Grundlagen der Wärmebehandlung

In diesem Kapitel wird die Wärmebehandlung von Stahl - Eisenwerkstoffen und Aluminium behandelt, es werden nicht die Grundlagen der Metallkunde erläutert sondern nur die Verfahren beschrieben.

Grundlagen der Wärmebehandlung

Die Wärmebehandlung von Metallen stellt einen der wichtigsten Produktionsschritte in der Veredelung von Bauteilen aus Metallen dar. Alle aus Metallen hergestellten Erzeugnisse werden im Laufe der Produktion mehrfach Temperaturänderungen (Wärmebehandlungen) ausgesetzt. Schon frühzeitig wurde erkannt, dass damit Eigenschaftsveränderungen verbunden sind, die ausgenutzt werden können, um einen beanspruchungsgerechten Werkstoffzustand herzustellen. Das Ergebnis war die Herausbildung von Wärmebehandlungstechnologien als eigenständige Prozessstufe. Darüber hinaus kann man heute feststellen, dass die gesammelten Erfahrungen in Verbindung mit der wissenschaftlichen Durchdringung der Verfahren es gestatten, in vollem Umfang alle ablaufenden Temperaturänderungen zu einer gezielten Beeinflussung der Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften zu nutzen. Das bedeutet, dass sich das Gebiet der Wärmebehandlung erweitert und der Begriff folgerichtig alle vorgesehenen thermischen Operationen umfassen sollte, die Eigenschaftsänderungen des Werkstoffs zum Ziel haben.

Wenn wir über Wärmebehandlung sprechen benötigen wir erst ein mal eine Definition was Wärmebehandlung ist.

Definition Wärmebehandlung

Wärmebehandlung ist eine folge von Wärmebehandlungsschritten, in deren Verlauf ein Werkstück ganz oder teilweise Zeit-Temperatur-Folgen unterworfen wird, um eine Änderung seiner Eigenschaften und/oder seines Gefüges herbeizuführen. Die Behandlung kann mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung (thermochemische Behandlung) oder auch einem Umformen (thermomechanische Behandlung) verbunden sein.

Entsprechen dem Ziel des Verfahrens wird die Wärmebehandlung durch folgende Angaben charakterisiert:

• Art des Erwärmens
• Haltetemperatur
• Haltedauer
• Art des Abkühlens (Ofen-, Luft-, Öl-, Wasserabkühlung)

Ziel einer Wärmebehandlung kann beispielsweise sein:

• Herstellung eines bestimmten Ausgangsgefüges (Lösungsglühen bei Aluminium Legierungen)
• Beseitigung von Kaltverfestigung (Rekristallisationsglühen)
• Verbesserung der Bearbeitbarkeit (Weichglühen)
• Arbeitsgang der Erzeugung (Härten von Werkzeugen)
• Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (Vergüten von Stahl, Aushärten von Al-Legierungen)
• Verminderung des Verschleißes (Randschichthärten von Zahnrädern)
• Abbau von Bearbeitungs- Guss- oder Schweißspannungen (Spannungsarmglühen)

Wärmebehandlung von Stahl- und Eisenwerkstoffen

Das Gefüge eines Stahls beeinflusst im besonderen Maße dessen Eigenschaften,das Stahlgefüge wird allerdings nicht nur durch die Erstarrungsbedingungen beeinflusst. Das sich bildende Gefüge kann auch durch nachträgliche Fertigungsverfahren wie Walzen, Tiefziehen, Schweißen, etc. beeinflusst werden. So werden bspw. beim Walzen eines Stahlbleches die rundlichen Körner in Walzrichtung gestreckt. Eine solche gestreckte Gefügestruktur bezeichnet man dann auch als Walztextur. Das gewalztes Stahlblech verhält sich bei einem anschließenden Biegeprozess in Walzrichtung schließlich anders als quer dazu. Während der Stahl beim Biegen parallel zur Walzrichtung eher zur Rissbildung neigt, ist die Rissgefahr beim Biegen quer zur Walzrichtung wesentlich geringer. Die Umformbarkeit ist also durch das Walzen richtungsabhängig geworden, was sich fertigungstechnisch in der Regel nachteilig auswirkt. Die Richtungsabhängigkeit einer Eigenschaft (z.B. Umformbarkeit, Zerspanbarkeit, Stromleitfähigkeit, Reflexionsvermögen, etc.) wird im Allgemeinen als Anisotropie bezeichnet. Verhält sich ein Werkstoff bezüglich einer bestimmten Eigenschaft hingegen in alle Richtungen gleich, so spricht man von Isotropie ("iso" = gleich) bzw. von einem isotropen Werkstoff. Eine Anisotropie in den Eigenschaften eines Werkstoffes ist in der Regel nicht erwünscht, da dies unvorhersehbare Effekte nach sich ziehen kann.

Aber nicht nur beim Walzen kann das Gefüge eines Stahls negativ beeinflusst werden. Im Bereich der Fügestelle zweier geschweißter Bleche kann es ebenfalls zu unerwünschten Gefügeänderungen kommen. Diese sind den hohen Temperaturen und einer unkontrollierten Abkühlung nach dem Schweißen geschuldet. Die Schweißnaht kann hierdurch spröde werden, sodass die Fügestelle unter hohen Belastungen auseinander zu reißen droht. Aus diesen Gründen wurden bestimmte Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, bei denen das Stahlgefüge durch Aussetzen hoher Temperaturen und gezielter Steuerung der Abkühlung nachträglich in gewünschter Weise geändert werden kann. Auf diese Weise können unerwünschte Gefügeänderungen nicht nur rückgängig gemacht werden (z.B. Rekristallisationsglühen beim Walzen oder Spannungsarmglühen nach dem Schweißen), sondern teilweise völlig neue Eigenschaften erzielt werden (z.B. Härten oder Vergüten).

Durch die Wärmebehandlung von Werkstoffen können also wesentliche Eigenschaften geändert und festgelegt werden. Die Kenntnisse über die Vorgänge in metallischen Werkstoffen bei der Wärmebehandlung erlauben dem Anwender daher die gezielte Optimierung von Bauteilen – passend zur Verwendung.

Die Angaben der Wärmebehandlung sollte immer normgerecht erfolgen, hierbei empfiehlt sich die Anwendung der Regelwerke wie, DIN ISO 15787, DIN ISO 4885 und weitere.

Die verschiedenen Wärmbehandlungsverfahren

Unterschieden werden die Wärmebehandlungsverfahren in 4 Hauptgruppen:

• Thermische Verfahren
• Thermisch chemische Verfahren
• Kombinationsverfahren
• Umformungsthermische Verfahren

Grundverfahren der Wärmebehandlung

Thermische Verfahren

Glühverfahren

Unter Glühen versteht man in der Werkstoffkunde das Anwärmen, Durchwärmen und Abkühlen von Halbzeugen und Werkstücken zur Erzielung definierter Werkstoffeigenschaften. Glühen ist ein Teilgebiet der Wärmebehandlung und zählt nach DIN 8580 zu den Fertigungsverfahren durch Änderung der Stoffeigenschaft.

Man unterteilt den Glühvorgang in mindestens drei Phasen:

• Anwärmen (auch Aufwärmen oder Hochwärmen)
  • In der Anwärmphase wird das Werkstück auf die Haltetemperatur gebracht.

• Halten
  • In der Haltephase wird das Werkstück bei einer konstanten Haltetemperatur gehalten. Sie dient dem Temperaturausgleich im Werkstück und der Gleichgewichtseinstellung chemischer und physikalischer Vorgänge im Werkstoff. Die dazu notwendige Dauer wird Haltezeit genannt und ist außer von dem zu erzielenden Ergebnis auch von der Werkstückgeometrie und der Anordnung der Werkstücke im Glühofen bzw. der Wärmebehandlungsanlage abhängig.

• Abkühlen
  • In der Abkühlphase wird das Werkstück wieder auf Umgebungstemperatur gebracht.

Sowohl in der Anwärm- als auch in der Abkühlphase kann die Einhaltung spezifischer Anwärm- und Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich sein. Werkstoffe für hohe Anforderungen erfordern teilweise eine Auflösung der drei genannten Phasen in weitere Teilphasen. Zur sprachlichen Unterscheidung werden solche komplexen Wärmebehandlungen auch Glühvorschrift oder Glühprogramm genannt. Wobei Glühvorschrift unabhängig von der Art der Glühung gebraucht wird und auch die zeitliche Abfolge von Glühungen verschiedener Werkstücke oder die Zusammenstellung der möglichen Glühungen für ein Produkt(-sortiment) bedeuten kann.

• Detaillierte Erklärungen zu den Glühverfahren

Härten - Anlassen - Vergüten nach Volumenerwärmung

Härten

Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Das Austenitisieren ist der Behandlungsschritt, in dem das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird und durch vollständige Phasenumwandlung und Carbidauflösung die Matrix des Stahls austenitisch wird. Nach dem Austenitisieren erfolgt das Abkühlen. Damit das gesamte Werkstück ein martensitisches Gefüge annimmt, muss die Geschwindigkeit des „Temperatursturzes“ größer sein als die sogenannte kritische Abkühlgeschwindigkeit des jeweiligen Stahls. Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden (Öl, Abschrecklösung, Wasser, Luft, Stickstoff). Nach dem Härten besteht das Gefüge, untereutektoider Stähle aus Martensit + evtl. Restaustenit und übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Dem Anteil dieser Phasen ist z.B. bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen große Bedeutung beizumessen, da Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst werden.

Funktionsprinzip Härten - Anlassen - Vergüten	Verfahrensschritte Härten - Anlassen - Vergüten

Voraussetzung für die Härtbarkeit eines Stahles ohne jegliche Vorbehandlung ist ein Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,3%. Bei Werkstücken mit kleinen Abmessungen kann eine vollständige Martensitbildung über den gesamten Querschnitt erfolgen (Durchhärtung / Einhärtung). Bei großen Abmessungen wird die kritische Abkühlgeschwindigkeit nur bis zu einer bestimmten Tiefe erreicht (Einhärtung), die Tiefe der Einhärtung ist abhängig von:

• dem Querschnitt des Werkstückes
• der kritischen Abkühlgeschwindigkeit des Werkstoffes (beeinflussbar durch Legierungselemente)
• dem Kühlvermögen des Abkühlmittels

Die erreichbare Höchsthärte (Aufhärtung) ist allein vom Kohlenstoffgehalt abhängig, der zum Zeitpunkt des Abschreckens im Austenit gelöst war. Die Legierungselemente beeinflussen nur die Durchhärtung. Die maximal erreichbare Härte bei 100%iger Umwandlung zum Martensit liegt bei ca. 66 HRC (Rockwellhärteeinheiten) und wird bei ungefähr 0,8% des im γ-Mischkristall gelösten Kohlenstoffes erreicht, ab ca. 0,5% C wird beim Abkühlen neben Martensit auch Restaustenit vorhanden sein. Die nachfolgende Graphik gibt den Grundsätzlichen Einfluss des Kohlenstoffs und der Legierungselemente wieder.

Einfluss der Legierungselemente auf die Aufhärtung und Einhärtung bei Stahl

Vergüten

Vergüten ist die unmittelbare Verbindung der Verfahren Härten und nachfolgendes Anlassen, und zwar bei höheren Temperaturen (350 – 700°C), zur Erzielung hoher Zähigkeit bei entsprechender Festigkeit. Es wird angewendet bei Stählen mit 0,2 – 0,6% Kohlenstoff (Vergütungsstähle). Durch eine Gefügeverfeinerung hinsichtlich der Korn- und Karbidgröße sowie der Karbidverteilung werden beim Vergüten die genannten mechanischen Eigenschaften erreicht. Die erreichbaren Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften sind querschnittsabhängig. Eine Durchvergütung größerer Querschnitte ist nur bei legierten Stählen möglich. Gegenüber dem normalisierten Zustand wird durch Vergüten eine erhebliche Zunahme der Festigkeit bei geringer Abnahme der Zähigkeitseigenschaften erreicht.

Anlassen

Das Anlassen schließt sich unmittelbar dem Härten an. Das Anlassen gehört wie das Härten zu den thermischen Verfahren, die das gesamte Bauteil, d.h. von der Randzone bis in die Kernbereiche, in ihren mechanischen Eigenschaften beeinflussen. Im gehärteten Zustand weist das Bauteil je nach Stahlzusammensetzung eine sehr hohe Härte auf, ist aber gleichzeitig sehr spröde und kann im gehärteten Zustand nicht eingesetzt werden. Dabei gilt die Faustformel, dass mit steigender Härte die Zähigkeit sinkt.

Das Anlassen verfolgt den Zweck, die Härte eines gehärteten Bauteils so weit zu verringern, dass die geforderten Zähigkeitswerte erreicht werden. Der gleichzeitig auftretende Härteverlust wird in Kauf genommen. Welcher Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit eingestellt werden muss, entscheidet der Konstrukteur; denn nur er kennt den Verwendungszweck und die Belastung des Bauteils. Legt man ein Kriterium fest, z.B. die Anlasshärte, ist die Zähigkeit auch festgelegt. Es ist nicht möglich, beide Eigenschaften unabhängig voneinander einzustellen.

Die Dauer der Anlassbehandlung richtet sich nach dem Bauteilquerschnitten und der Chargengröße; die minimale Haltezeit nach vollständiger Durchwärmung der Werkstücke ist 1 Stunde. Das Anlassen kann in Schutzgasanlagen, Vakuumanlagen, Salzbädern oder in Anlagen mit Luft durchgeführt werden. Die Wahl der Atmosphäre beeinflusst die Oberfläche der Bauteile. Die sich einstellenden Gefügeänderungen sind abhängig von den Anlasstemperaturen und Anlasszeiten, wobei im Stahl vorhandene Legierungselemente die Anlassstufen zu höheren Temperaturen verschieben.

