Metall härten
Formen der Wärmebehandlung und ihr Effekt

Das Härten von Metall ist für viele Anwendungsfälle unverzichtbar. Um die Festigkeit und Verschleißbeständigkeit eines metallischen Werkstücks zu erhöhen, stehen innerhalb der Oberflächenbehandlung verschiedene Verfahren zur Verfügung.

Häufig genutzte Härteverfahren für Stahl

Einem Werkstück aus Stahl kann durch unterschiedliche Behandlungen zu einer verbesserten Härte, Zähigkeit und sogar Korrosionsbeständigkeit verholfen werden. Diese thermischen und thermochemischen Verfahren verändern die Mikrostruktur und damit auch die Materialeigenschaften der Stahloberfläche bzw. des gesamten Gefüges. 

Die Materialeigenschaften von Stahl, der zum Großteil aus Eisen besteht, lassen sich natürlich nicht nur durch die Wärmebehandlung verändern. Auch das Kaltumformen durch Walzen, Schmieden, Ziehen und verwandte Behandlungen kann die Härte des Stahls erhöhen.

Einsatzhärten

Aufkohlen, Härten, Anlassen – das sind die drei Schritte des Einsatzhärtens. Durch ein anfängliches Erwärmen des Stahls wandelt sich das Ferrit des Eisens in Austenit. Grund für das Erhitzen des Materials zur Bildung der Austenit-Struktur im Eisen ist folgender: Im austenitischen Zustand kann der Stahl deutlich mehr Kohlenstoff aufnehmen – ideale Voraussetzungen für den nun folgenden Arbeitsschritt.

Beim Aufkohlen wird der Umgebung Kohlenstoff zugeführt, der in die Randschicht des Werkstücks diffundiert, sich dort anreichert und ihre Beschaffenheit verändert. Der Kern des Stahls behält dabei seinen ursprünglichen Kohlenstoffgehalt, also den Gehalt der eingesetzten Legierung.

Anschließend wird der Stahl gehärtet, d. h. schnell zum Abkühlen gebracht (z. B. in Wasser, Härteöl oder einem gasförmigen Abschreckmedium). Beim Abschrecken entsteht im Eisen eine Martensit-Struktur, die durch ihr tetragonal-verzerrtes und kubisch-raumzentriertes Gitter gekennzeichnet ist. Mithilfe dieser Martensit-Struktur wird die durch den Kohlenstoff erzielte Verspannung des Materials erhalten. Die Abkühlgeschwindigkeit nimmt dabei großen Einfluss auf das spätere Ergebnis.

Das Abschließende Anlassen verhilft dem Martensit der Randschicht zu mehr Duktilität, macht das Material also weniger spröde. Für die Behandlung eignen sich insbesondere Stähle mit relativ niedrigem Kohlenstoffgehalt (keine oder niedrige Legierung).

Glühen

Das Glühverfahren setzt sich aus drei Behandlungsschritten zusammen – dem Anwärmen, Durchwärmen und Abkühlen. Durch das Anwärmen wird das Werkstück auf die gewünschte Temperatur gebracht. Dieser Zustand wird während des Durchwärmens gehalten. Wie lange die Haltezeit ausfällt, hängt vom Stahl, aber auch von der Werkstückgeometrie und dem gewünschten Ergebnis ab. Anschließend wird das Werkstück wieder auf Umgebungstemperatur gebracht.

Vergüten

Beim Vergüten von Stahl verzichtet man auf den Schritt des Aufkohlens, der Werkstoff  wird ausschließlich thermisch durch Erwärmen, Abschrecken (mit Wasser, Härteöl, Helium etc.) und Anlassen behandelt.

Nitrieren

Das Nitrieren ist eine thermochemische Behandlung, bei dem der Stahl hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während der Umgebung Stickstoff zugeführt wird. Dieser Stickstoff diffundiert in die Oberfläche und führt dort zur Bildung von Nitraten und Nitroverbindungen. Die so entstehende Nitrierschicht verfügt über eine hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, der Kern des Werkstücks bleibt aber ferritisch.

Die Randschicht kann entweder in Ammoniak-Atmosphäre bei leichtem Überdruck (Gasnitrieren), im Salzbad (Badnitrieren) oder in einer ionisierten Gasathmosphäre (Plasmanitrieren) erzeugt werden. Wie hoch die erreichbare Nitrierhärtetiefe ausfällt, hängt vom genutzten Verfahren, dem Werkstoff, der Behandlungszeit und -temperatur ab.

Grundlagen und Vorteile des Plasmanitrierens »

Nitrocarburieren 

Der grundsätzliche Ablauf dieses thermochemischen Verfahrens ähnelt dem des Nitrierens. Beim Nitrocarburieren kommt neben Stickstoff aber auch eine begrenzte Menge Kohlenstoff zum Einsatz. Auf diese Weise entsteht eine besonders dicke Verbindungsschicht, die hauptsächlich ε-Carbonitride Fe2-3CN enthält. Die so bearbeiteten Stähle verfügen über einen besonderen Verschleißwiderstand und hohe Zähigkeit.

Für diese Form der Härtung optimal geeignet sind un-und niedriglegierte Stähle mit geringen Kohlenstoffgehalten.

Härten durch Plasmanitrocarburieren »

Stahl härten: Wir sind die Experten für Wärmebehandlung im Plasma

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