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Härten von Metallen

2018-07-17T22:27:28

Durch Härten kann die mechanische Widerstandsfähigkeit von Stählen deutlich gesteigert werden. Das Verfahren findet vor allem Anwendung bei Bauteilen, die auf Verschleiß beansprucht werden (z.B. Werkzeuge). Vor Prozessbeginn ist darauf zu achten, dass die Bauteile bereits ihre endgültige Form besitzen, da sie nach dem Härten aufgrund der dabei erzeugten höheren Härte nur noch spanend durch Schleifen bearbeitet werden können.

Beim bedeutendsten Härtungsverfahren für Stahlwerkstoffe, dem Umwandlungshärten, lässt sich der Härtungsprozess in drei unterschiedliche Arbeitsvorgänge unterteilen:

  • Erwärmung des Härteguts auf eine definierte Temperatur zwischen etwa 780 °C und 1200°C:
    Die Temperatur ist abhängig von der verwendeten Stahlsorte und lässt sich oberhalb der GSK-Linie aus einem materialbezogenem Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild ablesen. Durch die der Erwärmung wandelt sich das bei Raumtemperatur vorliegende kubisch-raumzentrierte (krz) Ferritgitter in ein kubisch-flächenzentriertes (kfz) Austenitgitter um. In der Mitte einer Elementarzelle des kfz-Gitters entsteht ein leerer Platz, welcher durch ein Kohlenstoffatom besetzt wird. Das Kohlenstoffatom stammt dabei durch Diffusion aus dem ursprünglichen Gefügebestandteil Zementit.
  • Halten auf konstanter Prozesstemperatur:
    Der Halteschritt dient zur gleichmäßigen Erwärmung des Werkstückes und damit zur vollständigen Gefügeänderung im gesamten Werkstück.
  • Abschrecken mit definierter Abkühlgeschwindigkeit (kontinuierlich oder stufenweise):
    Das Werkstück wird in ein Abschreckmedium (z.B. Wasser oder Öl) getaucht. Durch das rasche Abkühlen klappt das kfz-Gitter des Austenits schlagartig in das krz-Gitter des Ferrits um. Das Kohlenstoffatom in der Elementarzelle hat allerdings nicht ausreichend Zeit, um aus der Elementarzelle herausdiffundieren zu können und wieder Zementit als Ausscheidung zu bilden. Das Kohlenstoffatom wird in die Gitterstruktur eingebaut und es entsteht ein stark tetragonal verzerrtes Gefüge, das als Martensit bezeichnet wird. Martensit als sprödes, glashartes Material kann sich allerdings nur dann bilden, wenn der Stahl einen genügend hohen Kohlenstoffgehalt aufweist (üblicherweise ca. 0,2 % bis 0,6 %) und die Abschreckung ausreichend schnell durchgeführt wird.

Oftmals wird nach dem Härtevorgang der Stahlwerkstoff bei Temperaturen von etwa 150 °C bis 350 °C angelassen. Durch diese Maßnahme lassen sich innere Spannungen und die härtebedingte Sprödigkeit von Martensit abbauen, sodass der Werkstoff in seiner Zähigkeit auf Kosten der Härte zunimmt. Wird mit höheren Temperaturen von etwa 500 °C bis 600 °C angelassen, kann die Warmhärte und Warmfestigkeit des Materials gesteigert werden. Eingesetzt wird dies vorwiegend bei Warmarbeits- und Wälzlagerstählen. Wird der Stahl zuerst umwandlungsgehärtet und danach angelassen, spricht man auch vom Vergüten.

Als Abkömmling des Umwandlungsverfahrens konzentriert sich das Oberflächenhärteverfahren, (auch Randschichthärten genannt) auf die Aufhärtung des randschichtnahen Bereichs eines Werkstückes. Wie beim Umwandlungshärten findet auch beim Oberflächenhärteverfahren durch Erhitzung der Randschicht eine Gefügeumwandlung, d.h. eine Austenitisierung der Randzone statt. Als Wärmequelle kommen die unterschiedlichsten Verfahren infrage, die namensgebend sind: Induktionshärten, Flammhärten, Tauchhärten, Laser- und Elektronenstrahlhärten. Durch gezieltes Abschrecken bzw. Abkühlen der Randzone wird die Bildung von Martensit angestrebt, der die Randzone deutlich härter macht. Vorteil der Randschichthärtung ist die Schaffung einer harten, verschleißfesten Oberfläche bei weichem, zähem Kern. Anwendung findet das Einsatzhärten z.B. bei Bauteilen aus Stahl, bei denen neben Verschleißresistenz auch die dynamische Beanspruchung eine entscheidende Rolle spielt (z.B: Wellen, Zahnräder).

Das Ausscheidungshärten ist als weiteres Behandlungsverfahren eine Möglichkeit zur Erhöhung der Festigkeit metallischer Werkstoffe (auch als Aushärten oder Auslagern bezeichnet). Das Ausscheidungshärten beruht darauf, dass einerseits die Löslichkeit von ein oder mehreren Legierungselementen in einer Komponente gegeben ist, andererseits die Löslichkeit von Legierungselementen in einer Komponente bei einer Temperaturabsenkung abnimmt. Wenn die Löslichkeitsgrenze für einen einphasigen Mischkristall überschritten wird, kann sich dieser durch Diffusion in eine Zweiphasenlegierung umwandeln. Hierbei wird die mit deutlich höherem Anteil im Volumen auftretende Phase Matrix, die mit kleinerem Anteil Ausscheidung genannt. Die im Werkstoff homogen verteilten feinen Ausscheidungen behindern anschließend die Bewegung von Versetzungen und steigern so die Festigkeit des Metalls maßgeblich.

Zur Durchführung des Ausscheidungshärtens wird im ersten Schritt der Werkstoff lösungsgeglüht, so dass alle Atome eines Mischkristalls einphasig gelöst werden. Anschließend wird der Mischkristall abgeschreckt, wodurch die Diffusion von Legierungselementen verhindert werden kann. Der Mischkristall verbleibt so im metastabilen übersättigten einphasigen Zustand. Anschließend erfolgt eine zweite Wärmebehandlung (Diffusionsglühen) zur eigentlichen Erzeugung von Ausscheidungen. Da beim vorangegangen Abschrecken eine hohe Zahl an Keimen gebildet wurde, können sich nun durch Diffusion bei Temperaturen von ca. 150 °C bis 190 °C viele feine, im Gefüge homogen verteilte Ausscheidungen bilden. Bei entsprechender Haltezeit und Auslagerungstemperatur lassen sich so die Eigenschaften des Werkstoffes gezielt einstellen.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Ausscheidungshärtung ist das Aushärten von  Aluminium-, Kupfer- oder Magnesiumlegierungen. Mit diesem Verfahren können viele weitere Werkstoffe, darunter eisenbasierte, verfestigt werden.