Die Wärmebehandlung erfolgt immer im festen Zustand. Wärmebehandlung von Stählen definiert sich nach Temperatur und Zeit. Wichtige Parameter der Wärmebehandlung:

• Glühtemperatur
• Glühdauer
• Abkühlung (Art und Geschwindigkeit)
• Prozessfolge von Wärmebehandlungsschritten

Für die Wärmebehandlung ist die A1-Linie (P-S-K-Linie bei 723°C) im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm eine  wichtige Markierung, denn bei mehr als 0,02% Kohlenstoffanteil (Stahl) und unter der A1-Linie zerfällt Austenit zu Perlit. Wenn keine Kornänderung erzielt werden soll, ist die Erwärmung unterhalb der A1-Linie zu halten.

Die A2-Linie ist für die Wärmebehandlung weniger von Bedeutung. Wird die A2-Linie (und damit eine Erwärmung von 768°C) überschritten, verliert sich der Ferromagnetismus.

Wichtig ist hingegen die A3-Linie (G-O-S-Linie), bei deren Unterschreitung (Abkühlung) sich freiwerdender Kohlenstoff im Austenit anreichert bis die A1-Linie erreicht wird.

Nachfolgend werden eher durchdringende Wärmebehandlungen beschrieben. Neben dem durchdringenden Härten und den nachfolgenden Glühverfahren zur Verbesserung der Qualität des Stahls durch Gefügeumstrukturierung oder den Abbau innerer Spannungen, sind das Randschichthärten von Stählen zur Verbesserung der Festigkeit der Werkstück-Oberflächen typische Wärmebehandlungen bei Stahl.

Härten von Stahl

Beim Härten von Stahl wird das Stahlwerkstück auf eine bestimmte Härtetemperatur gebracht und dann durch Zuführung von Kühlmittel (Wasser, Öl oder Luft) abgeschreckt.

Eine langsame Abkühlung ergibt immer wieder eine gleiche oder ähnliche Gefügestruktur im Stahl. Bei einer schnellen Abkühlung (Abschrecken) von einer Temperatur oberhalb der G-S-K-Linie im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm wird jedoch die unerwünschte Perlitbildung  unterdrückt und die Erreichung einer Martensitstufe mit kubisch-raumzentrierten Kristallen mit eingespannten Kohlenstoffatomen ermöglicht.

Vergüten

Das Vergüten eines Stahl-Werkstoffs ist eine Kombination aus Härten und Anlassen. Vergüten zählt zu den durchgreifenden Verfahren der Wärmebehandlung, die Beeinflussung des Werkstoffes geschieht (anders als beim Einsatzhärten) also nicht nur an den Rändern/dem oberflächennahen Material, sondern passiert im gesamten Werkstoff.

1. Erwärmung des Stahls auf Härtetemperatur und Haltung dieser Temperatur (Gefügeumwandlung in Austenit)
2. Abschrecken bzw. rasche Abkühlung aus dem Austenitbereich heraus, in Öl, Wasser oder auch Luft (Martensitbildung -> sprödes, hartes, aber feines Gefüge, bis hier hin Verlust der Zähigkeit)
3. Anlassen bei hohen Temperaturen (heißer als beim Härten) (Martensitabbau -> Entstehung eines feinen Gefüges mit weitgehendem Erhalt der Festigkeit und Wiedergewinnung hoher Zähigkeit) – Anlassen ist das Wiedererwärmen gehärteter Werkstücke mit nachfolgendem Abkühlen. Mit dem Anlassen nimmt die Festigkeit/Härte leicht ab, die Zähigkeit steigt jedoch enorm.

Es handelt sich um ein Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaft (Verbesserung der Härte und vor allem der Zähigkeit) bzw. bei dem sich das Gefüge neu bilden lässt. Vergütet werden Stähle, welche für eine dynamische Beanspruchungshaltung ausgelegt werden, beispielsweise für Wellen und Zahnräder.

Um einen Werkstoff zu härten, wird dieser erst erwärmt, anschließend entweder in Öl, Wasser oder Luft abgekühlt und danach wieder erwärmt. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis die gewünschte Festigkeit und Zähigkeit erreicht ist. (Je nach Stahl-Werkstoff können Temperaturen zwischen 150 – 700 Grad, meist aber über 500°C Celsius zum Anlassen verwendet werden).

Typische Vergütungsstähle sind 42CrMo4 (legiert) und C45 (unlegiert).

Glühen zur Verbesserung der Qualität von Stahl

Lösungsglühen

Durch Lösungsglühen werden Kaltverfestigungen bei austenitischen Stählen reduziert. Das Stahlwerkstück wird dabei auf Temperaturen zwischen 1000 und 1100°C gebracht. Abhängig von der Werkstückgröße kann die Erhitzungsdauer zwischen 30 Minuten und einigen Stunden betragen. Hat die Hitze das Werkstück ganz durchdrungen, wird es im Wasser abgeschreckt. Der Nachteil des Verfahrens liegt in der gegebenenfalls sehr langen Haltezeit unter hohen Temperaturen, was zu einer Grobkornbildung führen kann (ungünstige Ausprägung des Kornwachstums).

