Tiefkühlen in der Wärmebehandlung

Bild: Präzise Kältekammern ermöglichen die gezielte Umwandlung von Restaustenit in Martensit für höchste Maßhaltigkeit und Festigkeit metallischer Bauteile.

Die kryogene Behandlung von Metallen ist eine bewährte Methode, die hohe Erwartungen erfüllen kann. Je nach Anwendungsfall werden Bauteile mit flüssigem Stickstoff während der Wärmebehandlung auf Zieltemperaturen von bis zu extremen -196 Grad Celsius kontrolliert abgekühlt (Deep Cryogenic Treatment, DCT). Ziel ist es, die Mikrostruktur gezielt zu verändern und dadurch die metallurgischen Eigenschaften signifikant zu verbessern.

Air Liquide, ein Spezialist für Gase, Technologien und Services für Industrie und Gesundheitswesen, liefert für diesen Prozess einen weitreichenden Lösungsansatz. Dieser besteht nicht nur aus dem eigentlichen Tiefkühlen, sondern umfasst ein Paket aus metallurgischem Know-how, maßgeschneiderter Kryotechnik, digitaler Prozessüberwachung sowie einer darauf abgestimmten Gaseversorgung. Es ermöglicht die reproduzierbare, sichere und effiziente Bearbeitung metallischer Komponenten. Dadurch wird ein wichtiger Beitrag zur Steigerung der Werkstoffqualität und zur Förderung einer nachhaltigeren Produktion geleistet.

Wie die Kryobehandlung den Stahl verändert

Die kryogene Behandlung ist ein zusätzlicher Prozessschritt innerhalb der Wärmebehandlung von Metallen. Sie folgt in der Regel dem Abschrecken und geht dem Anlassen voraus. Während des Tiefkühlens werden verbliebene Anteile von Restaustenit kontrolliert in Martensit umgewandelt. Es ist eine entscheidende Voraussetzung für hohe Härte, Festigkeit und Maßhaltigkeit. 

Darüber hinaus trägt dieses Tieftemperaturverfahren bei weiterführenden Anwendungen zur Ausscheidung ultrafeiner Karbide bei. Diese Kohlenstoffverbindungen stabilisieren das Gefüge zusätzlich und führen zu einer signifikanten Steigerung der Verschleißbeständigkeit. Dies ist insbesondere in der Werkzeugherstellungsindustrie, vor allem bei Schneidwerkzeugen, von entscheidender Bedeutung. „Die kryogene Behandlung zeigt, dass Innovation oft im Detail steckt. Mit unserer Technologie ermöglichen wir unseren Kunden, Werkstoffe effizienter, langlebiger und nachhaltiger einzusetzen. Dabei geht es nicht nur um höhere Leistung, sondern auch um Qualität und Prozesssicherheit in der Fertigung“, betont Roland Feiler, Lead & Offer Deployment Management Manufacturing & Process bei Air Liquide.

Von Restaustenit zu Martensit

Bei Stählen mit hohem Kohlenstoffanteil (>0,60%) bleibt nach der konventionellen Härtung oftmals ein Anteil an Restaustenit erhalten. Dieser Anteil ist instabil und kann sich im Betrieb unkontrolliert in Martensit umwandeln. Solche unkontrollierten Umwandlungen führen zu Volumenänderungen, inneren Spannungen und im schlimmsten Fall zu Bauteilverformungen. Die kryogene Behandlung sorgt dafür, dass der Restaustenit vollständig und kontrolliert in Martensit umgewandelt wird.

Studien von Air Liquide an legierten Stählen zeigen, dass durch die zusätzliche kryogene Behandlung in Kombination mit anschließendem Anlassen der Restaustenit-Gehalt von fast 50 Volumenprozent auf unter 15 Volumenprozent reduziert wird, was eine nahezu vollständige und kontrollierte Umwandlung in Martensit ermöglicht.

Der Prozess findet vor allem bei der Herstellung mechanischer Bauteile Anwendung, etwa bei Einspritzpumpen, Zahnrädern oder Getriebekomponenten. Durch die kontrollierte Umwandlung der Gefügebestandteile lassen sich diese Bauteile verschleißarmer und langlebiger gestalten. Ein entscheidender Vorteil für den Einsatz unter hoher Belastung. Darüber hinaus unterstützt das Tiefsttemperaturverfahren die Bildung feiner Nanokarbide, die das Metallgefüge zusätzlich stabilisieren, Reibung und Verschleiß reduzieren, Ermüdungsbeständigkeit erhöhen und schließlich die Härte erhöhen.

