Kaltumformung

Kaltumformung ist das plastische Umformen von Metallen unterhalb der Rekristallisationstemperatur. Durch die dabei auftretende Kaltverfestigung steigt die Werkstofffestigkeit kontinuierlich an. Wenn die Festigkeitssteigerung unerwünscht ist, muss sie durch eine anschließende Wärmebehandlung 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.

Anders als bei der Kaltmassivumformung wird die Kaltumformung nicht nur bei Raumtemperatur durchgeführt. Umgekehrt zählen nicht alle Umformvorgänge, die bei Raumtemperatur ablaufen, dazu. Wichtig ist, ob die Rekristallisationstemperatur überschritten wird, die etwa bei reinem Metall bei 40 %, bei Legierungen bei etwa 60 % der absoluten Schmelztemperatur liegt. Die Umformung von Stahl bei 200 °C gilt noch als Kaltumformung, da diese Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur liegt, während das Schmieden von Blei bei Raumtemperatur schon Warmumformung darstellt, da die Rekristallisationstemperatur für Blei mit nur 3 °C darunter liegt.

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

Da sich durch die plastische Verformung die Versetzungsdichte erhöht (auf bis zu $10^{12}\,\mathrm {m} ^{-2}$), steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich Versetzungen bei ihrer Bewegung gegenseitig behindern. Entsprechend ist zur Weiterverformung eine größere Spannung notwendig, was sich in einer Zunahme von Dehngrenze und Festigkeit bemerkbar macht. Man bezeichnet dieses Verhalten auch als Kaltverfestigung.

Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um die Festigkeit eines Werkstoffs durch geringe Vorverformung z. B. durch Walzen oder Ziehen zu erhöhen.

Zugversuch

Die Kaltverfestigung 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 $k_{v}\approx 0{,}1\dots 0{,}2$)
• $M$ der Taylor-Faktor
• $G$ der Schubmodul
• $\rho$ 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 Kaltverfestigung nur für Werkstoffe, die bereits eine hohe Ausgangs-Duktilität besitzen.

Folgen

Die durch Kaltumformung (Kaltwalzen, Tiefziehen, Biegen, 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.

Siehe auch

• Drücken
• Rundkneten
• Treiben
• Fließpressen

Literatur

• Industrieverband Massivumformung e.V. (Hrsg.): Kaltmassivumformung: Präzision in Serie. Überarbeitete Ausgabe. Infostelle Industrieverband Massivumformung, Hagen 2012, ISBN 978-3-928726-29-0.