Spannungsarmglühen

Wie die Bezeichnung bereits andeutet, dient das Spannungsarmglühen keiner wesentlichen Eigenschaftsänderung. Die Qualität des Stahls soll durch Reduzierung innerer Spannungen verbessert werden. Innere Spannungen entstehen durch ungleichmäßige Erhitzung/Abkühlung, beispielsweise bei einer Warmverformung oder einer zielgenauen Erhitzung (z. B. Schweißen). Eine Erhitzung zwischen 550 und 650°C (unterhalb A1-Linie bei 723°C im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm) sorgt für  plastische Deformationen im Mikrobereich im Inneren des Werkstücks, so dass Eigenspannungen abgebaut werden. Bei Vergütungsstählen ist eine Glühtemperatur unterhalb der Anlasstemperatur wichtig, da es sonst zur Erweichung des Materials führt.

Rekristallisationsglühen

Das Gefüge des Stahls ändert sich bei einer Kaltverformung. Durch Rekristallisationsglühen sollen diese Gefügeänderungen wieder rückgängig gemacht werden. Eine α-Ferrit-Austenit-Umwandlung des Kristallgitters geschieht nicht. Die Umformung erfolgt – je nach Abmessung des Werkstücks – zwischen 600 und 700°C (unterhalb der A1-Linie).

Normalisierungsglühen (bzw. Normalglühen oder Normalisieren)

Beim Normalisierungsglühen wird eine α-Ferrit-Austenit-Umwandlung durch Erwärmen und Abkühlen durchgeführt, um ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge mit feinlamellarem Perlit zu erhalten. Normalisierungsglühen ist zum Beispiel für den Aufbau von Schweißkonstruktionen interessant, für welche eine feine Körnung wichtig ist. Der feine Korn im Stahl wird durch zweimaliges Umwandeln erreicht:

1. Von α-Mischkristallen (Ferrit) zu γ-Mischkristallen (Austenit) bei Erhitzen
2. umgekehrte Umwandlung bei Abkühlung

Die Erhitzung muss bei untereutektoiden Stählen (weniger als 0,8% Kohlenstoffanteil) bis über den oberen Umwandlungspunkt A3 erfolgen. Bei übereutektoiden Stählen (mindestens 0,8% Kohlenstoffanteil) reicht eine Erhitzung bis über die A1-Linie. Normalisierungsglühen ist nicht möglich bei ferritischen oder austenitischen Stählen.

• Amorphe Thermoplaste
• Teilkristalline Thermoplaste

Amorphe Thermoplaste haben eine Struktur, welche sich durch ineinander verflochtene lange Fadenmoleküle auszeichnet. Bei Raumtemperatur sind Thermoplaste hart. Die Vernetzung besteht nicht in einer dichten Struktur sondern durch ungeordnete Überlappung. Thermoplaste sind tendenziell – jedoch nicht zwingend – wärmeempfindlich. Bei Erhitzung geraten die Fäden in Schwingung und lockern sich, weiß zu einer Erweichung führt.

Teilkristalline Thermoplaste bestehen hingegen aus teilweise parallel anliegenden, verwobenen Fadenmolekülen in einer dichten Anordnung. Teilkristalline thermoplastische Bauteile sind bei höheren Temperaturen daher besser konstruktiv nutzbar.

Aggregatzustände von thermoplastischen Kunststoffen: (Reihenfolge nach Temperaturanstieg)

1. Fest – starr oder flexibel
2. Thermoelastisch – in einem höheren Temperaturbereich sind Thermoplaste thermoelastisch. Thermoelastisch bedeutet: Der Kunststoff ist flexibel und kann gebogen werden, er ist jedoch formstabil und springt daher nach Krafteinfluss sofort wieder in seine Ursprungsform zurück
3. Thermoplastisch – im hohen Temperaturbereich sind Kunststoffe thermoplastisch, lassen sich also dauerhaft umformen
4. Flüssig – bei sehr hohen Temperaturen verflüssigen sich diese Kunststoffe
5. Zersetzung – ab einer bestimmten sehr hohen Temperatur zersetzen sich Kunststoffe in flüssige/gasförmige Grundbestandteile

Herstellung von Thermoplaste

Für die Herstellung gibt es drei grundlegende Ansätze durch unterschiedliche Reaktionsformen:

Polymerisation – funktioniert bei vorhandenen Doppelbindungen, welche aufgebrochen werden, um Verkettungen durch Einfachbindungen zu ermöglichen. Es handelt sich um eine Additionsreaktion, welche durch einen Initiator eingeleitet wird.

Polykondensation – Substitutionsreaktion zweier gleich- oder verschiedenartiger Gruppen unter Abspaltung niedermolekularer Nebenprodukte.

Polyaddition – Mindestens zwei bifunktionale Verbindungen reagieren in Form von Austausch von Wasserstoffatomen. Das Wasserstoffatom wandert von der einen Verbindung zu einer Doppelbindung der anderen Verbindung.

Verarbeitung von Thermoplaste

•  Urformen (im flüssigen Temperaturbereich)
• Blasformen
  z. B. Hohlkörper wie Flaschen oder Kanister
• Extrudieren
  z. B. Profile, Führungsschienen, Leitungen
• Spritzgießen
  Auf Grund der Einsatzvielfalt und Leistungsfähigkeit das häufigste Urformverfahren. Urformen von unmittelbar verwendbarer Formteile in wenigen Sekunden bis Minuten
  z. B. Autoverkleidung, Kotflügel, Gehäuseteile
• Umformen (im thermoplastischen Temperaturbereich)
• Thermoformen
  z. B. Folientechnik
• Vakuumformen
  Tiefziehen mit Unterdruck für z. B. Verkleidungen, Kästen, Reklameschilder
• Trennen
• Spanen z. B. durch Fräsen oder lokales Erhitzen/Laser
• Fügen
• Schweißen
  Thermoplaste sind (anders als andere Kunstsoffe) schweißbar
• Kleben
• Beschichten
  bestimmte Thermoplaste (in Form polymerer Pulver) können im Wirbelsinterverfahren als Beschichtungsmaterial eingesetzt werden und somit Bauteile vor Korrosion schützt, gegenüber elektrischen Strom isolieren oder den Reibungswiderstand senken

Anwendungen für Thermoplaste

Thermoplaste lassen sich in einem bestimmten Temperaturbereich einfach (thermo-plastisch) reversibel verformen. Der Vorgang kann also nach Belieben durch Abkühlen und Erwärmen wiederholt werden (solange keine Materialzersetzung durch zu starke Erhitzung eintritt). Thermoplaste sind daher auch (als einzige Kunststoffart) schweißbar. Auch das Fügen durch Kleben ist bei Thermoplaste sehr gut geeignet.

Auf Grund der vielen Vorteile sind Thermoplaste die erfolgreichsten Kunststoffe. Mehr als die Hälfte aller verwendeten Kunststoffe sind Thermoplaste. Thermoplaste kommen in alltäglichen Produkten sehr häufig vor und auch in vielen hochspezialisierten Bereichen spielen diese künstlichen Werkstoffe eine große Rolle. Gerade im Leichtbau sind Thermoplaste kaum mehr wegzudenken. Auch im gestalterischen Bereich setzen sich Thermoplaste in Form von Folientechnik durch. Die Nachteile thermoplastischer Bauteile, vor allem die Temperaturempfindlichkeit, werden in Zukunft wahrscheinlich stark verbessert werden. Im Automobilbau nähern sich diese Kunststoffe räumlich und funktionsseitig dem Motor immer näher an. Es gibt bereits Ölwannen für PKW-Motoren aus glasfaserverstärktem Polyamid.

Verbreitet ist die Umwandlung von Thermoplaste in Thermoelaste durch Zuführung von flüchtigen Lösungsmitteln (Weichmacher). Thermoelaste sind weich, zäh und lederartig.

Beispiele für Thermoplaste:

Herstellung durch Polymerisation: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyetrafkuorethylen (PTFE, Teflon), Polyvinylchlorid (PVC), Plystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA, Plexiglas)

Herstellung durch Polykondensation: Polyamide (PA), Polyethylenterephathalat (PET), Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PES), Polyetherketone (PEK, PEEK)

Herstellung durch Polyaddition: Thermoplastische Polyurethane (TPU, Elastogran, Bayflex)

Ein verbreiteter Kunststoff ist PVC, unterschieden in Hart- und Weich-PVC. PVC ist transparent, jedoch leicht einfärbbar. PVC kann geklebt und geschweißt werden. PVC wird im Automobilbau und für Gebäudeausstattung z. B. für Rohre, Dichtungen, Verkleidungen oder als Kunstleder verwendet. Unempfindlich gegenüber Laugen, jedoch empfindlich gegenüber Azeton.

Ebenfalls vermehrt eingesetzt ist PC. Da es kristallklar, zäh und nicht ganz so wärmeempfindlich ist, eignet es sich als Glasersatz für Leuchten (z. B. für Scheinwerfer).

PA ist hingegen milchig-weiß, eher hart und zäh sowie temperaturfest auch gegen Reibungswärme. Eingesetzt wird PA beispielsweise für Gleitlager und Buchsen im Automobilbau.

Ziel der Herausgeber ist es, dem technisch interessierten Leser ein Nachschlagewerk sowie eine fachliche Hilfe zur Analyse fertigungstechnischer Sachverhalte zu bieten.

Grundlagen der Fertigungstechnik

Das Buch ist sowohl bei Studenten als auch bei Technikern sehr beliebt, da es – im Gegensatz zu vielen anderen Büchern über Fertigungstechnik – die Grundlagen nicht zu trocken darstellt. Das Buch hat sehr viele farbige Bilder, welche Fertigungsverfahren gemeinsam mit informativen Erklärungstexten verständlich machen. Von einigen Professoren für Fertigungstechnik im Wirtschaftsingenieurwesen an deutschen Hochschulen wird dieses Buch als Prüfungsvorbereitung empfohlen.

Beschichtungen sind als ergänzende Fertigungsverfahren zu sehen, welche einen Konstruktionswerkstoff um Eigenschaften ergänzt und/oder negative Eigenschaften ausgleicht. Die Beschichtung ist die abtrennende Grenze zwischen Konstruktionswerkstoff und der Umwelt.

Beschichten ist ein Fertigungsverfahren durch Aufbringen einer haftenden Schicht aus formlosen Stoff auf der Werkstückoberfläche, näher definiert durch die DIN 8580. Beschichtungen erhöhen die Anwendungsmöglichkeiten von Werkstücken durch Anpassung der Werkstoffoberfläche an die einsatzbedingten Anforderungen. Dabei können Beschichtungen hauchdünn (kleiner als 1μm) oder auch sehr dick sein. In der technologischen Evolution steht die Menschheit sehr wahrscheinlich noch am Anfang des Möglichen. Die Nanotechnologie wird zukünftig entscheidende Beiträge zu Beschichtungsverfahren leisten und nahezu grenzenlose Möglichkeiten schaffen.