• Anlassstufe: 80 - 150° C
  • Verringerung der tetragonalen Verzerrung durch Diffusion der auf Zwischengitterplätzen zwangsgelösten Kohlenstoffatome, Bildung des kubischen Martensits (Volumenverringerung)
• Anlassstufe: 130 - 290°C
  • Umwandlung des Restaustenits in kubischen Martensit (Volumenzunahme), Abnahme der Härte bis zu 4 HRC
• Anlassen über 300°C
  • Anlassen zum Vergüten und deutlicher Steigerung der Zähigkeit. Erst die Kombination Härten + Anlassen (= Vergüten) erzeugt das Vergütungsgefüge mit den optimierten mechanischen Eigenschaften für den jeweiligen Einsatzfall.
  • Bei Werkzeug-, Warmarbeits- und Schnellarbeitsstählen, sind mehrfache Anlassbehandlungen (bis zu 4 mal, zum Erzielen des Sekundärhärtemaximums) notwendig, um optimale mechanische Eigenschaften zu erhalten.

Kombinationsverfahren

Der Härteprozess kann grundsätzlich immer auch als Kombinationsverfahren durchgeführt werden. Hierbei werden verschiedene Wärmebehandlungsschritte durchgeführt die jeder für sich alleine oder eben in Kombination mit anderen Wärmebehandlungsschritten durchgeführt werden. Dies sind z.B.-

• Härten + Anlassen
• Vergüten
• Randschichthärten und Anlassen
• Einsatzhärten und Anlassen

wobei in den Wortangaben entsprechend der Reihenfolge ihrer Durchführung die einzelnen Wärmbehandlungsschritte aufzuzählen sind, z. B. „gehärtet und angelassen“, auch ist auf die richtige Bezeichnung nach DIN ISO 4885 zu achten.

Randschichthärten thermische Verfahren

Das Randschichthärten ist eine besondere Verfahrenstechnik. Hier wird gezielt eine gewisse Tiefe der Werkstoff härtetechnisch beeinflusst. Nach DIN 17014 ist der Begriff definiert als „Härten mit einem auf die Randschicht beschränkten Austenitisieren“. Zwischen dem gehärteten Bereich und dem unbeeinflussten Material entsteht die sogenannte „Übergangszone“. Es ist zweckmäßig die Art der Randschichthärtung durch das eingesetzte Verfahren zu beschreiben, z.B. Induktionshärten oder Laserstrahlhärten. Randschichthärten wird angewendet bei niedrig- und unlegierten Stählen mit 0,3 - 0,7% Kohlenstoff (obere Grenze zur Vermeidung von Härterissen), insbesondere bei Kurbelwellen, Zapfen, Walzen, Zahnrädern u.a.. Ziel dieses Verfahrens ist eine harte und verschleißbeständige Oberfläche bei zähem Kern. Dazu wird die Randschicht des Werkstückes auf Härtetemperatur erhitzt und durch Abkühlen (Abschrecken) gehärtet. Das Randschichthärten ist mit folgenden Verfahren möglich:

• Induktionshärten
• Laserhärten
• Flammhärten
• Elektronenstrahlhärten

Randschichthärten Erzeugung einer harten Randschicht bei zähem Kern

Oberflächenhärteverfahren	Verfahrensbeschreibung	Funktionsprinzip
Flammhärten	Beim Flammhärten wird eine Brennerflamme über die zu härtende Werkstoffoberfläche geführt, die hieraufhin austenitisiert wird. Unmittelbar hinter den Brennerflammen sind Wasserdüsen angebracht, die dann für die notwendige Abkühlung zur Martensitbildung sorgen (Abschrecken). Die Dicke der gehärteten Randschicht hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der die Brennerflammen über die Werkstückoberfläche gezogen werden. Je langsamer die Geschwindigkeit desto tiefer kann die Wärme eindringen und das Gefüge austenitisieren und umso dicker wird nach dem Abschrecken die gehärtete Randschicht sein. Gleichzeitig muss natürlich auch die zur Martensitbildung notwendige Abkühlgeschwindigkeit in den tieferen Randschichten gegeben sein! Da Legierungselemente im Allgemeinen die kritische Abkühlgeschwindigkeit senken, können bei hochlegierten Stählen tiefere Randschichten gehärtet werden. Das Flammhärten stößt aufgrund der relativ sperrigen Anordnung der Brennerdüsen und Wasserbrausen vor allem bei kleinen Bauteilen mit komplexen Geometrien an Grenzen. Auch in Sachen Genauigkeit (Einstellung der Härtetiefe) steht das Flammhärten im Allgemeinen dem Induktionshärten und Laserhärten nach. Grundsätzlich sollte das Erwärmen bei den entsprechenden Oberflächenhärteverfahren so zügig wie möglich erfolgen, um die Wärmeeinflusszone auf unerwünschte Bereiche gering zu halten. Ansonsten besteht die Gefahr von Wärmespannungen bzw. des Verzuges der Bauteilgeometrie (Härteverzug). Darüber hinaus kommt es bei langen Heizzeiten zu einer verstärkten Zunderbildung, was in der Regel eine entsprechende Nachbearbeitung erforderlich macht. Bei einer entsprechend raschen Erwärmung muss jedoch beachtet werden, dass kein thermodynamischer Gleichgewichtszustand im Gefüge mehr gegeben ist. Dies führt dazu, dass sich die Umwandlungstemperatur für die Austenitisierung zu höheren Temperaturen hin verschiebt.
Induktiv Härten	Die Brennerflammen beim Flammhärten führen im Allgemeinen zu einer großen Wärmeeinflusszone. Dies kann bei kleinen Geometrien zu einer unerwünschten Durchhärtung über den gesamten Querschnitt führen. Um auch solche dünnwandige Werkstücke nur an deren Oberfläche im Bereich von wenigen zehntel Millimetern zu härten kann das Induktionshärten angewandt werden. Das Prinzip des Induktionshärtens beruht auf dem Induktionseffekt, welcher auch bei Induktionskochfeldern oder Transformatoren genutzt wird. Dabei wird in einer Werkzeugelektrode aus Kupfer, die der Form des zu härtenden Werkstückes angepasst ist, ein hochfrequenter Wechselstrom erzeugt ("Primärspule"). Dies wiederum führt zu einem sich stetig wechselnden Magnetfeld um die Elektrode, welches in das angrenzende Werkstück eindringt und nach dem Induktionseffekt Wirbelströme erzeugt ("Sekundärspule"). Diese sehr großen Wirbelströme von teilweise mehreren Tausend Ampere pro Quadratmillimeter führen zum Erwärmen des Werkstücks. Dass die Wärmeentwicklung dabei vorwiegend an der Oberfläche und weniger im Werkstoffinneren stattfindet ist einem weiteren physikalischen Phänomen zu verdanken, dem sogenannten Skin-Effekt. Während bei Gleichstrom die Stromdichte in einem Leiterquerschnitt konstant ist, so nimmt bei Wechselstrom die Stromdichte mit steigender Frequenz in den äußeren Bereichen zu und im Inneren ab. Die Frequenz der Wirbelströme im Werkstück richtet sich nach der Frequenz des Wechselstromes in der Elektrode (auch Induktor genannt). Hierdurch ergibt sich auch eine relativ einfache Steuerung der Einhärtetiefe. Je höher die Frequenz, desto stärker ist der Skin-Effekt und umso dünnere Härteschichten können erzielt werden. Die einzustellenden Frequenzen richten sich also nach den zu erzielenden Dicken der Härteschichten. Bei Netzfrequenz von 50 Hz sind Härteschichten im Bereich von 20 mm bis 10 mm erzielbar. Im Mittelfrequenzbereich von 1 kHz bis etwa 10 kHz sind Einhärtetiefen von etwa 5 bis 1 mm erreichbar. Im Hochfrequenzbereich von bis zu mehreren Megahertz können sogar Härteschichten von nur wenigen zehntel Millimetern erzielt werden. Das Abschrecken der austenitisierten Oberfläche erfolgt beim Induktionshärten in der Regel durch nachgeschaltete Wasserbrausen, die