Wird ein Stahl ungleichmäßig erwärmt oder abgekühlt so können im Inneren Spannungen entstehen, die auch als Eigenspannungen bezeichnet werden. Häufig werden solche Eigenspannungen bspw. während des Schweißens induziert, da dabei das Werkstück nicht gleichmäßig sondern nur lokal an einer bestimmten Stelle erwärmt und anschließend abgekühlt wird. Aber auch beim Fräsen oder Drehen können Eigenspannungen im Werkstück entstehen, da es im Zerspanungsbereich des Werkstückes zu hohen Temperaturen kommen kann. Beim Härten beruht der Härteverzug ebenfalls auf den entstehenden Eigenspannungen während der ungleichmäßigen Abkühlung.

Solche Eigenspannungen können unter anderem die Festigkeit des Werkstückes herabsetzen. Des Weiteren können Eigenspannungen bei einem nachträglichen Zerspanungsprozess auch zum Verzug des Bauteils führen, wenn sich die Eigenspannungen hierdurch plötzlich lösen. Deshalb wird es in manchen Fällen erforderlich, entstandene Eigenspannungen im Werkstück zu beseitigen. Dies wird durch das sogenannte Spannungsarmglühen erreicht.

Ziel des Spannungsarmglühens ist das Lösen von Eigenspannungen!

Beim Spannungsarmglühen wird das Werkstück unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 550 °C und 650 °C geglüht. Der Effekt des Spannungsabbaus beruht darauf, dass die Festigkeit des erwärmten Bauteils mit höherer Temperatur abnimmt. Fällt die Streckgrenze (Warmdehngrenze) dabei unter den Wert der Eigenspannungen, so werden diese durch plastische Verformung abgebaut. Die Versetzungen beginnen entsprechend zu wandern.

Die Eigenspannungen können also immer nur bis maximal auf die entsprechende Warmdehngrenze abgebaut werden, niemals vollständig. Nach dem Glühen muss das Werkstück anschließend langsam abgekühlt werden, um ein erneutes Entstehen von Spannung zu vermeiden. Meisten bleibt das Werkstück dabei im ausgeschalteten Glühofen ruhen.

Beim Schweißen oder Warmumformen treten durch den Wärmeeinfluss und die unkontrollierte Abkühlung Gefügeumwandlungen im Stahl auf. Dies ist vor allem bei austenitischen Stählen der Fall, bei denen es durch die hohen Temperaturen im Bereich von 500 °C bis 800 °C zur Karbidausscheidung an den Korngrenzen kommen kann. In der Folge führt dies aufgrund der unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften zur interkristallinien Korrosion. Um dies zu vermeiden, müssen die gebildeten Ausscheidungen wieder gelöst werden. Dies kann durch das sogenannte Lösungsglühen im Bereich von etwa 1000 °C bis 1100 °C erzielt werden. Bei verformten Stahlgefügen tritt zusätzlich noch der Effekt der Rekristallisation ein.

Ziel des Lösungsglühens ist das Lösen von gebildeten Ausscheidungen!

Das Lösungsglühen wird auch als Zwischenschritt in der Wertschöpfungskette zwecks einer vorübergehend besseren Bearbeitbarkeit angewendet. Die für die schlechte Bearbeitbarkeit verantwortlichen Ausscheidungen werden durch das Glühen gelöst. Wird das Werkstück dann rasch abgekühlt, so entsteht zunächst ein übersättigtes (metastabiles) Mischkristallgefüge ohne Ausscheidungen. In diesem Zustand wird vorrübergehend eine bessere Bearbeitbarkeit des Werkstoffes erzielt. Durch eine spätere Kaltauslagerung oder Warmauslagerung werden die Ausscheidungen dann gebildet und der Werkstoff erhält seine ursprünglichen Eigenschaften zurück. Dieses Verfahren findet bspw. bei der Ausscheidungshärtung von Aluminiumlegierungen Anwendung.

Beim Erstarren von Stählen mit hohen Legierungskonzentrationen kann es dazu kommen, dass sich die Legierungselemente nicht homogen im Gefüge bzw. in den einzelnen Kristallen verteilen. Solche Konzentrationsunterschiede innerhalb der einzelnen Kristalle werden auch Kristallseigerungen oder kurz Seigerungen genannt.