Beschichtungen können mehreren Zwecken dienen, beispielsweise:

• Optische Veredelung (z. B. Goldschicht, Glanz, Farbe)
• Korrosionsschutz
• Anpassung der elektrischen Leitfähigkeit (bzw. Widerstand)
• Anpassung des Oberflächen-Reibungswiderstands
• Versiegelung vor Gasen/Flüssigkeiten
• Erhöhung thermischer Belastbarkeit
• Mechanische Dämpfung
• Schutz vor Strahlung (z. B. UV)

Eine typische und weitverbreitete Beschichtung ist das Verzinken – das Überziehen von Stahlwerkstücken mit einer dünnen Zink- oder Zinklegierungsschicht. Verzinkte Stahloberflächen sind vor Umwelteinflüssen geschützt und rosten nicht (Korrosionsschutz). Die Verzinkung kann über eine Zinkschmelze (galvanische, elektrolytische Verzinkung) erfolgen, dabei wird das Werkstück in einen Zinkelektrolyten getaucht.
Eine Schmelztauchverzinkung (Feuerverzinkung) ist ein alternatives Verfahren, bei welcher vorbehandelte Stahlwerkstücke einen massiven Zinküberzug durch Tauchbad aus einer flüssigen Zinkschmelze (ca. 450°C) erhalten.

Die Qualität einer Beschichtung wird bestimmt durch:

• Schichtdicke
• Haftfestigkeit
• Altersbeständigkeit

Beschichtungsverfahren können mit gasförmigen, flüssigen, gelösten oder auch festen Materialien arbeiten.

• Gasförmiges Beschichtungsmaterial
  • Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)
  • Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
• Flüssiges Beschichtungsmaterial
  • Lackieren/Bemalen
  • Spritzen
  • Plastifizieren
  • Tauchlackieren (ETL, KTL, Schmelztauchen)
  • Emailieren
• Gelöstes Beschichtungsmaterial
  • Chromatieren
  • Verzinken
  • Verzinnen
  • Vernickeln (chemisch)
  • Galvanisieren
  • Phosphatieren
  • Sol-Gel-Verfahren
  • Eloxieren
• Feses Beschichtungsmaterial
  • Pulverbeschichten
  • Auftragslöten
  • Auftragsschweißen
  • Wirbelsintern
  • Sputtern

Welches Beschichtungsverfahren sinnvoll zum Einsatz kommen kann, hängt in erster Linie vom Anwendungszweck ab. Die Beschichtungsverfahren unterscheiden sich im Anwendungsprofil sehr stark, insbesondere auch hinsichtlich infrage kommender Trägermaterialien (Kunststoff, Metall, Textilien etc.).

Bruchtests

Fügeverbindungen durch Klebstoff sind eher unempfindlich gegenüber Druck- und Zugbelastungen, problematisch sind hingegen Scherbelastungen. Entsprechend sinnvoll ist die experimentelle Erprobung von Klebverbindungen mit Scherkrafteinwirkung. Die DIN 53 283 definiert einen Zugscherversuch, welcher die Haftung von Klebverbindung zwischen zwei länglichen Fügeteilen erprobt. Der Versuch arbeitet mit Kräften und Momenten.

Der Zugscherversuch nach DIN 53 283 hat jedoch den Nachteil, das die Fügeteile durch Biegung vo dem Versuch durch Knicken angewinkelt werden müssen. Der Versuch scheitert hier möglicherweise bereits durch das materielle Nachgeben der Fügeteile.

Druckscherversuch

Ein alternatives Erprobungsverfahren ist der Druckscherversuch, bei welchem die Verbundfestigkeit durch eine reine Scherbeanspruchung gemessen wird.

Ein Prüfstempel fährt über eine Probenhalterung, in welcher die Probe (ausgehärtete Klebstoffmasse) verankert ist. Über das Verhältnis aus nötigem maximalem Druck des abschabenden Prüfstempel und der Klebfläche (über die der Prüfstempel fährt) ergibt sich die Verbundfestigkeit.

Kopfzugversuch

Beim Kopfzugversuch werden zwei geometrisch verschiedene Fügeteile mit Klebstoff zusammengefügt.

Das gefügte Gebilde wird dann in eine Halterung eingespannt und einseitig mit einer Zugkraft belastet.

Der Zugversuch wird in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm (E-Modul) dargestellt.

Bruchformen von Klebverbindungen

Brüche werden unterschieden in:

1. Kohäsionsbruch – Bruch im Gefüge der Klebstoffmasse
2. Adhäsionsbruch – Bruch im Gefüge zwischen den Oberflächen von Fügeteil und Klebstoff
3. Mischbruch – Kombinierter Bruch

Der Kohäsionsbruch ist ein Bruch an der Klebstoffmasse. Der Bruch zeigt mangelnde Stabilität des ausgehärteten Klebstoffs. Ein stabilerer Zusammenhalt bedingt eine feste Aushärtungsform der Klebstoffmasse.

Der Adhäsionsbruch ist ein Bruch an der Haftungsoberfläche zwischen Klebstoffmasse und Fügeteil. Das Bruchergebnis zeigt ungenügende Klebstoffhaftung am Fügeteil. Um eine bessere Klebleistung zu erreichen, muss die Haftung des Klebstoffs an den Fügeteilen verbessert werden. Zudem kann eine fehlende oder falsche Klebflächenvorbehandlung Ursache für einen Adhäsionsbruch sein.

Ein Mischbruch ist ein Indiz dafür, dass die Haftung des Klebstoffes etwa gleichmäßig im Verhältnis Adhäsion und Kohäsion ist. Das Ergebnis ist daher oft als positiv anzusehen, sofern die gewünschte Maximalkraft erreicht wurde.