mitsamt dem Induktor gleichmäßig über das Werkstück gezogen werden. In Fällen wo nur sehr geringe Einhärtetiefen erzielt werden, kann die Abschreckung auch ohne Wasserbrause über den relativ kühlen Werkstoffkern erfolgen (Selbstabschreckung). Dadurch dass beim Induktionshärten eine sehr große Härte in der Oberfläche erzielt werden kann, kann es zu großen Eigenspannungen kommen. Dies kann ein nachträgliches Anlassen bei geringen Temperaturen erforderlich machen. Die Heizzeiten sind beim Induktionshärten im Allgemeinen wesentlich geringer als beim Flammhärten, da eine ca. 10-fach größere spezifische Heizleistung von mehreren Kilowatt pro Quadratzentimeter erzielt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Zunderbildung relativ gering ausfällt und der Nachbearbeitungsaufwand dementsprechend reduziert wird. Auch die Gefahr eines Härteverzugs wird hierdurch deutlich verringert. Darüber hinaus entstehen beim Induktionshärten keine (giftigen) Abgase wie beim Flammhärten. Zu den weiteren Vorteilen des Induktionshärtens zählt die gleichmäßigere Erwärmung der Oberfläche, sofern der Induktor optimal auf das Werkstück angepasst ist. Dies erfordert einen entsprechend hohen konstruktiven Werkzeugaufwand im Vorfeld, sodass das Induktionshärten vor allem in automatisierten Fertigungsstraßen bei hohen Losgrößen wirtschaftlich ist. Aufgrund der hohen Stromkosten steigt die Wirtschaftlichkeit, wenn nur geringe Oberflächengrößen an einem Werkstück gehärtet werden müssen.
Laserhärten	Nochmals geringere Aufheizzeiten der zu härtenden Oberfläche als beim Induktionshärten bietet das Laserstrahlhärten (kurz: Laserhärten). Hierdurch werden der ohnehin schon geringe Härteverzug und die Verzunderung nochmals deutlich verringert. Unter Schutzgas können Oxidationen der Oberfläche sogar komplett verhindert werden. Beim Laserhärten wird ein Laserstrahl mit sehr hoher spezifischer Leistung (etwa Faktor 10 im Vergleich zum Induktionshärten) über die zu austenitisierende Werkstückoberfläche geführt. Die enorme Wärmeleistung des Diodenlasers von mehreren Kilowatt führt in kürzester Zeit zum Aufheizen der Randschicht bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur! Da die Wärmeeinbringung nur auf den lokalen Brennfleck des Lasers begrenzt ist, wird eine unnötige Erwärmung unerwünschter Bereiche vermieden. Dies führt dazu, dass die lokal erwärmte Stelle rasch durch die kühleren Umgebungsbereiche abgeschreckt wird. Aufgrund dieser sogenannten Selbstabschreckung entfällt ein Abschrecken mit Wasserbrausen. Der Laserfleck umfasst je nach Fokussierung und Prozessführung eine Spurbreite von 1 bis ca. 50 mm. Großflächigere Randschichten müssen mit dem Laser somit zeilenweise abgerastert werden. Typische Randhärtetiefen beim Laserhärten liegen im Bereich von 0,1 bis 2 mm. Wie bereits beim Induktionshärten so gilt auch beim Laserhärten, dass die Wirtschaftlichkeit umso höher ist, je kleiner die zu härtenden Flächen und je geringer die Randschichttiefen ausfallen sollen. Vor allem für sehr schwer zugängliche Stellen wie Absätze oder Sacklochbohrung eignet sich das Laserhärten (partielles Härten).
Elektronenstrahlhärten	Bei der Elektronenstrahlmaterialbearbeitung werden im Vakuum über ein System aus Kathode, Steuerelektrode und Anode freie Elektronen generiert und auf eine Geschwindigkeit von 200000 Kilometern pro Sekunde beschleunigt. Treffen diese Elektronen auf ein Werkstück, werden diese extrem schnell abgebremst, dabei entsteht Wärme, die zum Härten, Umschmelzen, Beschichten, genutzt werden kann. Zur besseren Prozesskontrolle findet der gesamte Prozess im Hochvakuum statt. Der Einsatz dieses Verfahrens erfolgt in den unterschiedlichsten technologischen Bereichen wie zum Beispiel Automobilbau, Luft‐ und Raumfahrt und Sondermaschinenbau. Das Elektronenstrahlhärten ist ein Randschichthärteverfahren, mit dem härtbare Werkstoffe auf bis zu 1000HV bei Einhärtetiefen von bis zu 1,5mm gehärtet werden können. Dabei wird der Elektronenstrahl genutzt, um die Oberfläche auf eine definierte Temperatur zu erwärmen. Die für das Härten notwendige schnelle Abkühlung findet dann durch Wärmeableitung in das Bauteil statt. Aufgrund des definierten Energieeintrages ist das Elektronenstrahlhärten nahezu verzugsfrei, d.h. die Bauteile müssen nach dem Härten nicht mehr nachgearbeitet werden. Anwendungsbeispiele: Nockenwellen im Auto, Großgetriebe im Maschinenbau, usw..

