Randschichthärten

Die Verfahren des Randschichthärtens haben alle das Ziel, dem Werkstoff eine harte und verschleißbeständige Oberfläche zu verleihen. Die chemische Zusammensetzung der Randschicht wird bei diesem Verfahren nicht verändert, wohl aber das Gefüge. Verfahrensweisen beim Randschichthärten und Hinweise zu deren Anwendungen und Durchführung gibt DIN 17022-5 an.

Induktionshärten

Um den Widerstand eines Bauteils gegen örtliche Pressung oder Verschleiß deutlich zu verbessern, ist das Induktionshärten ein beliebtes Verfahren.  Bei dieser Methode des Randschichthärtens behält der Werkstoffkern seine Zähigkeitseigenschaften bei.
Nach der elektroinduktiven Erwärmung der Randschicht mittels einem Induktors wird mit Hilfe einer Abschreckbrause abgeschreckt oder das erwärmte Teil in ein geeignetes Abschreckmittel getaucht.
Induktionshärten kann als Vorschub oder als Gesamtflächenhärtung durchgeführt werden und wird vor allem zum Härten von Wellen und Laufflächen sowie von Kettenmodul-Verzahnungen verwendet. Das Induktionshärteverfahren ist auch beliebt wenn es darum geht kompliziert geformte Bauteile an einem bestimmten Bereich zu erwärmen.

Flammhärten

Beim Flammhärten, der ältesten Methode des Randschichthärtens, wird die oberflächennahe Schicht mittels einer Brenngas-Sauerstoff-Flamme kurzzeitig auf Härtetemperatur erwärmt. Dieses Verfahren findet seine Anwendung vor allem bei Randhärtetiefen von mehr als 6,00 mm und bei großen Werkstücken. Auch wenn partielles Randschichthärten funktionaler Flächen gewünscht ist, ist das Flammhärten die gängigste Methode.
Unmittelbar nach dem Erreichen der Härtetemperatur (Austenitisierungstemperatur) wird mit Hilfe einer Wasserbrause abgeschreckt.
Nach dem Härten wird üblicherweise auf Temperaturen von 150°C bis 220°C angelassen um die Rissgefahr bei einem evtl. Schleifen oder Richten zu vermindern.

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Glühen

Unter Glühen fasst man alle Verfahren der Wärmebehandlung zusammen. Wie das Erwärmen des Werkstückes auf eine bestimmte Temperatur (Glühtemperatur), das kurz oder langfristige halten auf Glühtemperatur sowie das anschließend langsame abkühlen zur Grundtemperatur. Die einzelnen Glühverfahren unterscheiden sich im Wesentlichen hinsichtlich der Temperatur auf die Erwärmung sowie die Dauer des Haltens auf dieser Temperatur.

Spannungsarmglühen

Unter Spannungsarmglühen versteht man ein glühen bei relativ niedrigen Temperaturen (440°C – 660°C) und anschließend langsamen Abkühlen um Eigenspannungen im Werkstück zu beseitigen.
Die Spannungen werden jedoch nicht vollständig abgebaut (daher die Bezeichnung Spannungsarmglühen). Die restlichen Materialeigenschaften sollten Möglichst nicht verändert werden.

Vakuumglühen

Um Spannungen im Material durch mechanische Bearbeitung zu reduzieren, werden Bauteile in speziellen Vakuumöfen geglüht. Dadurch werden Maßabweichungen und spätere Montageprobleme reduziert. Beim Vakuumglühen setzt sich der Glühprozess in der Regel aus den folgenden 3 Phasen zusammen: Aufheizen , Halten , Abkühlen.
Bei Sauerstoffempfindlichen Bauteilen kann die Wärmebehandlung auch unter Stickstoff, Argon oder Wasserstoff erfolgen.
Ein beliebter Nebeneffekt des Vakuumhärtens ist, das Verunreinigungen von der Oberfläche der Bauteile entfernt werden und es nicht zu Zunderbildung kommt.

