Thermische Schädigung – Wenn Wärme das Gefüge verändert

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Thermische Belastungen entstehen bei fast jeder mechanischen Bearbeitung metallischer Werkstücke. Kritisch wird es, wenn lokal hohe Temperaturen entstehen und die Wärme nicht ausreichend abgeführt wird. Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, plastische Verformung bei der Spanbildung sowie hohe Schnittgeschwindigkeiten erzeugen erhebliche Wärmemengen im Bearbeitungsprozess. Diese Wärme beeinflusst nicht nur die Oberfläche, sondern vor allem die Randzone des Werkstücks. Bereits lokale Temperaturspitzen können dort Gefügeänderungen verursachen, die Härte, Verschleißverhalten und Lebensdauer beeinträchtigen.

Besonders kritisch: Die Oberfläche wirkt oft optisch unauffällig, obwohl sich die Werkstoffeigenschaften bereits verändert haben.

Beim Schleifen ist dieser Effekt lange bekannt. Hohe Umfangsgeschwindigkeiten und starke Reibung auf kleiner Kontaktfläche erzeugen schnell Wärme. Wird sie nicht ausreichend abgeführt, entstehen thermische Schädigungen in der Randzone – der klassische Schleifbrand. Diese Mechanismen treten jedoch nicht nur beim Schleifen auf. Auch andere mechanische Bearbeitungsverfahren können vergleichbare thermische Schädigungen verursachen – ein in der Praxis oft unterschätzter Zusammenhang.

Besonders relevant ist das bei Bauteilen mit gehärteten Oberflächen, deren Eigenschaften gezielt auf hohe Belastungen, lange Lebensdauer und reduzierten Verschleiß ausgelegt sind:

  • Maschinenbau und Automobilindustrie: Zahnräder, Lager, Wellen, Kurbelwellen oder Getriebeteile
  • Werkzeugbau: Bohrer, Fräser, Schneidwerkzeuge oder Pressformen
  • Bau- und Fördertechnik: Kettenräder, Schienen oder Baggerzähne
  • Luft- und Raumfahrt: Fahrwerkskomponenten oder Turbinenteile

 

Thermische Schädigungen entstehen in vielen Prozessen

 

Überhitzungen entstehen überall dort, wo bei der Bearbeitung hohe Reibung auftritt, viel Wärme erzeugt wird und diese nicht ausreichend abgeführt werden kann. Neben dem Schleifen betrifft das insbesondere spanende und umformende Verfahren wie Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen, Hobeln oder Stanzen.

Die Ursachen liegen häufig im Zusammenspiel mehrerer Einflussgrößen:

  • zu hohe Schnittgeschwindigkeiten
  • zu hoher Vorschub
  • stumpfe oder verschlissene Werkzeuge
  • unzureichende Kühlschmierung
  • ungünstige Prozessparameter

In der Praxis beeinflussen sich diese Faktoren häufig gegenseitig. Gerade schleichender Werkzeugverschleiß bleibt dabei oft lange unbemerkt.

 

Warum thermische Schädigungen kritisch sind

 

Thermische Belastungen können erhebliche Auswirkungen auf die Randzone eines Bauteils haben. Dabei entstehen Veränderungen, die äußerlich oft nicht sichtbar sind, die Eigenschaften des Werkstoffs jedoch deutlich beeinflussen können. Mögliche Folgen sind:

  • Gefügeänderungen in der Randzone
  • Härteverlust oder lokale Aufhärtungen
  • Anlass- oder Neuhärtezonen
  • Rissbildung
  • Eigenspannungen

Dadurch können Verschleißverhalten, Dauerfestigkeit, Lebensdauer und Betriebssicherheit eines Bauteils erheblich beeinträchtigt werden.

 

Drehbrand – ein oft unterschätztes Risiko

 

Ein typisches Beispiel für thermische Schädigungen außerhalb des Schleifprozesses ist das Hartdrehen. Im Gegensatz zum Schleifen wird beim Drehen ein großer Teil der Wärme über den Span abgeführt. Die thermische Belastung ist deshalb grundsätzlich geringer. Dennoch können auch hier thermische Schädigungen entstehen – hauptsächlich bei erhöhtem Werkzeugverschleiß.