Oberflächenhärte thermisch chemische Verfahren

Neben den thermischen Oberflächenhärteverfahren, gibt es die thermisch chemischen Verfahren bei denen in die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes in der Oberfläche geändert wird. Hierbei werden verschiedene Elemente in die Oberfläche eingebracht. Hier wird in drei Grundverfahren unterschieden

• nichtmetallische Diffusionsverfahren
• metallische Diffusionsverfahren
• metallisch- nichtmetallische Diffusionsverfahren

Nichtmetallische Diffusionsverfahren

Einsatzhärten und Carbonitrieren

Bauteile und Werkzeuge lassen sich dann besonders wirtschaftlich zerspanen und umformen, wenn sie aus Stählen mit niedrigen Kohlenstoffgehalten hergestellt werden. In Frage kommende Stähle sind hauptsächlich die so bezeichneten Einsatzstähle, siehe DIN EN 10084, oder die Automateneinsatzstähle, siehe DIN EN 10087, mit Massenanteilen an Kohlenstoff im Bereich zwischen 0,1 und 0,3%. Sollen Werkstücke aus diesen Stählen durch Härten eine hohe Härte und Festigkeit erhalten, ist es notwendig, sie entsprechend der Gesetzmäßigkeit der Aufhärtbarkeit, mit einem höheren Kohlenstoffgehalt zu versehen. Dies geschieht durch ein thermochemisches Behandeln, das Aufkohlen. Anschließend daran folgt ein Härten. Diese beiden zusammengehörigen Behandlungsschritte werden als Einsatzhärten bezeichnet. Wird die Werkstückrandschicht simultan zum Kohlenstoff auch mit Stickstoff angereichert, was von der Art und Zusammensetzung des zum Aufkohlen verwendeten Aufkohlungsmittels abhängt, wird die Behandlung als Carbonitrieren bezeichnet. Einsatzhärten besteht demnach aus Aufkohlen oder Carbonitrieren und Härten, DIN EN 10052.

Das Einsatzhärten führt ebenso zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere:

• Steigerung des Verschleißwiderstandes durch erhöhte Randschichthärte
• Erhöhung der Belastbarkeit
• Verbesserung der Biegewechselfestigkeit und Überlasttoleranz durch zähen Kern
• Erhöhung der Dauerfestigkeit (Die Martensitbildung beim Härten führt zu einer Volumenzunahme. Diese ist in den kohlenstoffreichen Randschichten höher als im kohlenstoffarmen Kern, weshalb sich an der Oberfläche Druckeigenspannungen aufbauen. Diese wirken den Zugspannungen bei Biege- oder Torsionsbelastung entgegen, weshalb ein Anriss erst bei höheren Spannungen auftritt.)
• Einsatzhärten ist das bevorzugte Verfahren für Antriebsteile und Zahnräder.

Das Aufkohlen

Zum Aufkohlen werden die Werkstücke in einem Gas, in flüssigen oder in körnigen, Kohlenstoff enthaltenden Mitteln bei Temperaturen geglüht, bei denen das Stahlgefüge austenitisch ist. In diesem Zustand ist das Lösungsvermögen für Kohlenstoff besonders groß. Dabei diffundiert Kohlenstoff aus dem Aufkohlungsmittel in die Werkstückrandschicht. Die Behandlungsdauer richtet sich prinzipiell nach der erforderlichen Aufkohlungstiefe (CD(At)). Die Triebkraft für die Kohlenstoffaufnahme im Eisen ist die Differenz zwischen dem Potential des Kohlenstoffs im Austenit und dem chemischen Potential des reinen Kohlenstoffs. Diese Potentialdifferenz entspricht der freien Enthalpie des Kohlenstoffs und hängt daher auch von der Temperatur und der Kohlenstoffaktivität ac ab. Wichtig für das Aufkohlen in der industriellen Praxis ist die Linie S’-E. Entlang dieser Grenze befindet sich der im Austenit gelöste Kohlenstoff im Gleichgewicht, der Austenit ist maximal mit Kohlenstoff gesättigt und die Kohlenstoffaktivität ist ac = 1,0. Wird die Linie S-E überschritten, so bildet sich bei unlegierten Stählen das Eisencarbid Zementit. Anwesende Legierungselemente verschieben diese Grenze und können in das entstehende Carbid eingebaut werden, so dass Mischcarbide entstehen oder sie bilden eigene Carbide. Legierungselemente beeinflussen die Kohlenstoffaktivität, dies wirkt sich auf die Kohlenstoffkonzentration aus, die sich im Stahl einstellt-

• Silicium, Nickel, Bor und Stickstoff erhöhen die Kohlenstoffaktivität
• Chrom, Mangan, Molybdän, Wolfram, Titan, Vanadium und Aluminium verringern die Kohlenstoffaktivität

