Randschichthärten – Oberflächenhärtung von Stählen

Randschichthärten (auch: Oberflächenhärten) behandelt Fertigungsverfahren der Wärmebehandlung (Stoffeigenschaftsänderung) zur Härtung der Randschicht (Oberfläche) von Werkstücken, welche in der Regel aus Vergütungsstählen bestehen. Ziel ist die Schaffung einer harten, verschleißfesten Oberfläche bei weichem, zähem Kern. Härten erfolgt nach dem Prinzip der Erhitzung und Abschreckung des Materials, wodurch die Bildung von Martensit angestrebt wird, der die Härte schafft.

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.

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