Normalisieren

Das Normalisieren zählt zu den wichtigsten Wärmebehandlungsverfahren für Stahl.
Normalisieren oder Normalglühen  erfolgt bei einer Temperatur knapp oberhalb des oberen Umwandlungspunktes mit nachfolgendem Abkühlen an ruhender Atmosphäre. So soll die Gefügeungleichmäßigkeit beseitigt werden. Dadurch entsteht ein gleichmäßiges und feinkörniges Gefüge mit der besten Kombination aus Zähigkeit und Festigkeit des Stahls. Das Normalisieren kann auch im Vakuum erfolgen was es den wesentlichen Vorteil hat, dass es keine Randentkohlung gibt und es zu keiner Zunderbildung führt. Die Bauteile werden der Anlage metallisch-blank entnommen.

Glühen unter Schutzgas

Spannungsarmglühen unter Schutzgas entscheidet sich im Wesentlichen zum Normalgühen. In diesem Fall wird eine Stickstoffatmosphäre in dem Ofen erzeugt wobei es zu keiner Zunderbildung kommt jedoch zu Anlauffarben und bei höheren Temperaturen zu einer Randentkohlung.

Lösungsglühen

Ist ein Glühen, das meistens bei austenitischen Stählen angewandt wird. Es findet bei Stahl in einem Temperaturbereich zwischen 1020 und 1080 °C statt. Der Temperaturbereich für andere Materialien variiert jedoch. Dieses Glühverfahren wird auch bei Verformung anstelle des Rekristallisationsglühens angewandt,[1] es dient zusätzlich der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Stähle durch gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente. Auch bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen findet das Lösungsglühen häufig Anwendung. Nach DIN 8580 zählt Glühen zu den Fertigungsverfahren, um Stoffeigenschaften zu ändern.

Die (Zustands-)Bezeichnung des Werkstoffzustandes nach EN 515 lautet: “W”. Diese Bezeichnung kennzeichnet einen stabilen Zustand. Sie gilt nur für Legierungen, die spontan bei Raumtemperatur aushärten.

Weichglühen

Durch das Weichglühen soll der Stahl eine möglichst geringe Festigkeit und eine geringe Härte bei gleichzeitig hoher Verformbarkeit erhalten. Weiche Stähle lassen sich einfacher und wirtschaftlicher zerspanen und umformen. Außerdem lässt sich eine bessere Oberflächenqualität bei der Zerspanung erzielen.

Weichglühen unter Schutzgas

Beim Weichglühen unter Schutzgas erlangt man die gleichen Eigenschaften wie beim Weichglühen unter Atmosphäre. Allerdings wird hier eine Stickstoffatmosphäre in den Ofen eingeleitet um Verzunderungen zu verhindern jedoch kommt es zu Randentkohlung und Anlauffarben.

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Vakuumhärten

Durch Vakuumhärten erzielen hochlegierte Stähle ein Höchstmaß an Härte und Festigkeit bei geringem Verzug. Da im Vakuum keine Oxidation stattfindet, bleiben die Werkstücke sowohl beim Vakuumhärten als auch beim Vakuumglühen metallisch blank und sauber.

Vakuumhärten mit Tiefkühlen

Das Tiefkühlen wird hierbei im Vakuum-Härteofen unter Ausschluss von störender Atmosphäre durchgeführt. Im Gegensatz zum früheren ungeregelten Prozess kann der Abkühlgrad anhand, des an den Bauteilen angebrachten, Temperaturfühlers kontrolliert und sanft gesteuert werden.

Das Tiefkühlen kommt insbesondere dann zur Anwendung, wenn höchste Maßhaltigkeit gefordert wird, z.B. bei Bauteilen, die über Ihre Lebensdauer auch unter extremen Einsatzbedingungen im µm-Bereich maßhaltig absolut stabil bleiben müssen. Durch eine effektive Umwandlung des nach dem Härten vorhandenen Austenits mittels einer Abkühlung der Bauteile bis zur Martensit-Finish-Temperatur in Kombination mit den nachfolgenden Anlass-Zyklen wird (je nach Werkstoff) ein Restaustenit-Gehalt von <2% (Nachweisgrenze) erreicht.