Carbonitrieren

Werden Behandlungsmittel verwendet, welche der Werkstückrandschicht nicht nur Kohlenstoff, sondern auch Stickstoff anbieten, kommt es zu einer simultanen Eindiffusion von Kohlenstoff und Stickstoff. Das trifft insbesondere auf die Cyanid oder Cyanat enthaltenden Salzschmelzen oder Ammoniak enthaltende Gase zu. In diesem Fall wird anstatt von Aufkohlen von Carbonitrieren gesprochen. Grundsätzlich kann das Carbonitrieren im gleichen Temperaturbereich wie das Aufkohlen durchgeführt werden. Es ist jedoch möglich, auch unterhalb des Ac3-Punktes, bis herab zu rd. 720 ºC, zu arbeiten. In diesem Fall wird durch die Stickstoffanreicherung die Gleichgewichtslinie Ac3 zu niedrigeren Temperaturen verschoben. Ein Randschichtgefüge, das zu Beginn des Carbonitrierens aus den beiden Phasen Ferrit und Austenit bestand, wird somit vollständig austenitisch, wodurch sich auch das Lösungsvermögen für Kohlenstoff erhöht. Die beiden unterschiedlichen Temperaturbereiche führen zu verschiedenen Ergebnissen. Das Carbonitrieren oberhalb des Ac3-Punktes des Ausgangszustands unterscheidet sich vom Aufkohlen darin, dass die Randschicht infolge der zusätzlichen Stickstoffaufnahme ein deutlich trägeres Umwandlungsverhalten erhält. Daraus resultiert eine höhere Härtbarkeit. Andererseits wächst damit auch das Risiko, dass in der gehärteten Randschicht größere Mengen von Restaustenit auftreten. Beim Carbonitrieren unterhalb des Ac3-Punktes des Ausgangszustandes wird deutlich mehr Stickstoff aufgenommen, so dass die Randschicht auch mehr oder weniger vollständig austenitisch wird. Das nicht von der Aufstickung erfasste Kerngefüge besteht jedoch aus den beiden Phasen Austenit und Ferrit und nach dem Härten aus Martensit und Ferrit; es ist: „unterhärtet“. Für die Aufkohlungstiefe beim Carbonitrieren gelten prinzipiell die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie beim Aufkohlen.

Härten aufgekohlter Werkstücke

Die gewünschten Gebrauchseigenschaften erhalten aufgekohlte oder carbonitrierte Werkstücke erst durch ein Härten und gegebenenfalls Anlassen. Das Härten kann in unterschiedlicher Weise durchgeführt werden und sich direkt oder nach Zwischenschalten einer Bearbeitung (z. B. Zwischenrichten, Zerspanen) an das Aufkohlen anschließen. Nach dem Carbonitrieren wird jedoch meist direkt gehärtet. Entsprechend dem Kohlenstoff-Konzentrationsprofil unterscheidet sich das Umwandlungsverhalten innerhalb der aufgekohlten Randschicht gegenüber dem nicht aufgekohlten Kern. Dies erfordert eigentlich graduell abgestufte, unterschiedliche Temperaturen, von denen aus zum Härten abgeschreckt wird. Der höhere Randkohlenstoffgehalt benötigt eine niedrigere Temperatur als der im Kohlenstoffgehalt unveränderte Kern. Unterschiedlich sind außerdem Start- und Endtemperatur der Martensitbildung in Rand und Kern. Im Kern beginnt und endet die Austenitumwandlung bei höherer Temperatur als im Rand. Die im nachfolgenden Bild als Beispiel wiedergegebene Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubilder für den Kern und den Rand, hier für einen Kohlenstoffmassenanteil von 1,0 % aufgekohlten Bereich der Randschicht des Stahls 16MnCr5, lassen dies deutlich erkennen. Außerdem besitzt die aufgekohlte Randschicht gegenüber dem Kern eine höhere Härtbarkeit. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, zum Härten von einer entweder an den Rand- oder an den Kernkohlenstoffgehalt angepassten Temperatur aus abzuschrecken. Für den Rand genügen z.B. bei den Einsatzstählen Temperaturen zwischen 780 und 860 ºC, für den Kern sind 800 bis 900 ºC notwendig. Die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit hängt davon ab, welche Gefügezustände in Rand und Kern erreicht werden sollen, und richtet sich nach der Werkstückabmessung und der Härtbarkeit des verwendeten Stahls. In nachfolgendem Bild sind die allgemein üblichen Verfahrensweisen gegenübergestellt. Daraus geht hervor, dass für den Prozess des Härtens auch die Aufkohlungstemperatur und das geforderte Gefüge in Rand und Kern für das Festlegen der Prozessparameter maßgebend sind.

Einfluss des C-Gehaltes auf das Härtbarkeitsergebnis 16MnCr5 - Kern/Rand 1%C	Allgemein üblichen Verfahrensweisen zum Härten

Einzelnachweise

<references>