Klebstoffe sind vor dem eigentlichen Fügen im flüssigen Aggregatzustand. Physikalische/chemische Prozesse, welche durch unterschiedliche Auslösemechanismen geschehen, sorgen für eine Umwandlung in feste Zustände (Aushärtung).

Konkret einzuleitende Auslösemechanismen kennen die Reaktionsklebstoffe (Epoxidharze, Acrylat, Cyanacrylat und Polyurethan Klebstoffe), welche als Monomere appliziert werden und bei Vermischung chemisch reagieren. Bekanntestes Beispiel sind die Epoxidharze (Zweikomponentenkleber).

Monomer A + Monomer B -> Polymer AB

Andere Klebstoffe binden sich physikalisch bereits beim Hersteller und müssen nur noch aushärten und gegebenenfalls hierfür (z. B. durch Temperatur) unterstützt werden.

Die meisten Klebstoffsysteme haben eine Topfzeit (Zeit der kritischen Aushärtung), nach welcher der Klebstoff nicht mehr verarbeitet werden darf.

Klebstoffe in Natur und Technik

Klebstoff ist eines der ältesten Werkstoffe. Die Menschheit entdeckte die Nutzbarkeit von natürlichen Klebstoffen sehr schnell, um Unterkünfte, Werkzeuge und Waffen zu bauen. Vor etwa 5000 Jahren nutzten Ägypter bereits Leime aus tierischen und pflanzlichen Stoffen. Natürliche Klebstoffe kommen in der Natur in vielfältiger Form vor.

Natürliche Klebstoffformen:

• Pflanzensäfte
• Wachse
• Harze (insbesondere von Nadelbäumen)
• Eiweiße
• Kohlenhydrate

Natürliche Klebstoffe sind nur begrenzt einsatzfähig hinsichtlich Haftung, Lebensdauer, Zerfall und Qualitätsstandard. Die Menschheit hat daher künstliche Klebstoffe entdeckt und für die technische Anwendung nutzbar gemacht. Verbreitete künstliche Klebstoffe sind Silikone, Epoxidharze, Polyarcylate und Polyurethane. Im Bereich der Klebstoffe ist jedoch noch lange kein Ende der Innovation zu erwarten, jährlich werden bestehende Klebstoffe verbessert und neue Klebstoffe entdeckt oder erschaffen.

Heutzutage wird Klebstoff vermehrt benutzt, auch in Anwendungsbereichen mit hohen mechanischen Belastungen, zum Beispiel in der Luftfahrt (der Rumpf vom Airbus A 380 ist zum Teil geklebt) oder im Automobilbau.

Durch Kleben können großflächige und dünnwandige Fügeteile lückenlos zusammengefügt werden, was eine relativ gleichmäßige Spannungsverteilung bei Druck- und Zugbelastung sowie der Kraftübertragung der Fügeteile ermöglicht.
Die Geometrie der Fügeteile wird nicht durch Bohrungen oder Kanten, wie sie für formschlüssige Fügeverfahren notwendig sind, verändert. Zudem ist dadurch eine Gewichtsersparnis möglich. Die Gefügestruktur der Fügeteil-Werkstoffe muss für eine Verklebung in der Regel nicht erwärmt oder erhitzt werden, was keine Nebenwirkungen in der Gefügestruktur zur Folge hat.

Nachteile des Klebens:

Verklebungen sind empfindlich gegenüber schälende Krafteinwirkungen. Organische Klebstoffe (Großteil aller Klebstoffe) altern und werden mit Alterung empfindlicher gegenüber chemische Belastung (Umwelteinflüsse) und mechanische Belastung. Klebstoffe dürfen nur bei begrenzten Temperaturen verwendet werden. Die Umgebungstemperatur sowie die Temperatur der Fügeteile dürfen nicht unterhalb oder oberhalb der Gebrauchstemperatur der Klebstoffe während und nach der Aushärtung liegen.
Die Klebstoffproduktion ist tendenziell verhältnismäßig aufwändig, was Klebstoffe teuer macht. Schwierige Simulation und Prüfbarkeit der Klebequalität.

Klebstoffe lassen sich schwierig simulieren und bedürfen intensive Vortests. Die Qualitätsprüfung kann bei Klebstoffen nicht ohne Zerstörung erfolgen, somit müssen Klebeprozesse sehr sicher (nach intensiver Vorprüfung) eingesetzt und beherrscht werden müssen.

Zusammenhalt und Haftung von Klebstoffen

Die Haftung entsteht beim Aushärten an der Grenzflächenschicht zwischen Fügeteil und Klebschicht. Die Haftung bezeichnet dabei den Zusammenhalt bzw. den Widerstand gegenüber trennender Kraftbeanspruchung. Die Haftung eines Klebstoffes setzt sich zusammen aus der Oberflächenhaftung zwischen Klebstoff und Fügeteil (Anhangskraft: Adhäsion) und innerem Zusammenhalt des Klebstoffes selbst (Zusammenhangskraft: Kohäsion).

Die Haftung ist immer nur als abstraktes Modell darstellbar und realitätsnah schwierig zu simulieren, die tatsächliche Haftung von Klebstoffen ist nur über Zerstörung der Vernetzungsstruktur prüfbar sowie ausschließlich über die Verbundfestigkeit messbar.

Die genaue Oberfläche, auf welcher der Klebstoff an den Fügeteilen haftet, ist unbekannt oder nur durch Zerstörung mit Adhäsionsbruch zu erfahren. Zwar lässt sich die Fläche grob und theoretisch durch Betrachtung der geometrischen Fläche ausrechnen…

… die geometrische Fläche ist jedoch nicht die ganze Information über die haftungsrelevante Oberfläche des Fügeteils. Die wahre Oberfläche ist größer. Je rauer die Oberfläche, desto größer ist die theoretisch für die Haftung zur Verfügung stehende wahre Oberfläche.