Eine spätere, ungewollte Umwandlung des Restaustenits – ausgelöst z.B. durch Biege- oder Temperatur-Wechselbelastungen – und das damit einhergehende Maßwachstum, welches oftmals zu Ausschuss oder Werkzeug- Stillstand führt, wird somit vermieden.

Ein weiterer positiver Effekt des Tiefkühlens ist, dass sich die maximal erreichbare Härte von korrosionsbeständigen Stählen signifikant erhöhen lässt.

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Einsatzhärten

Sinn und Zweck des Einsatzhärtens ist Kohlenstoffarmen und damit nicht härtbaren Stählen (mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,25%) eine harte und verschleißbeständige Oberfläche zu verleihen. Die erreichbare Oberflächenhärte liegt etwa zwischen 600 HV und 800 HV.

Salzbad Einsatzhärten

Anwendungsbezogen kann es nötig sein, nur Teilbereiche eines Werkstücks aufzukohlen (Partielles Aufkohlen). Werkstückbereiche, die nicht aufgekohlt werden sollen, müssen hierzu mit einer hitzebeständigen Paste abgedeckt werden. Beim Salzbad besteht die Möglichkeit der partiellen Aufkohlung und Härtung, ohne vorher bestimmte Bereiche des Werkstückes zu isolieren. Dieses erreicht man, indem, wenn möglich, nur die zu härtenden Bereiche in das Salzbad eingetaucht werden. Dabei ist zu beachten, dass es keine exakte konturentreue Härtung/Diffusion geben kann, da die Diffusion im Randbereich des nicht eingetauchten Werkstückes gering fortschreitet. Auch beim Isolieren bestimmter Bereiche ist die Härtung oder Diffusion nicht exakt konturentreu möglich.

Im Anschluss an die Aufkohlung erfolgt die Härtung des Bauteils. Entsprechend dem Kohlenstoffverlauf in der Randschicht ergibt sich beim Abschrecken ein Härtetiefenverlauf mit den charakteristischen Merkmalen Randhärte und Einsatzhärtungstiefe. Die Randhärte eines einsatzgehärteten Stahls wird maßgeblich vom Randkohlenstoffgehalt bestimmt. Die bei der Aufkohlung eingestellte Aufkohlungstiefe, die Härtbarkeit des verwendeten Stahls und die Abschreckintensität des verwendeten Abschreckmediums beeinflussen die Einsatzhärtungstiefe. Im Anschluss an das Härten der Bauteile wird möglichst zeitnah angelassen, um den zunächst extrem harten Martensit der aufgekohlten Randschicht wieder mehr Duktilität zu geben.

Schutzgas Einsatzhärten

Die Aufkohlung erfolgt im austenitischen Zustand des Stahls, das heißt in der Regel bei Temperaturen zwischen 880 bis 950 °C. Werden Temperaturen von mehr als 950 °C angewendet, wird vom Hochtemperaturaufkohlen gesprochen. Die derzeit technisch realisierte maximale Temperatur für einen Aufkohlungsprozess mit anschließender Direkthärtung liegt bei 1050 °C. Bei der Aufkohlung wird Kohlenstoff aus einem Kohlenstoff abgebenden Medium über die Werkstückoberfläche in das Bauteil übertragen. Die Diffusion des Kohlenstoffs erfolgt von der angereicherten Oberfläche in Richtung Kern. Der Kern behält bei der Aufkohlung in der Regel seinen Basiskohlenstoffgehalt, der dem Kohlenstoffgehalt der eingesetzten Legierung entspricht. Bei der Aufkohlung wird ein Randkohlenstoffverlauf eingestellt, der die charakteristischen Merkmale Randkohlenstoffgehalt und Aufkohlungstiefe aufweist. Typische Randkohlenstoffgehalte sind von 0,5 bis 0,85 Masse- % Kohlenstoffgehalt. Je nach Einsatzgebiet der Bauteile werden jedoch auch geringere oder höhere Randkohlenstoffgehalte angestrebt. Gängige Aufkohlungstiefen liegen zwischen 0,1 und 4,0 mm.

