verwendet, um die Härte und Zugfestigkeit zu erhöhen
Atmosphärisches Härten
Was ist Härten?
Das Härten ist ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit, Dauerfestigkeit und Härte von metallischen Werkstoffen. Zu dem Verfahren, gehört das Erwärmen und anschließende Abschrecken bzw. kontrollierte Abkühlen, bei dem es zu einer erheblichen Härtesteigerung kommt. Entweder an der Oberfläche, oder über den gesamten Bauteilquerschnitt. In den meisten Fällen findet Härten in Verbindung mit einer anschließenden Wiedererwärmung, dem Anlassen, statt.
Das Verfahren zur Härtebehandlung von Stahl
Die Werkstoffe werden in einer kohlenstoffneutralen Schutzgasatmosphäre gehärtet. Die Atmosphäre wird genau auf den Kohlenstoffgehalt des jeweiligen Werkstoffs abgestimmt.
1. Erwärmen
Bei Temperaturen, die üblicherweise über 780°C liegen, wird das Ausgangsgefüge des Bauteils zunächst in ein austenitisches Gefüge umgewandelt. Das Werkstück wird auf dieser Temperatur so lange gehalten, bis der komplette Bauteilquerschnitt die Austenitisierungstemperatur erreicht hat und eine Gefügehomogenisierung stattfinden konnte.
2. Abschrecken (schnelle Abkühlung):
Anschließend wird das Werkstück abgeschreckt, so dass ein sogenanntes Härtungsgefüge (Martensit/Bainit) entsteht. Das Abschrecken ist eine schnelle Abkühlung des Werkstücks und erfolgt in Öl, Gas oder anderen Abschreckmedien. Aufgrund der auftretenden Änderungen der Atomgitterstrukturen beim Aufheizen und Abschrecken kommt es zu nicht vermeidbaren Form- bzw. Maßänderungen an den Bauteilen.
3. Anlassen
Das anschließende Anlassen stellt die gewünschten Eigenschaften des Bauteils, vor allem die notwendige Härte und Zähigkeit ein. Das Anlassen erfolgt bei Temperaturen, in Anlehnung an die geforderten mechanischen Bauteileigenschaften. Nach dem Schutzgashärten kann optional eine Tiefkühlbehandlung durchgeführt werden, um den Restaustenit umzuwandeln. Nach einer Tiefkühlbehandlung muss zwangsweise immer ein weiterer Anlassprozess erfolgen.
Die Unterscheidung zwischen Härten und Anlassen
Härten beinhaltet meistens die vollständige Durchhärtung über den kompletten Bauteilquerschnitt. Härten und Anlassen unterscheiden sich daher deutlich von den Verfahrensdefinitionen Oberflächenhärten oder Ausscheidungshärten.
Alle Prozesse werden in hochentwickelten, automatisierten Ofenanlagen durchgeführt, die speziell dafür ausgelegt sind, bestmögliche Ergebnisse zu erzielen.
Weiteres zu Härtungsverfahren
Atmosphärisches Härten
Atmosphärisches Härten ist das Härten von Bauteilen in einer inerten Atmosphäre. Die Oberfläche des Bauteils wird vor Verzunderung und Oxidation sowie vor Aufkohlung und Entkohlung geschützt. Durch ein geregeltes Kohlenstoffpotential in der Schutzgasatmosphäre können Entkohlungs- und Aufkohlungsprozesse rückgängig gemacht werden.
Die Theorie hinter der Gefügeumwandlung
Stahl hat im ungehärteten Zustand ein kubisch-raumzentriertes (krz) Gitter, in dem es nur sehr wenig Kohlenstoff lösen kann. Nach Erwärmung über ca. 720 °C entsteht Austenit, der ein kubisch-flächenzentriertes (kfz) Gitter hat und ein kleineres Volumen einnimmt. Er kann wesentlich mehr Kohlenstoff lösen, was bei Härtetemperatur stattfindet. Kühlt man das Material dann schnell genug ab, wandelt es von einem kubisch-flächenzentrierten Gitter wieder in ein kubisch-raumzentrierte Gitter um. Durch die Anwesenheit von übersättigtem Kohlenstoff wird das krz-Gitter zu einem tetragonalen Gitter gestreckt. Hierbei kann man auch von einem Umwandlungshärten sprechen. Der Martensit besitzt somit hohe Eigenspannungen und ein größeres Volumen als ungehärteter Stahl bei Raumtemperatur. Die hohen Eigenspannungen haben eine hohe Härte des Werkstoffs zur Folge.