Verbunden mit den unterschiedlichen Legierungskonzentrationen sind auch unterschiedliche Eigenschaften innerhalb eines Korns, die das Gefüge unter Umständen schwächen. Deshalb gilt es solche Konzentrationsungleichheiten stets zu unterbinden. Die Entstehung von Seigerungen lässt sich jedoch aufgrund der endlichen Erstarrungsgeschwindigkeiten nicht immer von vorne herein verhindern. Aus diesem Grund müssen Konzentrationsunterschiede innerhalb eines Gefüges durch eine nachträgliche Wärmebehandlung beseitigt werden. Dies kann mithilfe des sogenannten Diffusionsglühens geschehen.

Ziel des Diffusionsglühens ist der Ausgleich von Konzentrationsunterschieden!

Beim Diffusionsglühen wird der Stahl auf relativ hohe Temperaturen im Bereich zwischen 1050 °C und 1300 °C geglüht. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Diffusionsprozesse in ausreichendem Maße stattfinden können, damit die Atome die teilweise relativ langen Diffusionswege zurücklegen können. Dennoch sind hierfür in der Regel mehrere Stunden Glühzeit notwendig.

Nachteil des Diffusionsglühens ist die dabei stattfindende Grobkornbildung aufgrund der hohen Temperaturen. Zwar könnte dies durch eine verringerte Temperatur vermindert werden, allerdings wären dann längere Glühzeiten nötig und das Diffusionsglühen nicht mehr wirtschaftlich. Wenn sich also die Grobkornbildung während des Diffusionsglühens nicht verhindern lässt, so muss das Grobkorngefüge nachträglich wieder beseitigt werden. Dies kann durch anschließendes Normalglühen erreicht werden.

Da Seigerungen bereits während der Erstarrung eines Stahls entstehen, werden diese in der Regel direkt im Stahlwerk am Gussblock beseitigt. Zumal das Verfahren aufgrund der hohen Temperaturen und langen Glühzeiten hohe Ansprüche stellt und sehr energieintensiv ist.

Das Gefüge von gewalzten, gebogenen oder tiefgezogenen Werkstücken wird durch die hohen Umformkräfte stark verformt. Hierdurch ändern sich auch die Werkstoffeigenschaften. Bei gewalzten Blechen kann dies zu einer starken Anisotropie durch die langgestreckten Kristalle führen, die auch als Walztextur bezeichnet wird. Zudem kommt es im Bereich der Umformstelle zur Kaltverfestigung, was die Festigkeit ansteigen lässt und die Verformbarkeit entsprechend herabsetzt. Soll das Bauteil in diesem Zustand weiter umgeformt werden, so steigt die Gefahr der Rissbildung. Mehrstufige Umformprozesse sind ohne Weiteres somit nicht möglich. Viele Bauteile bzw. Halbzeuge müssen allerdings im Laufe ihrer Produktion mehrfach umgeformt werden, um ihren Endzustand zu erreichen. So kann bspw. ein Stahlblock von mehreren Zentimetern Dicke nicht in einem Zuge bis auf wenige Millimeter gewalzt werden.

Ziel muss es deshalb sein, die verformten Kristalle eines umgeformten Gefüges vor jedem mehrstufigen Umformprozess wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen. Dies kann mithilfe des sogenannten Rekristallisationsglühens erreicht werden.

Ziel des Rekristallisationsglühens ist das Wiederherstellen eines verformten Gefüges zur Verbesserung der Verformbarkeit!

Beim Rekristallisationsglühen wird der Stahl unterhalb der PSK-Linie im Bereich zwischen 550 °C bis 700 °C geglüht. Es findet somit keine Gitterumwandlung statt, wie dies beim Normalglühen oder teilweise auch beim Weichglühen der Fall ist, obwohl auch bei diesen beiden genannten Verfahren ebenfalls ein Rekristallisationseffekt einsetzt. Beim Rekristallisationsglühen können die Korngrenzen durch Diffusionsprozesse wandern und die Körner sich somit neu bilden. Die verformten Körner nehmen ihre ursprüngliche Gestalt wieder an und der Werkstoff erhält seine Verformbarkeit zurück.