Im Anschluss an die Aufkohlung erfolgt die Härtung des Bauteils. Entsprechend dem Kohlenstoffverlauf in der Randschicht ergibt sich beim Abschrecken ein Härtetiefenverlauf mit den charakteristischen Merkmalen Randhärte und Einsatzhärtungstiefe. Die Randhärte eines einsatzgehärteten Stahls wird maßgeblich vom Randkohlenstoffgehalt bestimmt. Die bei der Aufkohlung eingestellte Aufkohlungstiefe, die Härtbarkeit des verwendeten Stahls und die Abschreckintensität des verwendeten Abschreckmediums beeinflussen die Einsatzhärtungstiefe. Im Anschluss an das Härten der Bauteile wird möglichst zeitnah angelassen, um den zunächst extrem harten Martensit der aufgekohlten Randschicht wieder mehr Duktilität zu geben.

Aufkohlen

Beim Aufholen, früher als einsetzen bezeichnet, (daher der Begriff Einsatzhärten) wird das Werkstück in einer Kohlenstoffumgebung für längere Zeit (einige Stunden bis maximal 200 Stunden) bei Temperaturen oberhalb AC 3 (850 Grad Celsius bis 1050 Grad Celsius) im Gebiet des homogen Bereiches geglüht. Bei unlegierten Stählen beträgt die maximale Kohlenstofflöslichkeit des Austenits zwischen 1,1% (bei 850 °C)  und 1,7% (bei 1050 °C) , wie längste Linie S minus E im Eisenkohlenstoff Zusatzdiagramm abgelesen werden kann.
Eine Überschreitung der Linie S minus si muss grundsätzlich vermieden werden, da sich sonst Zementit im Gefüge ausschaltet. Bei legierten Stählen ist das Lösungsvermögen des Austenits für Kohlenstoff geringer.

Während der Kohlenstoff aus dem umgebenden Medium in das innere des Stahls diffundiert, steigt der Kohlenstoffgehalt stetig an. Bis auf 0,7% – 0,9% in der Randschicht. Damit wird die Randschicht gut härtbar, während der Kern aufgrund seines nach wie vor niedrigen kohlenstoffgehaltes verformungsfähig bleibt.

Salzbad-aufkohlen

Das aufholen in flüssigen Medien erfolgt praktisch ausschließlich in Salzbädern.  Bevorzugt bei Temperaturen zwischen 900 Grad Celsius und 930 Grad Celsius maximal bis 950 Grad Celsius. Bei höheren Temperaturen sollte auf Stähle zurückgegriffen werden, die mit Elementen legiert sind, die das kornwachstum im austenitgebiet hemmen.

Aufkohlen in Gasförmiger Atmosphäre

Die Aufnahme des Kohlenstoffs erfolgt sowohl in den festen als auch in den flüssigen Aufkohlmitteln aus der Gasphase. Es liegt daher nahe, auch gasförmige Aufkohlungsmittel zu verwenden. Für das Gasaufkohlen kommen prinzipiell alle kohlenstoffhaltigen Gase in Frage. Auch Flüssigkeiten die nach Verdampfung kohlenstoffhaltige Gase freisetzen, können zur Gasaufkolung herangezogen werden. Seltener werden Granulate, die nach Erwärmung Kohlenstoffhaltige Gase freisetzen, bei der Gasaufkohlung eingesetzt. Die Kohlungstemperaturen können bis zu 1050 °C betragen, sie liegen jedoch üblicherweise zwichen 850 °C und 950 °C.

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