Allerdings kann eine zu hohe Rauheit, abhängig von der Flüssigkeit des Klebsstoffes, die wirksame Oberfläche (tatsächliche Haftungsoberfläche) auch wieder reduzieren, da die Haftungsoberfläche Lücken haben kann und schlimmstenfalls nur an den “Spitzen” der Oberfläche eine Haftung geschieht.

In vielen Fällen ist vor dem Kleben eine Klebflächenvorbehandlung (z. B. Schleifen, Polieren und Reinigen) notwendig, um die, für den jeweiligen Klebstoff angemessene Rauheit und Sauberkeit herzustellen.

Klebflächenvorbehandlung

Die einfachste Form der Klebflächenvorbehandlung ist die Reinigung der Fügeteiloberflächen durch Abspülen mit Wasser. Bei notwendiger Schaffung von sehr glatten oder rauen Oberflächen ist eine mechanische Behandlung durch Schmirgeln, Bürsten oder Strahlen (Sand- oder Wasserstrahlen) möglich. Unter eine chemische Behandlung fallen Lösungsmittel und Beize (Beizen – Ätzen von Werkstoffoberflächen).

Für spezielle Bereiche kommen physikalische Vorbehandlungsverfahren in Betracht:

• Thermische Verfahren (z. B. Plasma Gun, Kreindl-Verfahren)
• Elektrische Verfahren (z. B. Niederdruckplasma, Corona Verfahren)
• Energiereiche Strahlung (z. B. UV-Strahlen, Elektronenstrahlen, Laser)

Innerbetrieblich werden Fertigungsverfahren i. d. R. nach Produktionsstufe gegliedert, wie Fertigung (z. B. Formen und Trennen) -> Montage (z. B. Zusammenfügen durch Kleben) -> Funktionssicherung (z. B. Beschichten mit Korrosionsschutz).

Für die einheitliche Fertigung und der verständlichen Kommunikation zwischen den verschiedenen Abteilungen und gar Unternehmen und Behörden zu gewährleisten, wurden in ingenieurtechnischen Disziplinen Standardisierungen durch Normen eingeführt, die Begriffe, Bezeichnungen und Definitionen der einzelnen Fertigungsverfahren beinhalten.

Die Einteilung der Fertigungsverfahren ist in der DIN Norm 8580 festgelegt. Diese Einteilung gliedert sich in sechs Hauptgruppen mit jeweils eigenen Verfahrensgruppen und Verfahrensuntergruppen.

Die sechs Hauptgruppen nach DIN 8580:

Schaffen der Form 
1. Urformen (Zusammenhalt der Form schaffen)

Ändern der Form

2. Umformen (Zusammenhalt beibehalten)
3. Trennen (Zusammenhalt vermindern)
4. Fügen (Zusammenhalt vermehren)
5. Beschichten (Zusammenhalt vermehren)

Ändern der Stoffeigenschaften

6. Stoffeigenschaftsänderung
   

Verfahrensgruppen der Hauptgruppen

Die Verfahrensgruppen sind mit Ordnungsnummern versehen, welche als Indexierung der Verfahrensgruppen dienen und somit die Zuordnung der Gruppen zueinander erleichtert.

Einteilung der Hauptgruppe 1: Urformen

Einteilung der Hauptgruppe 2: Umformen

Einteilung der Hauptgruppe 3 : Trennen

Einteilung der Hauptgruppe 4 : Fügen

Einteilung der Hauptgruppe 5 : Beschichten

Einteilung der Hauptgruppe 6 : Stoffeigenschaftsänderung

Die Bearbeitungsabfolge und zugehörige Parameter werden in einem NC-Programm definiert, eine Dreh-/Fräsmaschine führt diese Bearbeitungsabfolge aus.

CNC ist die erweiterte, modernere Form des NC (Numerical Control). NC basierte noch weitgehend auf der Lochkarteneinlesung und konnte nur extern verändert werden, der Bediener kann das Programm also nur starten/beenden, aber (anders als bei CNC) nicht anpassen.

CNC spielt in der Produktion (speziell in der Prozessgestaltung und Fertigungsplanung) eine wichtige Rolle.

Für das CNC-Programm sind für diese Welle (unter Beachtung der Symmetrie) die folgenden Koordinaten relevant, nach welchen die CNC-Maschine die Kontur verfolgt:

Die Koordinaten werden nacheinander in vorgegebener Geschwindigkeit abgefahren.

Mittels CNC können auch komplexere, dreidimensionale Gebilde gefertigt werden. Dabei können Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren eingesetzt werden.

Die Fertigungsprogramme können in einem Programmspeicher abgelegt und auf externen Medien gespeichert werden. Die Programme müssen bei Anpassungskonstruktionen meist nur noch abgeändert, nicht grundlegend neugeschrieben werden. Dies macht die Fertigungsplanung diesbezüglich nicht nur flexibel, sondern auch wirtschaftlich.

Hinzu kommt die hohe Geschwindigkeit des Fertigungsabschnitts bzw. der Bearbeitungsschritte, welche durch CNC geregelt werden, bei dennoch sehr hoher Bearbeitungs- und Wiederholungsgeschwindigkeit.

Randschichthärten kann in Randschichthärtung mit und ohne Kohlenstoff/Stickstoff-Zuführung unterschieden werden.