Vorteile der kryogenen Behandlung, warum lohnt sich der Einsatz des Tiefkühlens?

• Verbesserte Härte und Festigkeit – durch vollständige Martensitumwandlung
• Verbesserte Verschleißbeständigkeit – feine Nanokarbide stärken das Gefüge
• Optimierte Maßhaltigkeit – weniger Eigenspannungen, stabilere Bauteile
• Längere Lebensdauer – Werkzeuge und Komponenten halten bis zu 80 % länger
• Geringere Wartungskosten – weniger Reparaturen und Austausch

Equipment für Tiefkühlbehandlung

Für industrielle Tiefkühlprozesse haben sich neben elektrisch betriebenen Kühlsystemen vor allem Anlagen etabliert, die ihre Kälteenergie aus flüssigem Stickstoff (LIN) gewinnen. Der Vorteil dieser Systeme liegt in der hohen Effizienz: Auch größere Chargen können schnell und gleichmäßig auf Temperaturen bis –196 °C abgekühlt werden. Dabei wird der flüssige Stickstoff über isolierte Rohrleitungen aus einem Tank entnommen und über ein präzises Düsensystem direkt in den Innenraum der Kühlkammer eingesprüht. Der Stickstoff verdampft unmittelbar nach dem Eintritt und entzieht den Bauteilen effektiv die Wärme. Air Liquide bietet ein umfassendes Lösungsportfolio für die kryogene Behandlung von Metallen, das von der Gasversorgung bis zur Anlagentechnik reicht. Das Equipment umfasst Kältetruhen, Kältekammern und Kältetunnel, die je nach Prozessanforderung diskontinuierlich oder kontinuierlich betrieben werden.

Kältetruhen: eignen sich sowohl für kleinere Chargen und Laboranwendungen als auch für große Chargen, die mittels Krananlagen beschickt werden. Sie ermöglichen ein gezieltes und bauteilgerechtes Abkühlen.  Sie arbeiten üblicherweise in einem Temperaturbereich von -180 °C bis +100 °C

Kältetunnel: sind für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und kommen vielfach in der Kugellager- oder Getriebefertigung zum Einsatz aber auch bei der Herstellung von Schneidwaren. Sie bieten hohe Durchsatzleistung bei niedrigem Stickstoffverbrauch.

Kältekammern: werden für industrielle Anwendungen eingesetzt und ermöglichen sowohl das Tiefkühlen als auch das anschließende Anlassen in einer Anlage, ohne dass ein Umchargieren erforderlich ist. Sie arbeiten in einem Temperaturbereich von -160 °C bis +300 °C, in Einzelfällen optional bis +600 °C.

Die Kammern bestehen aus Edelstahl. Das Tiefkühlequipment gewährleistet eine hohe Temperaturgleichmäßigkeit durch ein optimiertes Design und eine gleichmäßige Umwälzung des Stickstoffgases. Hochwertige Isolierungen tragen zu einem reduzierten Stickstoffverbrauch bei. Alle Anlagen erlauben die präzise Einstellung der Temperatur-Zeit-Profile auf die jeweiligen Prozessanforderungen; diese Profile können gespeichert und bei Bedarf wiederverwendet werden, um eine hohe Reproduzierbarkeit zu sichern.

Die Versorgungssysteme umfassen Flüssigstickstoff-Behälter mit Betriebsdrücken von 1,5 bis 5 bar sowie automatisierte Steuerungen für Abkühl- und Aufheizrampen. Sicherheitsfunktionen wie Anoxia-Detektion, Abluftsysteme, sowie Überdruck- und Temperaturschutz sind integriert. Das Equipment kann zudem in vollautomatische Produktionslinien eingebunden werden, inklusive Remote-Control und Datenlogging, sodass alle Prozessschritte überwacht und dokumentiert werden können.

Standards für reproduzierbare Ergebnisse

Air Liquide gewährleistet, dass die Systeme zentrale Standards der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie erfüllen. Die AMS 2750-Norm regelt die Temperaturüberwachung,Sensorik, System Accuracy Tests (SAT) und Temperature Uniformity Surveys (TUS). So wird gewährleistet, dass Prozesse reproduzierbar, rückverfolgbar und auditfähig sind. Die Anlagentechnik erfüllt zudem die Anforderungen der CQI-9-Norm, die das Qualitätsmanagement für Wärmebehandlungsprozesse in der Automobilindustrie definiert. Die Einhaltung dieser Standards sichert sowohl die Materialeigenschaften als auch die Prozesssicherheit und erfüllt die hohen Anforderungen industrieller Anwendungen.