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Härten von Stahl

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Eines der wichtigsten Verfahren, mit dem Stahl behandelt wird, ist das Härten. Beim Härten von Stahl wird das Gefüge des Metalls derartig umgewandelt, dass sich die mechanische Widerstandsfähigkeit des Metalls erhöht. Das Härtungsverfahren verlangt, dass man dem jeweiligen Werkstück Wärme zuführt und es anschließend schnell abkühlt.

Beim plastischen Verformen eines Werkstücks aus Metall hat dies Versetzungen – also Gitterfehler im Kristall - in seinem Inneren zur Folge.
Wenn die Festigkeit des Werkstücks erhöht werden soll, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die zu Versetzungen führenden Bewegungen so weit wie möglich zu vermeiden.

Härten - Wichtige Verfahren

Umwandlungshärtung

Die so genannte Umwandlungshärtung gehört zu den wichtigsten Härtungsverfahren. Zur Durchführung der Umwandlungshärtung wird das Werkstück so weit erwärmt, dass sich das Ferrit in Austenit umwandelt. Austenit kann bedeutend mehr Kohlenstoff in gelösten Zustand enthalten, als das in Ferrit der Fall wäre (siehe auch: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm).

Wenn Zementit (Fe3C) aufgelöst wird, wird der darin enthaltene Kohlenstoff im Austenit gelöst. Wird dann der mit Kohlenstoff angereicherte Austenit abgeschreckt, wird die Entmischung in Zementit und Ferrit verhindert. Die Kohlenstoffatome werden so zusagen festgehalten und das Eisengitter wird daran gehindert, in das kubisch-raumzentrierte α-Eisen überzugehen. Stattdessen entsteht ein tetragonal-verzerrtes und kubisch-raumzentriertes Gitter (Martensit), das eine Verspannung durch den Kohlenstoff erhält.

Bei dieser Art Härtung ist die Einhaltung der korrekten Abkühlgeschwindigkeit besonders wichtig. Dabei bildet sich umso mehr Martensit, je größer die Temperaturdifferenz bzw. die Unterkühlung ist. Die Umwandlungsgeschwindigkeit hängt dabei von der Auswahl der eingesetzten Abkühlmedien wie Öl, Wasser, Öl, reines Gas oder Luft ab. Darüber hinaus spielt die chemische Zusammensetzung des Stahls eine wichtige Rolle. Dabei trägt Kohlenstoff vor allem wegen seiner hohen Diffusionsgeschwindigkeit wesentlich zur Aufhärtbarkeit des Stahls bei. Demgegenüber bestimmen substitionelle Legierungselemente wie Chrom die Einhärtbarkeit des Werkstoffs. So erreichen Sie bei kleinen Bauteilen und großen Abschreckgeschwindigkeiten eine über den gesamten Werkzeugquerschnitt reichende Durchhärtung.

Um Stahl erfolgreich zu Härten, muss das Werkstück jedoch immer mindestens einen Gehalt von 0,2 % Kohlenstoff aufweisen.

Härten und Glühen
Härten und Glühen in Abhängigkeit von Temperatur und Kohlenstoffgehalt

Ausscheidungshärtung

Als weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung können die beteiligten Elemente einen gemeinsamen Kristall bilden, der aber keine Ähnlichkeit mit Kristallen aus dem Kristallsystem der Basiselemente aufweist, so dass ein eigenes vergleichsweise kompliziertes System von Kristallen entsteht.

Handelt es sich bei den Legierungselementen ausschließlich um Metalle und wird daraus eine Legierung mit intermediärer Kristallbildung hergestellt, so erzeugen sie eine so genannte intermetallische Verbindung bzw. intermetallische Phase. Nickelbasis-Superlegierungen wie Al2Cu, Mg2Si, Cu4Sn und Ni3Al sind Beispiele, die durch intermediäre Kristallisation hergestellt werden können.

Das Legieren stellt das gängigste Verfahren dar, um Fremdatome in Stahl einzubringen. Darüber hinaus können Fremdatome auch durch Nitrieren in Stahl eingebracht werden. Im Vergleich dazu handelt es sich beim Carbonitrieren um eine Mischform aus Ausscheidungs- und Umwandlungshärten.

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Kaltverfestigung

Gleitvorgänge zur Erhöhung der Festigkeit können durch Erhöhung der Versetzungsdichte im Gefüge behindert werden, ein Verfahren das mit Kaltverfestigung bezeichnet wird. Diese wird besonders bei der Herstellung von Buntmetalllegierungen wie Bronze und Mischkristalllegierungen eingesetzt.

Härten durch Abschrecken

Die oben beiden oben genannten Verfahren Umwandlungshärten und Ausscheidungshärten bestehen aus den drei aufeinander folgenden Phasen:

  1. Erwärmen bis zu einer vom Werkstoff abhängigen Temperatur
    2. Aufrechterhalten der Temperatur des Werkstücks
    3. dem schnellem, auch als Abschrecken bezeichnetem Abkühlen mit der jeweils erforderlichen kritischen Abkühlgeschwindigkeit.

Als Medium zum Abschrecken setzen Sie zum Beispiel Wasser ggf. mit entsprechenden Zusätzen ein. Ansonsten kommen als Abschreckmedium zum Beispiel Salzbad, Öl, wässrige Polymerlösungen wie Polyvinylpyrrolidon, Gase wie Stickstoff (N2) oder für das Härten im Vakuum Argon (Ar) in Frage.

Beim Härten durch Abschrecken ist zu beachten, dass sich für dieses Verfahren ausschließlich Stähle mit einem Anteil von über 0,35 % Kohlenstoff (C) eignen.

Vergüten

Wird das Härten durch Erwärmen und Abschrecken durch ein nachfolgendes Anlassen erweitert, spricht man außerdem von Vergüten. Für dieses Verfahren eigenen sich vor allem spezielle Stähle, die aufgrund der anwendbaren Wärmebehandlung als Vergütungsstähle bezeichnet werden.

Härten durch Vergüten
Härten durch Vergüten – Erwärmen, Abschrecken und Anlassen

Durchhärtung

Das Durchhärten von Stahl stellt einen häufigen Anwendungsfall dar. Man spricht von Durchhärtung, wenn das martensitische Härten sich über den gesamten Materialquerschnitt auswirken soll. Handelt es sich um Werkstücke mit größeren Abmessungen, kann man deren angestrebte Durchhärtung nur dann sicherstellen, wenn im Inneren des Werkstücks die für die Abkühlgeschwindigkeit kritischen Werte nicht unterschritten werden.

Die erreichbaren Werte für Härte- und Festigkeit hängen bei der martensitischen Härtung von der Temperatur und -dauer der Austenitisierung, von der Zusammensetzung des Stahls, sowie von den Abmessungen des Werkstücks ab.

Die kritische Abkühlgeschwindigkeit können Sie durch die Wahl der dem Stahl hinzugefügten Legierungselemente stark variieren.

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2009 Maschinenbau-Wissen.de
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