• Randschichthärtung durch Gefügeumwandlung mit ausreichend vorhandenem Kohlenstoff
• Flammenhärten
• Induktionshärten
• Randschichthärten durch Gefügeumwandlung mit zugeführtem Kohlenstoff
• Einsatzhärten
• Randschichthärten mit zugeführtem Stickstoff
• Nitrieren

Typische Vergüten und Einsatzhärten sind zwei von mehreren Wärmebehandlungsverfahren zur Steigerung der Festigkeit in Kombination mit der Zähigkeit. Beide Verfahren sind selbst Kombinationen aus mehreren einzelnen Wärmebehandlungsverfahren.

Randschichthärtung mit vorhandenem Kohlenstoff

Da kein Kohlenstoff zugeführt wird, sollten die Werkstücke aus Vergütungsstahl mit mindestens 0,45% Kohlenstoff bestehen.

Flammenhärten

Das Werkstück wird mit einer sehr heißen Flamme in sehr kurzer Zeit an der Oberfläche auf hohe Temperaturen gebracht. Noch bevor die Hitze das gesamte Werkstück durchdrungen hat, wird dieses in kaltem Wasser oder Öl abgeschreckt.

Induktionshärten

Induktionshärten bezeichnet eine Methode des partiellen Härtens der Oberfläche eines Werkstücks.

Eine elektrische Spule, an der ein hochfrequenter Wechselstrom angelegt wird, umhüllt ein Stahlwerkstück mit geringem Abstand. Die durch Induktion entstehenden Ströme erhitzen die Randoberfläche des Werkstücks sehr schnell und lokal begrenzt. Nach Erreichung der gewünschten Härtetemperatur, bevor die Hitze das Werkstück durchdringt, wird die Spule entfernt und das Werkstück mit Wasser abgeschreckt. Oftmals ist kein Abschrecken nötig, denn durch die partielle Härtung ohne Wärmedurchdringung des gesamten Werkstücks kann die Wärme der Härtezone schnell an die umliegenden Bereiche abgegeben werden. Wenn zusätzlich das Werkstück sowie die Umgebungstemperatur eine kühle Grundtemperatur haben, reicht die Abkühlgeschwindigkeit, die für eine Härtung notwendig ist, oftmals schon aus. Der positive Nebeneffekt ist, dass keine Spannungen/Risse sowie kein Materialverzug zu befürchten sind, die jedoch beim Abschrecken entstehen können.

Hinsichtlich Genauigkeit, Steuerbarkeit und Zugänglichkeit wird das Induktionshärten nur noch vom Laserhärten übertroffen.

Laserstrahlhärten

Das Laserstrahlhärten erfolgt über einen Roboter, welcher in der Lage ist, ein Werkstück dreidimensional anzusteuern und durch Bestrahlung mit einem Laser eine partielle Härtung vorzunehmen. Da der Laserstrahl sehr lokal auf eine kleine Fläche strahlt und sehr genau geführt wird, kann eine hohe Präzision erreicht werden. Gehärtet werden damit Ecken und Kanten eines Werkstücks, welche sehr verschleißfest sein müssen.

In der Regel ist kein Medium zur Abschreckung nötig. Die klimatisierte Umgebungsluft sowie die Grundtemperatur des Werkstücks reichen aus, um eine schnelle Abkühlung durch Wärmeableitung zu schaffen. Bei Zuführung eines Schutzgases können zudem blanke Oberflächen ohne Notwendigkeit der Nachbehandlung erzielt werden.

Randschichthärtung mit Kohlenstoff-Zuführung

Haben Stahlwerkstücke nur einen geringen Kohlenstoffanteil (<0,2%), wird für die Härtung eine Zuführung von Kohlenstoff notwendig.

Einsatzhärtung

Beim Einsatzhärten ist eine Form des Randschichthärtens mit Zuführung von Kohlenstoff. Dabei wird der Werkstoff aufgekohlt (Kohlenstoff wird von außen zugeführt, damit die gewünschte Härte erreicht werden kann), gehärtet und angelassen. Das Einsatzhärten wird, vornehmlich für kohlenstoffarme Stähle, dann verwendet, wenn ein zäher Kern und eine verschleißbeständige Oberfläche benötigt werden.

1. Aufkohlung der Randschicht
2. Abkühlung (i.d.R. auf Raumtemperatur -> Ein Normalgefüge einschließlich Perlit, Ferrit und Carbid entsteht)
3. Härten mit Anlasstemperatur, geringer als beim Vergüten

Randschicht eines Stahl-Werkstoffs wird in speziellen Einsatzverfahren mit Kohlenstoff angereichert. Die Anreicherung wird auch als „Aufkohlen“ bezeichnet. Der Stahl wird nachfolgend gehärtet und angelassen.
Die Anreicherung geschieht mit Einbringung der Stahl-Werkstücke in Kohlenstoff abgebende Einsatzmittel und Glühen bei Temperaturen von 850 – 950 °C über Stunden oder auch Tage (bei Aufkohlen mit mehr als 950°C wird auch von Hochtemperaturkohlen gesprochen). Dadurch diffundiert der Kohlenstoff in die Randschicht des Werkstoffes. Die Kohlenstoffreichhaltigkeit am Rand ermöglicht so einen sehr harten Rand.
Es gibt mehrere Verfahren des Einsatzhärtens, welche sich hinsichtlich des Einsatzmittels unterscheiden.:
Aufkohlen im festen (Pulveraufkohlen), flüssigen (Salzbadaufkohlen) oder gasförmigen Einsatzmittel (Gasaufkohlen, kohlenstoffhaltiges Gas) ist möglich.
Einsatzhärten wird verwendet, wenn ein zäher Kern und eine verschleißbeständige Randschicht benötigt werden.
Beispiel Samuraischwert-Klinge: Der zähe (kohlenstoffarme) Kern macht das Schwert widerstandsfähig gegenüber Erschütterungen, der harte Rand mit hohem Kohlenstoffanteil ist sehr hart und schärfbar
Bei erfolgreichem Einsatzhärten wird eine hohe Oberflächenhärte und Festigkeit des Bauteils erreicht, was zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt. Einsatzgehärtet werden Stähle, welche für eine dynamische Beanspruchungshaltung ausgelegt werden, beispielsweise für Wellen und Zahnräder.