In solchen Fällen kann sich die Oberfläche lokal über die kritische Temperatur hinaus erwärmen. Typisch sind sehr dünne, inselförmige Neuhärtezonen auf der Oberfläche des Werkstücks. Mit zunehmendem Werkzeugverschleiß können diese Bereiche schließlich die gesamte Oberfläche bedecken. Unterhalb dieser Zonen entstehen häufig Anlassbereiche mit veränderten Eigenschaften. Untersuchungen zeigen außerdem, dass in solchen Neuhärtezonen teilweise hohe Restaustenitgehalte auftreten können. Die Bereiche stehen unter Zugspannungen und können die Bauteileigenschaften negativ beeinflussen.

Thermische Schädigungen beim Hartdrehen werden deshalb oft als „Drehbrand“ bezeichnet.

 

Nicht nur das Bauteil ist gefährdet

 

Auch Werkzeuge selbst sind hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Hohe Reibkontakte, hohe Schnittgeschwindigkeiten und unzureichende Kühlung führen nicht nur zu einer Erwärmung des Werkstücks, sondern belasten gleichzeitig das Werkzeug. Mögliche Folgen sind:

  • Werkzeugverschleiß
  • Rissbildung
  • Härteverlust
  • verringerte Standzeiten

Je nach Werkzeugwerkstoff reagieren Werkzeuge unterschiedlich empfindlich. HSS-Werkzeuge verlieren bei hohen Temperaturen an Härte, Hartmetalle reagieren empfindlich auf Thermoschocks. Werkzeuge mit Beschichtungen aus polykristallinem Diamant (PKD) bzw. kubisch kristallinem Bornitrid (CBN) sind thermisch stabiler, reagieren jedoch sensibel auf ungeeignete Prozessparameter.
Auch hier zeigt sich: Thermische Belastungen betreffen immer das gesamte System aus Werkzeug, Prozess und Werkstück.

 

Die Ursache liegt häufig im Prozess

 

Zur Vermeidung thermischer Schädigungen ist die Prozessführung entscheidend. Bereits kleine Abweichungen im Bearbeitungsprozess können die thermische Belastung deutlich erhöhen. Wichtige Einflussgrößen sind:

  • geeignete Schnittparameter
  • ausreichend Kühlschmierung
  • scharfe und geeignete Werkzeuge
  • Überwachung von Temperatur und Werkzeugverschleiß
  • stabile Prozessbedingungen

Gerade bei hoch beanspruchten oder sicherheitsrelevanten Bauteilen ist eine stabile Prozessüberwachung entscheidend, um thermische Schädigungen frühzeitig zu vermeiden.

 

Warum die abschließende Prüfung entscheidend ist

 

Thermische Schäden sind häufig nicht direkt sichtbar. Genau deshalb ist die abschließende Prüfung so wichtig. Eine rein visuelle Bewertung reicht in vielen Fällen nicht aus, um Veränderungen in der Randzone sicher zu erkennen. Zur Detektion thermischer Schädigungen kommen unter anderem folgende Verfahren zum Einsatz:

  • Schleifbrandätzung
  • Wirbelstromprüfung
  • Barkhausenrauschen-Verfahren

Welches Verfahren geeignet ist, hängt unter anderem von Werkstoff, Härtezustand, Geometrie, Bearbeitungsverfahren und der erwarteten Fehlerart ab. Erst geeignete Prüfverfahren ermöglichen belastbare Aussagen über den Zustand der Randzone und mögliche Gefügeveränderungen.

 

Fazit

 

Thermische Schädigungen entstehen nicht nur beim Schleifen. Auch Drehen, Bohren, Fräsen oder andere mechanische Bearbeitungsverfahren können zu kritischen Gefügeveränderungen führen. Die Ursachen sind vielfältig und hängen eng mit Prozessführung, Werkzeugzustand und Wärmeentwicklung zusammen. Besonders kritisch ist dabei, dass thermische Schäden häufig äußerlich nicht erkennbar sind.

Umso wichtiger sind:

  • stabile Prozesse
  • geeignete Bearbeitungsparameter
  • eine fachgerechte abschließende Prüfung

Nur so lassen sich belastbare Aussagen über die Qualität und Sicherheit eines Bauteils treffen.

 

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