Wärmebehandlung von Stahl: Härten, Anlassen & Oberflächenverfahren

Wärmebehandlung von Stahl: Grundlagen und Verfahren

Der Begriff Anlassen (engl. Tempering) bezeichnet eine Wärmebehandlung von gehärteten Stahloberflächen, die darauf abzielt, die Sprödigkeit zu reduzieren und die Zähigkeit zu erhöhen, während ein Teil der Härte erhalten bleibt.

Faktoren, die die Härte beeinflussen

• Abkühlgeschwindigkeit: Die Geschwindigkeit, mit der das Werkstück nach dem Erhitzen abgekühlt wird.
• Kohlenstoffgehalt:
  • Niedriger Kohlenstoffgehalt: Weniger als 0,20 %
  • Mittlerer Kohlenstoffgehalt: 0,20 % bis 0,40 %
  • Hoher Kohlenstoffgehalt: 0,40 % bis 1,7 % (oder bis zu 2,0 %)
• Legierungsgehalt:
  • Niedrig: Weniger als 8 % Legierung
  • Hoch: Mehr als 8 % Legierung
• Größe des Werkstücks: Die Masse und Geometrie des Werkstücks beeinflussen die Abkühlrate.

Verfahren zum Härten von Stahl

Das Härten ist ein Prozess, der die Härte und Festigkeit von Stahl erhöht. Ein typischer Ablauf umfasst folgende Schritte:

1. Stahlsorte bestimmen: Auswahl und Analyse der zu behandelnden Stahlsorte.
2. Erforderliche Härtetemperatur bestimmen: Festlegung der optimalen Erhitzungstemperatur.
3. Kühlmedium auswählen: Wahl des geeigneten Mediums (z.B. Öl, Wasser, Polymerlösung).
4. Ausgangshärte bestimmen: Messung der Härte vor der Behandlung.
5. Erhitzen des Werkstücks:
   • Für untereutektoide Stähle: Erhitzen auf 25 °C bis 50 °C über Ac3 (ca. 900 °C).
   • Für übereutektoide Stähle: Erhitzen auf 25 °C bis 50 °C über Ac1 (ca. 723 °C).
6. Haltezeit: Das Werkstück im Ofen bei konstanter Temperatur halten, um eine vollständige Austenitisierung zu gewährleisten.
7. Abschrecken: Das Werkstück aus dem Ofen entnehmen und schnell abkühlen, indem es im Kühlmedium geschwenkt wird (z.B. langsame Kreisbewegungen).
8. Sauberkeit des Werkstücks: Sicherstellen, dass das Werkstück vor und während des Prozesses sauber ist.
9. Endgültige Härte bestimmen: Messung der Härte nach dem Abschrecken.

Spezielle Härteverfahren und Oberflächenbehandlungen

Aufkohlen (Carburizing)

Beim Aufkohlen wird die Oberfläche eines kohlenstoffarmen Stahls mit Kohlenstoff angereichert, um nachfolgend eine hohe Oberflächenhärte zu ermöglichen. Das Werkstück wird bis zur Rotglut in Kontakt mit kohlenstoffhaltigem Material (Kohle oder Koks) erhitzt und anschließend gehärtet.

• Erreichte Schichtdicke: ca. 0,8 bis 1,5 mm.
• Verwendeter Stahl: Kohlenstoffarmer Stahl (ca. 0,5 % C), dessen Oberfläche zu einem kohlenstoffreichen Stahl (0,39 % bis 1,2 % C) wird.

Zyanidhärten (Cyaniding)

Dieser Prozess kombiniert die Aufnahme von Kohlenstoff und Stickstoff, um weiche Stähle zu härten, die normalerweise nicht gut auf herkömmliche Wärmebehandlung ansprechen.

Verfahren:

1. Das Metall wird in ein NaCN-Salzbad bei 840 °C getaucht.
2. Halten Sie es für eine bestimmte Zeit bei dieser Temperatur (bis zur Rot-Weiß-Glut).
3. In Öl oder Wasser abkühlen.

• Erreichte Schichtdicken: ca. 0,13 bis 0,5 mm.
• Hinweis: Der Prozess ist sehr giftig.

Nitrieren (Nitriding)

Dieser Prozess ist ein Erwärmen des Stahlwerkstücks auf ca. 500 °C in Kontakt mit NH3 (Ammoniak), wobei Stickstoff sehr harte Nitride bildet.

• Erreichte Härte: ca. 900 bis 1100 HB.
• Erreichte Schichtdicke: ca. 0,025 bis 0,13 mm.

Induktionshärten (Induction Hardening)

Dieser Prozess dient dem Härten von Werkstücken, die durch einen induzierten Strom in einem Kupferrohrring (durch den Kühlwasser zirkuliert)"fast sofor" erhitzt werden.

• Anwendung: Geeignet für die Oberflächenhärtung von mittelgroßen Werkstücken wie Stangen, Meißeln, Schraubenziehern usw.

Flammhärten (Flame Hardening)

Dieser Wärmebehandlungsprozess (Härten) eignet sich für große, sperrige Werkstücke, die nicht mit anderen Verfahren gehärtet werden können. Es wird eine wärmeerzeugende Einheit (Autogenbrenner) und eine Kühlung (Wasserdusche) verwendet.

Der Prozess kann auf drei Arten durchgeführt werden:

1. Werkstück in Bewegung, Einheit stationär.
2. Werkstück stationär, Einheit beweglich.
3. Werkstück und Einheit beweglich (beide in entgegengesetzter Richtung).

• Erreichte Schichtdicke: ca. 1,6 mm.
• Vorschubgeschwindigkeit der Flamme (Thermo-Kühl-Einheit): ca. 50 bis 200 mm/min.

Metallisieren / Thermisches Spritzen

Dieser Vorgang umfasst die Beschichtung eines Metallteils durch das Schmelzen eines Drahtes oder Pulvers (meist mittels Autogenbrenner), wobei das geschmolzene Material auf der Oberfläche abgelagert wird, um eine gleichmäßige und oft härtere Schicht zu erhalten. Der Prozess wird typischerweise auf einer Drehmaschine für zylindrische Oberflächen durchgeführt.

In einigen Fällen ist eine Nachbearbeitung (z.B. Schleifen) erforderlich, um eine regelmäßige und einheitliche Oberfläche zu erzielen, insbesondere wenn die Beschichtung mit sehr harten Metallen wie Kobalt (Co), Wolfram (W), Diamant (Di) oder Molybdän (Mo) erfolgt.