Ein typischer Einsatzstahl ist 16MnCr5 (legiert).

Randschichthärtung mit Stickstoff-Zuführung

Auch die Zuführung von Stickstoff zur Randschicht des Werkstücks kann die Härtung von Stählen erreichen. Es entsteht keine Gefügeumwandlung. Die Stickstoff-Zuführung ist für Stähle sinnvoll, die mit Aluminum, Chrom, Molybdän, Titan oder Vanadium legiert wurden. Diese Legierungen bilden bei Härtung mit Stickstoff-Zufuhr stabile Nitride (bei Chrom z. B. Chromnitrid), welche die Härtung verbessern.

Nitrieren

Beim Nitrieren geschieht eine Härtung bei einer sehr dünnen Randschicht durch Erhitzung des legierten Stahlwerkstücks in der Regel auf etwa 500-520°C. Bei diesen Temperaturen entsteht direkt aus der Stickstoff-Zufuhr die Härtung. Ein Abschrecken (sowie Anlassen) erfolgt nicht. Gängige Anwendungen sind das Salzbadnitrieren (Salzbad als Stickstoff-Quelle) und das Gasnitrieren und Plasmanitrieren. Bei Gasnitrieren wird das Werkstück in einem Gasofen (Ammoniakgas-Zufuhr) erhitzt.

Der Vorteil des Nitrierens ist die Härtung ohne Abschrecken. Daher haben nitriergehärteten Werkstücke keine verzunderten Oberflächen und weisen keine entsprechenden Spannungen/Verziehungen auf. In der Regel ist keine Nachbearbeitung der gehärteten Werkstücke notwendig.

Randschichthärtung mit Kohlenstoff- und Stickstoff-Zufuhr

Unter bestimmten Umständen kann die Kombination obiger Wärmebehandlungen vorteilhaft sein. Eine kombinierte Verfahrensart wird als Carbonitrieren bezeichnet.

Carbonitrieren

Carbonitrieren bezeichnet die Kombination von Einsatzhärten und Nitrierhärten von legierten Stählen mit geringem Kohlenstoffanteil. Es erfolgt eine Erhitzung mit Zuführ von Kohlenstoff und Stickstoff in einem Gasofen. Es erfolgt ein Abschrecken, wodurch weitere Härtung entsteht.

Werkstücke sind feste Körper und können Teil einer abgrenzbaren Baugruppe sein, welche richtig zusammengesetzt ein Endprodukt oder mehrere Endprodukte ergeben. Werkstücke sind selbst aus mindestens einem Teil bestehend, können aber auch, insbesondere bei geometrisch komplexeren Körpern, aus mehren Teilen bestehen.

Die Fertigungsteams interagieren insbesondere mit der Konstruktion und der Qualitätssicherung. Ingenieure der Fertigungstechnik müssen mit den Konstruktionsingenieuren die Fertigungsprozesse planen, Konstruktionspläne verstehen und Konstruktionsfehler frühzeitig erkennen, Fertigungsverfahren nach technischen als auch wirtschaftlichen Aspekten bewerten und über fundierte Kenntnisse in der Qualitätssicherung verfügen.

Der Fertigung stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Verfügung. Diese Fertigungsverfahren verändern sich mit technischem Fortschritt und naturwissenschaftlicher Forschung im Sinne der Qualität, Wirtschaftlichkeit, Ergonomie und Umwelt.

Die Fertigungsverfahren sind so zu bewerten und in die Produktion einzugliedern, dass die Endprodukte in ausreichender Menge und Qualität bei minimalen Kosten unter Berücksichtigung der Umwelt und Ergonomie für am Fertigungsprozess Beteiligter sowie Verbraucher, insbesondere unter Einhaltung gültiger Rechtsvorschriften, produziert werden.

Die Fertigungsverfahrensauswahl ist neben diesen Bedingungen in erster Linie an die Werkstückgestalt gebunden. In der Fertigungstechnik drehen sich alle Recherchen und Diskussionen um die zu bearbeitenden Werkstücke. Aus diesen Gründen stehen Kenntnisse in der Werkstofftechnik mit höchster Priorität auf der Anforderungsliste für einen Ingenieur der Fertigung.

Wissen der Werkstoffkunde ist nicht nur für die Beurteilung eines Werkstücks von Relevanz, sondern auch für die der Fertigungsverfahren. Die Fertigung geschieht nach dem Prinzip, dass Material (Fertigungswerkzeug) Material (Werkstück) bearbeitet. Das Fertigungswerkzeug muss gegenüber dem Werkstück über eine Materialüberlegenheit haben.

In Hochschulen folgt aus diesem Grund die Lehre der Fertigungstechnik immer nach Abschluss der Grundlagen der Werkstoffkunde.