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Bauteilhärten Welches Härteverfahren zu den gewünschten Bauteileigenschaften führt

| Autor: Stéphane Itasse

Das Härten von Bauteilen steigert die Festigkeit der Werkstücke und damit die Verschleißbeständigkeit der Oberfläche. Unterschiedliche Härteverfahren ermöglichen dabei eine genaue Einstellung der Bauteileigenschaften.

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Nitrierte Kegelräder aus Vergütungsstahl 42CrMo4.
Nitrierte Kegelräder aus Vergütungsstahl 42CrMo4.
(Bild: Mädler )

Das Eigenschaftsprofil von Metallwerkstoffen wird maßgeblich von der Wärmebehandlung bestimmt. Dabei werden die Werkstücke in einem bestimmten Zeit-Temperatur-Ablauf erwärmt und wieder abgekühlt, um die gewünschten Werkstoffeigenschaften zu erreichen, wie der Hersteller und Großhändler von Antriebs- und Maschinenelementen Mädler mitteilt.

Der Temperatureinfluss bewirkt Gefügeveränderungen, die die Festigkeit, Zähigkeit, Zugfestigkeit, Zerspanbarkeit und Gefügehomogenität des Metalls beeinflussen. Zudem wird die Lebensdauer des Bauteils und damit die Wirtschaftlichkeit gesteigert.

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Je nach Anforderungsprofil bieten sich verschiedene Wärmebehandlungsverfahren an. Dazu gehören:

  • das Glühen,
  • das Vergüten (mit und ohne Schutzgas),
  • das Einsatz- und das Randschicht- oder Induktionshärten,
  • das Vakuumhärten,
  • das Nitrieren und Nitrocarburieren sowie
  • das Plasmanitrieren.

Diese Verfahren eignen sich für alle Metalle, zum Beispiel Eisenmetalle, deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0,002 und 2,06 % liegt. Um beispielsweise ein Werkstück aus Stahl zu härten, muss der Kohlenstoffgehalt des Werkstoffs mindestens 0,2 % betragen.

Kürzere Bearbeitungszeiten durch geringeres Aufmaß

Zu den Glühverfahren gehören das Spannungsarm- und das Normalglühen (oder Normalisieren). Durch Spannungsarmglühen werden Eigenspannungen im Werkstück beseitigt, die zuvor aufgrund ungleichmäßiger Abkühlung nach dem Gießen, Schmieden, Schweißen oder anderen thermischen Verfahren entstanden sind. Auch starke mechanische Bearbeitungen wie Fräsen, Drehen oder Kaltumformen machen oft ein Spannungsarmglühen erforderlich. Diese Art des Glühens findet bei relativ niedrigen Temperaturen zwischen 480 °C und 680 °C statt. Zu den Vorteilen dieser Variante zählen die verzugsarme Weiterverarbeitung sowie kürzere Bearbeitungszeiten durch ein geringeres Aufmaß. Zudem lassen sich in der nachgelagerten Wärmebehandlung Härterisse vermeiden.

Durch Normalglühen oder Normalisieren, wiederum, sollen Gefügeungleichmäßigkeiten beseitigt werden. Gezielt erreichen lässt sich ein feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge mit optimierten Festigkeits- und Verformbarkeitseigenschaften. Sofern die Stähle einen höheren Kohlenstoffgehalt besitzen, liegt die Temperatur beim Normalglühen knapp unter 800 °C. Ist der Kohlenstoffgehalt der Stähle relativ niedrig, sollte das Normalglühen bei gesteigerten Temperaturen von bis zu 950 °C erfolgen.

Das Vergüten ist ein thermisches Verfahren, das das Härten mit nachfolgendem hohem Anlassen kombiniert und eine Gefügebildung oder -änderung des Werkstoffs bewirkt. Das Härten kann durch Erwärmen und anschließendes Abschrecken (plötzliches Abkühlen durch ein Abschreckmedium wie Wasser oder Öl) erfolgen. Ziel des Härtens ist in der Regel, ein hartes Gefüge aus den Gefügeformen Martensit oder Bainit oder aus einem Gemisch aus beiden zu erzeugen. Beim nachfolgenden Anlassen wird der Werkstoff erwärmt, um dessen Eigenschaften zu beeinflussen, insbesondere um Spannungen abzubauen. Das Vergüten bietet sich für dynamisch belastete Bauteile an. Zu vergütender Stahl muss einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,2 bis 0,3 % besitzen. In der Regel liegt der Kohlenstoffgehalt klassischer Vergütungsstähle zwischen 0,35 % und 0,6 %.