Beim anschließenden Anlassen diffundiert ein wenig Kohlenstoff aus der tetragonal verzerrten Atomgitterstruktur und bildet Karbide. Dadurch reduzieren sich Eigenspannungen und Volumenveränderungen die Härte nimmt ab, die Zähigkeit nimmt zu.
Besondere Vorteile des Härtungsverfahrens
- Steigerung der Materialfestigkeit: Das Härten verleiht Werkstoffen eine robuste Struktur und erhöht ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Belastungen.
- Erhöhte Lebensdauer: Durch das Härten werden Werkstücke widerstandsfähiger, was ihre Lebensdauer verlängert und den Bedarf an Ersatzteilen verringert.
- Verbesserte Verschleißfestigkeit: Gehärtetes Metall ist weniger anfällig für Abnutzung, was die Langlebigkeit von Bauteilen und Werkzeugen verbessert.
Geeignete Werkstoffe für das Härten
Praktisch alle technisch interessanten Stahllegierungen, wie Federstähle, Kaltverformungsstähle, Vergütungsstähle, Wälzlagerstähle, Warmverformungsstähle und Werkzeugstähle sowie eine große Anzahl hochlegierter Edelstähle und Gusslegierungen können gehärtet werden.
Das Härten von Metallen und Stählen im Allgemeinen ist ein sehr umfangreiches Thema. Es gibt viele verschiedene Anwendungen, die für unterschiedliche Werkstoffe genutzt werden können. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welches Verfahren für Ihren Zweck am besten geeignet ist, empfehlen wir Ihnen, mit einem unserer erfahrenen Mitarbeiter zu sprechen, um gemeinsam für Ihren Anwendungsfall die beste Wärmebehandlung auszuwählen.
Die Wahl des richtigen Stahls ist entscheidend, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.
Das Härten in verschiedenen Branchen
Die unterschiedlichen Härteverfahren sind nicht abhängig von einer bestimmten Branche, sondern vom verwendeten Werkstoff und den zu erzielenden mechanischen Eigenschaften am Bauteil.
Unser Service für Sie, von der Idee bis zur Serienreife:
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Häufig gestellte Fragen zum Härten von Stahl
Was ist Stahlhärtung?
Beim Härten von Stahl wird das Gefüge des Metalls derartig umgewandelt, dass sich die mechanische Widerstandsfähigkeit des Metalls erhöht. Das Härtungsverfahren verlangt, dass man dem jeweiligen Werkstück Wärme zuführt und es anschließend schnell abkühlt.
Welche Temperaturbereiche sind für das Härten von Stahl entscheidend, und wie wählt man sie aus?
Die Temperaturbereiche für das Härten sind abhängig von der jeweiligen Stahlzusammensetzung. Die verwendbaren Temperaturen sind aus Normen, Spezifikationen und/oder Kundenvorgaben zu entnehmen.
Was sind die gängigen Härtungsverfahren?
Umwandlungshärtung, Ausscheidungshärtung, Mischkristallverfestigung.
Bei welcher Temperatur erfolgt das Härten von Stahl, und wie beeinflusst die Temperatur die Festigkeitseigenschaften des Materials?
Der Härtetemperaturbereich für einen bestimmten Werkstoff ist genormt, oder in Spezifikationen vorgegeben. Grundsätzlich kann man sagen, dass man durch unterschiedliche Härtetemperaturen, aufgrund unterschiedlichem Auflösungsverhalten des Kohlenstoffs und der Legierungselemente, die zu erzielende Härte beeinflussen kann. Höhere Temperatur bedeutet höhere Härte, niedrigere Temperatur niedrigere Härte, höhere Temperatur bedeutet aber auch ein stärkeres Maßänderungsverhalten der Bauteile.
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