Die Größe der rekristallisierten Körner hängt neben der Glühdauer und -temperatur in besonderem Maße davon ab, wie stark die einzelnen Körner verformt waren. Ein hoher Umformgrad mit sehr feinen langgestreckten Kristallen lässt das Gefüge eher feinkörnig rekristallisieren. Ein geringerer Umformgrad führt entsprechend zu einem grobkörnigeren Rekristallisationsgefüge. Gerade für ein gering verformtes Gefüge besteht hierdurch allerdings auch die Gefahr der Grobkornbildung. Diese Gefahr kann sich vor allem für kohlenstoffarme Stähle mit Kohlenstoffkonzentrationen unter 0,2% ergeben, sodass sich unter Umständen das Normalglühen besser für eine Kristallneubildung eignet.

Für umwandlungsfreie Stähle, bei denen durch Legierungszusätze die \(\gamma\)-\(\alpha\)-Umwandlung vollständig unterdrückt wird, bietet das Rekristallisationsglühen die einzige Möglichkeit der Feinkornbildung.

Um bei mehrstufigen Umformprozessen die Verformbarkeit des Werkstoffes stets zu erhalten, muss das Gefüge zwischen jedem Umformschritt rekristallisiert werden. Diese Verfahrensform wird dann auch als Zwischenglühen bezeichnet.

Der Effekt der Rekristallisation kann auch bereits während dem Umformprozess selbst genutzt werden, indem im Bereich der Rekristallisationstemperatur umgeformt wird. Man spricht dann vom sogenannten Warmumformen. Wird der Werkstoff hingegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt (z.B. bei Raumtemperatur) spricht man vom Kaltumformen. Das Warmumformen stellt wesentlich höhere Ansprüche an die beteiligten Maschinen, sodass die Wirtschaftlichkeit stets zu prüfen ist.

Bei der Warmumformung wird das Werkstück oberhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt, bei der Kaltumformung hingegen unterhalb der Rekristallisationstemperatur!

In der Regel ist ein grobkörniges Stahlgefüge aufgrund der relativ niedrigen Zähigkeits- und Festigkeitswerte unerwünscht. Einziger Vorteil eines gröberen Kornes ist die hieraus resultierende bessere Zerspanbarkeit, die der erhöhten Sprödigkeit des Grobkorns geschuldet ist (Beachte, dass sich Sprödigkeit und Zähigkeit immer umgekehrt verhalten). Vor allem für kohlenstoffarme Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0,3 % bietet sich das sogenannte Grobkornglühen als Alternative zum Weichglühen an, um die Spanbarkeit entsprechend zu verbessern.

Ziel des Grobkornglühens ist die Verbesserung der Spanbarkeit!

Beim Grobkornglühen wird der Stahl im Bereich zwischen 950 °C und 1100 °C geglüht. Bei diesen hohen Temperaturen können Diffusionsprozesse in ausreichendem Maße stattfinden, sodass sich die Atome an den Korngrenzen neu anlagern können und diese somit zum Wachsen bringen. Triebkraft hierfür ist letztlich die Verringerung der Oberflächenenergie, die mit einem größeren Korn einhergeht anstatt mit vielen kleinen. Da die Diffusionsprozesse Zeit benötigen, muss je nach Dicke des Werkstückes mehrere Stunden lang geglüht werden.

Aufgrund der im Allgemeinen ungünstigen mechanischen Festigkeitseigenschaften, bleibt das Grobkornglühen auf kohlenstoffarme Stähle beschränkt und wird nur sehr selten angewandt (z.B. bei Hochtemperaturanwendungen, siehe hierzu auch Kapitel Kriechversuch). Nach der spanenden Bearbeitung des Grobkorngefüges, kann dieses anschließend durch Normalglühen wieder beseitigt werden, um wieder bessere Festigkeitseigenschaften zu erhalten.

Die im Allgemeinen schlechteren Festigkeitswerte eins grobkörnigen Gefüges können durch Normalglühen wieder beseitigt werden!

Nicht jeder Werkstoff muss darauf ausgelegt sein, hohen mechanischen Kräften standzuhalten. Bei einer gebogenen Blechabdeckung mit ausgefrästen Sichtschlitzen kommt es bspw. nicht darauf an hohe Kräfte aufnehmen zu können. Vielmehr liegt der Fokus bei der Werkstoffauswahl dabei auf einer guten Verform- und Spanbarkeit des Stahls. Dies spielt insbesondere bei der automatisierten Fertigung mit hohen Losgrößen eine wichtige Rolle, um die Herstellung wirtschaftlich zu gestalten.