Stähle, die schlecht durchhärtbar sind, eignen sich eher für das Randschichthärten, auch Induktionshärten genannt. Dabei muss der Kohlenstoffgehalt des Stahls mindestens 0,2 % betragen. Das induktive Härten erfolgt, indem das Werkstück kurze Zeit einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt ist. Hierdurch wird das Teil an der Oberfläche bis zur Rotglut erwärmt. Anschließendes Abschrecken sorgt für die Härtung. Weil sich das Induktionsverfahren sehr gut in automatisierte Abläufe einbinden lässt, wird es oft in der Massenfertigung gehärteter Bauteile eingesetzt. Zu den Werkstoffen, die sich zum Induktionshärten eignen, gehören:

  • 1.503 – C45,
  • 1.7225 – 42CrMo4,
  • 1.3503 – 100Cr6 oder
  • 1.8159 – 50CrV4.

Durch Vakuumhärten können Werkzeugstähle industriell wärmebehandelt werden. In den entsprechenden Anlagen lassen sich legierte und hochlegierte Werkzeugstähle sowie martensitische Edelstähle bis zu einer Temperatur von 1300 °C härten und anlassen. Das Vakuum sorgt dafür, dass Retorte und Härtegut nicht mit Gasen im Ofen reagieren können. So sollen vor allem Randentkohlung und Oberflächenoxidation vermieden werden. Vakuumhärten empfiehlt sich für verzugsempfindliche Präzisionsbauteile, Formteile sowie Werkzeuge, bei denen es auf eine saubere, blanke Oberfläche ankommt.

Das Einsatzhärten ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung von Stahlwerkstücken, welches Aufkohlen, Härten und Anlassen kombiniert. Durch Aufkohlen (oder Carburieren, respektive Einsetzen) lässt sich der Kohlenstoffgehalt von Stählen steigern, die sich aufgrund eines zu geringen Gehalts nur schlecht oder gar nicht zum Härten eignen. Die Anreicherung mit Kohlenstoff erfolgt primär in der Randschicht. Dort bildet sich Martensit aus, wodurch die Randschicht härter ist als der Kern des Werkstücks. Dies ist beabsichtigt, da der Kern meist weich und zäh bleiben soll. Zum Einsatzhärten geeignete Werkstoffe sind:

  • 1.6587 – 17CrNiMo6,
  • 1.0301 – C10,
  • 1.7131 – 16MnCr5,
  • 1.7147 – 20MnCr5.

Beim Oberflächenhärten durch Nitrieren wird mittels eines Salzbades oder einer Gasatmosphäre Stickstoff zugefügt, der in die Werkstückoberfläche diffundiert. Dadurch wird an der Oberfläche von Stahl die Bildung von Austenit unterbunden. Es entsteht eine sehr harte Verbindungsschicht, die bis etwa 600 °C beständig ist. Unter der Verbindungsschicht bildet sich eine Diffusionsschicht, in der der Stickstoff eingelagert ist. Dies wirkt sich positiv auf die Dauerschwingfestigkeit aus.

Das Bauteil wird durch den Härtevorgang nicht deformiert, so dass es bereits vor dem Härten fertigbearbeitet werden kann. Zu beachten ist jedoch, dass die Härte niedriger ist als bei anderen Verfahren und dass nitrierte Bauteile nicht gerichtet werden dürfen.

Beim Nitrocarburieren diffundiert neben Stickstoff auch Kohlenstoff in die Werkstückoberfläche. So entsteht eine Nitrierschicht, bestehend aus Verbindungs- und Diffusionsschicht. Mit diesem Verfahren lassen sich Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit niedrig- bis mittellegierter Stähle steigern.

Beim Plasmanitrieren und Plasmanitrocarburieren wird in einer ionisierten Gasatmosphäre gezielt Stickstoff, beziehungsweise Stickstoff und Kohlenstoff, in die Randzone von Eisenbasislegierungen eindiffundiert. Das Plasmanitrieren wird eingesetzt, um Funktionsflächen eine höhere Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu verleihen. Dieses Verfahren eignet sich somit insbesondere für verschleißbeanspruchte und dynamisch belastete Bauteile. Durch Plasmanitrocarburieren lassen sich auch hochlegierte Stähle in der Randschicht härten.

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 Stéphane Itasse

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