu können. Für industrielle Anlagenkonzepte, die aus mehreren Ofensystemen und einer kompletten Verfahreinrichtung bestehen, wird im vorliegenden Anwendungsfall über eine geeignete Steuersoftware ein vollautomatischer Betrieb der Anlage und eine on-line Dokumentation aller Prozeßabschnitte realisiert 

Über eine MPI-Bus oder Profi-Bus-Datenleitung ist die Schalt- und Regelanlage mit dem Win CC-Leitstand verbunden, der sich in unmittelbarer Nähe der Anlage befindet oder in einem oder mehreren Büros platziert ist. Über den PC hat der Anlagenbetreiber zugriff auf die fertigen Chargendaten (CSV-Files). Übliche Firmennetze wie TCP/IP bzw. ETHER Net finden hier Verwendung.

Von externer Seite ist ein Zugriff auf die Wärmebehandlungsanlage mit Handy oder PC über Internet-Anschluß und entsprechendem analogen Modem möglich. Fehlermeldungen der Anlage können per SMS-Informationen auf das Handy des Betreiber gesendet werden, der dann über Internet-PC Zugriff auf die Anlage nehmen kann.

Neben den betriebswirtschaftlichen Einflußgrößen spielt bei der Auswahl des geeigneten Anlagenkonzeptes vor allem die durch die Wärmebehandlung erzielte Bauteilqualität die entscheidende Rolle. Vor allem durch die Temperaturgenauigkeit und den Eintrag von Wasserdampf und Inhaltsstoffen aus dem Abschreckbad kann die Bauteilqualität signifikant beeinflusst werden. Durch Kondensation dieser Stoffe im und am Ofen und auf den Bauteilen tritt außerdem Korrosion auf, die in Verbindung mit der chem. Reduktion der Heizwendeln zu einer Reduzierung der Lebensdauer von Ofen und Verschleißteilen führt. Der im Ofenraum adsorbierte Wasserdampf führt bei nachfolgenden Glühprozessen zur Wechselwirkung mit den Aluminiumbauteilen und zu einer gefürchteten Wasserstoffversprödung der Bauteile.

Vorteile Herdwagenofenprinzip:

• Keine Kondensation von Wasser aus dem Abschreckbad im Ofen, dadurch Vermeidung von
  
• Korrosion im und am Ofen und auf den Bauteilen
  
• Chem. Reduktion der Heizwendeln, Reduzierung der Lebensdauer
  
• Adsorbiertem Wasserdampf, der bei nachfolgenden Glühprozessen zur Wechselwirkung mit den Aluminiumbauteilen (Wasserstoffversprödung) für höchste Bauteilansprüche
  
• Geringer Flächenbedarf