Aus diesem Grund kann es erforderlich werden, das Gefüge eines Stahles so anzupassen, dass es sich besser umformen und/oder spanend bearbeiten lässt. Vor allem im Hinblick auf die Umformbarkeit gilt es also ein entsprechend weiches Gefüge herzustellen. Dies kann mithilfe des sogenannten Weichglühens erzielt werden.

Ziel des Weichglühens ist die Verbesserung der Umformbarkeit sowie der Spanbarkeit!

Beim Weichglühen werden untereutektoide Stähle bis knapp unterhalb der PS-Linie erwärmt, sodass der Zementit gerade noch nicht zerfällt. Der lamellare Zementit hat nun genügend Zeit sich durch Diffusionsprozesse in die thermodynamisch günstigere, rundlichere Form umzuwandeln. Es bildet sich aus dem Streifenzementit des Perlits kugelförmiger Zementit (Kugelzementit). Nachdem der Zementit in die rundliche Form zerfallen ist, wird der Stahl langsam abgekühlt. Im Gegensatz zu untereutektoiden Stählen, werden übereutektoide Stähle beim Weichglühen dicht oberhalb bzw. pendelnd um die PSK-Linie erwärmt.

Ein besonders homogenes Gefüge mit feinverteiltem Kugelzementit kann dadurch erreicht werden, dass der Stahl vor dem Weichglühen gehärtet wird. Der kugelförmige Zementit bildet sich dann aus dem bereits relativ homogenen Martensitgefüge.

Nach dem Weichglühen zeigt der Stahl aufgrund der kugelförmigen Zementitform eine wesentlich bessere Umformbarkeit. Ursache liegt in der erleichterten Versetzungsbewegung. Während sich die streifenförmigen Zementitlamellen teilweise komplett von einem Ende des Korns zum anderen ziehen, liegen die Zementitkugeln nur vereinzelt im Korn vor. Die Versetzungsbewegung wird durch den Kugelzementit somit weniger stark behindert als beim sich komplett durchziehenden Streifenzementit. Die Verformbarkeit nimmt entsprechend zu, während die Härte allerdings abnimmt.

Somit wird ein nachträgliches Walzen, Biegen, Tiefziehen, etc. aufgrund verringerter Umformkräfte erleichtert. Außerdem wird durch den kugelförmigen Zementit eine bessere Spanbarkeit erreicht, da die Zementitkugeln gegenüber der Werkzeugschneide einen geringeren Widerstand entgegenbringen im Vergleich zur lamellaren Zementitform. Dies erhöht dementsprechend die Standzeit des Werkzeuges.

Die Zementitkugeln verbessern die Zerspanbarkeit des Gefüges im Vergleich zum lamellaren Zementit!

Das abgebildete Gefügebild zeigt einen weichgeglühten Stahl C45. Zu sehen sind die zu rundlichen Kügelchen zerfallenen Zementitlamellen.

Untereutektoide Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt unterhalb ca. 0,3 % Kohlenstoff werden in der Regel nicht weichgeglüht, da diese ohnehin relativ weich sind. Bei diesen Stählen ist zwar eine gute Umformbarkeit bereits gegeben, die Zerspanbarkeit ist aufgrund der Neigung zum sogenannten Schmieren jedoch ungünstig (an den Werkzeugschneiden bilden sich Aufbauschneiden). Um diesen kohlenstoffarmen Stählen dennoch eine gute Zerspanbarkeit zu verleihen, bietet sich als Wärmebehandlung das nachfolgend erläuterte Grobkornglühen an.

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 sogenannte 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.

Beim Induktionshärten wird das Werkstück durch induzierte Wirbelströme erwärmt. Die Steuerung der Einhärtetiefe erfolgt über die Frequenz des Wechselstroms!

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.

Das Induktionshärten lässt sich gut automatisieren und eignet sich für komplexe Geometrien vor allem in der Massenfertigung! Die Zunderbildung und der Härteverzug sind geringer als beim Flammhärten!

Die Verfahren zur Oberflächenhärtung wie Flammhärten, Induktionshärten, Laserhärten und Einsatzhärten haben alle gemeinsam, dass die harte Randschicht durch eine martensitische Gefügeumwandlung erreicht wird. Eine solche Gefügeumwandlung ist jedoch für eine endmaßnahe Fertigung ohne Nachbearbeitung hinderlich, da die Gefügeumwandlung im Allgemeinen zu einem Härteverzug führt. Auch die sich bildenden Zunderschichten müssen eventuell nachbearbeitet werden. In solchen Fällen kann das Nitrierhärten (kurz: Nitrieren) Abhilfe schaffen, welches ohne eine Gefügeumwandlung auskommt. Das Nitrierhärten zählt somit nicht zu den klassischen Härteverfahren mittels Gefügeumwandlung.

Das Nitrierhärten (Nitrieren) beruht nicht auf der Martensitbildung sondern auf der Bildung von harten und verschleißfesten Nitriden an der Bauteiloberfläche!

Beim Nitrieren wird der legierte Stahl bei Temperaturen von etwa 500 °C einer stickstoffhaltigen Umgebung ausgesetzt. Die Stickstoffatome diffundieren in die Oberfläche des Stahls ein und verbinden sich dort mit anwesenden Legierungselementen wie Aluminium, Chrom Molybdän, Vanadium und Titan zu harten und verschleißfesten Nitriden.

Das Nitrieren erfordert entsprechend spezielle Stähle die nitridbildenden Legierungselemente auch beinhalten, sogenannte Nitrierstähle (z.B. 34CrAlMo5). Die an der Oberfläche gebildeten Nitride führen darüber hinaus zu Spannungen im Material. Diese stellen jedoch keineswegs Schwächungen dar sondern erhöhen im besonderen Maße die Dauerfestigkeit des Bauteils durch die hervorgerufenen Druckeigenspannungen! Zudem wird durch die Nitridschicht die Korrosionsbeständigkeit verbessert.

Das Nitrierhärten wird insbesondere zur Verbesserung der Dauerfestigkeit von dynamisch beanspruchten Bauteilen eingesetzt!

Während die Oberflächenhärte durch die gebildeten Nitride stark zunimmt, bleiben die Eigenschaften des Bauteilkerns unberührt, da sich die Nitride nur an der Oberfläche bilden. Die Schichtdicken bewegen sich im Bereich von 0,1 bis 1 mm. Dickere Nitridschichten sind nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Die langen Glühzeiten von teilweise mehreren Tagen können das Nitrierhärten sehr zeitintensiv und damit teuer machen.

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.

Beim Laserhärten erfolgt das Erwärmen der Oberfläche durch einen Laserstrahl, die Abschreckung erfolgt durch Wärmeabfuhr im Werkstück (Selbstabschreckung)!

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.

Mit dem Laserstrahhärten können nur kleine Oberflächen wirtschaftlich gehärtet werden. Die Einhärtetiefe kann dabei sehr gering gehalten werden!

Einleitung

Eine harte Oberflächenschicht ist unerlässlich, um die Verschleißfestigkeit sich berührender Bauteile zu erhöhen. In diesen Fällen kann das Härten als eine mögliche Wärmebehandlung eingesetzt werden. Der Nachteil ist jedoch die abnehmende Zähigkeit bzw. zunehmende Versprödung des Stahls, die zu einem unvorhersehbaren Materialversagen führen kann. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein, nur die Oberfläche eines Werkstücks zu härten, sodass der Bauteilkern seine Zähigkeit behält (Teilhärtung). Dies wird als Oberflächenhärten oder Randschichthärten bezeichnet.

Beim Randschichthärten wird zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit nur die Randschicht gehärtet, so dass der Bauteilkern zäh bleibt!

Zahnräder sind typische Fälle, bei denen das Oberflächenhärten eingesetzt wird. Aber auch Kurbelwellen oder Nockenwellen werden meist nach dem Vergüten oberflächengehärtet. Je nach Anwendungsfall haben sich verschiedene Verfahren der Randschichthärtung entwickelt. Hierzu zählen:

• Flammhärten
• Induktionshärten
• Laser-Härten
• Einsatzhärten
• Nitrierhärten (Nitrieren)

Flammhärten

Beim sogenannten 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). Ein nachträgliches Anlassen ist beim Flammhärten nicht üblich! Dies gilt in der Regel auch für die anderen Verfahren zur Randschichthärtung, da der nichtgehärtete Kern eine ausreichende Zähigkeit mit sich bringt.

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.

Beim Flammhärten werden Brennerflammen über das Werkstück geführt und mit Wasserbrausen abgeschreckt! Die Steuerung der Einhärtetiefe erfolgt über die Vorschubgeschwindigkei!

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 Verziehens 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 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.