Wärmebehandlung von Stahl: Glühen, Härten, Anlassen und Oberflächenhärten

Wärmebehandlung von Stahl

Die Wärmebehandlung verändert die Eigenschaften von Stahl gezielt durch Erwärmen und Abkühlen. Die wichtigsten Verfahren sind Glühen, Härten, Anlassen und das Oberflächenhärten.

Perlit, Bainit und Martensit

Perlit entsteht aus einer Mischung von Ferrit und Zementit (Cm) bei langsamer Abkühlung. Er ist vergleichsweise weich. Bei mittlerer Abkühlgeschwindigkeit bildet sich Bainit, ein feines Gefüge aus Ferrit und Zementit mit höherer Festigkeit und Zähigkeit.

Martensit entsteht bei sehr schneller Abkühlung (Abschrecken). Er ist eine übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Eisen mit tetragonaler Kristallstruktur. Die Umwandlung erfolgt ohne Diffusion, wodurch das Gefüge sehr hart, aber spröde wird.

Einflussfaktoren auf die Umwandlung

Legierungselemente beeinflussen das Umwandlungsverhalten. Mangan (Mn), Nickel (Ni), Bor (B) und Chrom (Cr) verzögern die Umwandlung in Perlit und Bainit und verbessern die Härtbarkeit. Elemente wie Molybdän (Mo), Titan (Ti) und Vanadium (V) bilden Karbide und beeinflussen die Korngröße. Eine größere Korngröße verschiebt die Umwandlungskurven nach rechts, sodass die Umwandlung später einsetzt. Eine feinere Körnung verringert dagegen die Härtbarkeit.

Glühverfahren

• Weichglühen: Ziel ist es, Spannungen abzubauen und die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
• Normalglühen: Das Gefüge wird homogenisiert und verfeinert. Der Stahl wird knapp über die Austenitisierungstemperatur (A3 bzw. Acm) erwärmt und an ruhiger Luft abgekühlt.
• Rekristallisationsglühen: Verformungsspannungen werden beseitigt, indem das Gefüge neu gebildet wird.
• Diffusionsglühen (Homogenisieren): Chemische Unterschiede im Gefüge werden durch langes Halten bei hoher Temperatur ausgeglichen.
• Isothermes Glühen: Der Stahl wird abgekühlt und bei konstanter Temperatur umgewandelt.
• Kugelglühen (Sphäroidisieren): Der Zementit bildet kugelige Form, was die Zerspanbarkeit verbessert.

Härten und Anlassen

Beim Härten wird der Stahl austenitisiert und anschließend so schnell abgekühlt, dass Martensit entsteht. Das Ergebnis ist eine hohe Härte, jedoch auch innere Spannungen und Sprödigkeit.

Das Anlassen verringert diese Spannungen und verbessert die Zähigkeit. Der Stahl wird dazu auf Temperaturen unterhalb der A1-Linie erwärmt und anschließend an Umgebungstemperatur abgekühlt. Dabei finden drei Stufen statt:

• Stufe 1 (unter 200 °C): Der tetragonale Martensit zerfällt in kubischen Martensit und Epsilon-Karbid.
• Stufe 2 (ca. 200 °C): Der Restaustenit wandelt sich in Bainit oder Martensit um. Diese Stufe führt zu einer sekundären Härtesteigerung.
• Stufe 3 (über 200 °C): Der Martensit wird kubisch, Zementit (Cm) scheidet sich aus. Der Stahl wird weicher und zäher.

Abschreckverfahren

• Martempering: Der Stahl wird abgeschreckt, bis die Temperatur knapp über dem Martensitpunkt liegt, und dann langsam an Luft abgekühlt. Dadurch werden Risse vermieden.
• Austempering: Der Stahl wird so lange isotherm gehalten, bis sich vollständig Bainit gebildet hat. Das Ergebnis sind hohe Härte und Zähigkeit.
• Gemischtes isothermes Verfahren: Es entsteht ein Gemisch aus Bainit und Martensit.
• Randhärten: Nur die Oberfläche wird gehärtet, während der Kern weich und zäh bleibt.

Oberflächenbehandlung

Bauteile, die auf Verschleiß beansprucht werden, benötigen eine harte Oberfläche bei zähem Kern. Dies wird durch thermochemische Verfahren wie das Aufkohlen und das Nitrieren erreicht.

Aufkohlen (Einsatzhärten)

Beim Aufkohlen diffundiert Kohlenstoff in die Oberfläche eines kohlenstoffarmen Stahls. Die Randzone enthält danach Perlit und Zementit, der Kern bleibt Perlit mit Ferrit. Anschließend folgen Härten und Anlassen. Ein Kohlenstoffgehalt über 0,9 % in der Randschicht macht diese spröde und ungleichmäßig. Einsatzstähle sind niedrig legiert, typischerweise mit Chrom und Molybdän sowie Nickel und Mangan.

Nitrieren

Beim Nitrieren werden Stickstoffatome in die Randschicht eingebracht, die mit Legierungselementen wie Aluminium, Chrom, Molybdän und Vanadium Nitride bilden. Der Stickstoff wird meist aus Ammoniak gewonnen. Das Verfahren wird bei etwa 590 bis 600 °C durchgeführt, wodurch kein Kornwachstum auftritt. Es ist kostengünstiger als das Aufkohlen. Die Randschicht ist sehr hart, aber dünn und leicht zerbrechlich. Der Kern bleibt zäh.

Vergleich der Verfahren

Härten und Anlassen ergeben eine gleichmäßige Festigkeit im Bauteil. Aufkohlen erzeugt eine tiefe, harte Randschicht mit zähem Kern. Nitrieren eignet sich für eine sehr harte, verschleißfeste Oberfläche bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen.