Härten (Stahl)

Das Härten von Stahl ist eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung seines Gefüges. Es kann durch Wärmebehandlung mit anschließendem schnellen Abkühlen erfolgen. Wird ein Metall plastisch verformt, so breiten sich im Werkstück Versetzungen aus. Um nun die Festigkeit zu erhöhen, müssen Maßnahmen getroffen werden, die die Bewegung von Versetzungen behindern.

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Drei wichtige Härtungsverfahren

Das wichtigste Härtungsverfahren ist die Umwandlungshärtung. Hierbei wird das Werkstück soweit erwärmt, dass sich das bei Raumtemperatur vorliegende α-Eisen (Ferrit) in γ-Eisen (Austenit) umwandelt. Im Austenit kann wesentlich mehr Kohlenstoff gelöst werden als im Ferrit (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Schreckt man den kohlenstoffreichen Austenit nun ab, kann der Kohlenstoff nicht mehr aus dem Gitter diffundieren. In der Folge ordnen sich die Eisenatome nicht mehr kubisch - raumzentriert an, der Kohlenstoff verspannt das Gitter. Man spricht von einem tetragonal-verzerrten Gitter (Martensit). Eine wichtige Rolle bei dieser Art der Härtung spielt die Abkühlgeschwindigkeit. Je größer die Unterkühlung (Temperaturdifferenz), desto mehr Martensit bildet sich. Gesteuert wird die Umwandlungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Abkühlmedien (Wasser, Öl oder Luft). Weiterhin wichtig ist die chemische Zusammensetzung des Stahls. Vor allem Chrom trägt dazu bei, dass ein Werkstück über den gesamten Querschnitt durchgehärtet werden kann. Um einen Stahl zu härten, muss er einen Kohlenstoffgehalt von mindestens 0.3% besitzen.

Ferner gibt es die Ausscheidungshärtung durch das temperaturabhängige Lösungsvermögen des Eisengitters für gewisse Fremdatome. Sie werden beim Abschrecken ausgeschieden und verspannen das Kristallgitter.

Das dritte Verfahren ist die Kalthärtung, die bei der „Kaltumformung“ durch Gleitvorgänge im Gefüge die Kristallite (Körner) versteift. Verwendung besonders bei Buntmetalllegierungen (z. B. Bronze) als Mischkristalllegierung.

Härten durch Abschrecken

Zwei der o.e. Verfahren bestehen aus einem Erwärmen bis zu einer werkstoffabhängigen Temperatur, dem Aufrechterhalten der Temperatur der Werkstücke und anschließendem raschen Abkühlen (Abschrecken) unter Beachtung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit.

Als Abschreckmedium dient unter anderem Wasser, welchem ggf. entsprechende Zusätze beigegeben werden, die die Oberflächenspannung des Wassers verändern, um das Auftreten des Leidenfrost-Effekt (die isolierende Dampfschicht unter dem Wassertropfen auf einer sehr heißen Herdplatte) zu unterdrücken. Als weitere Abschreckmedien dienen Öl, Salzbad, Luft oder Gase, z.B. Stickstoff (N₂) oder Argon (Ar) (letzteres beim Härten im Vakuum). Nur Stähle mit mehr als 0,3% Kohlenstoff (C) sind zu solchem Härten geeignet.

Gänzlich ohne Abschreckmedien funktioniert die Laserstrahl-Härtung. Hierbei wird jeweils nur ein kleiner Bereich einer dünnen Oberflächenschicht erhitzt und die notwendige sehr schnelle Abkühlung erfolgt durch die Abfuhr der Wärme in das Werkstück.

Physikalische Hintergründe

Basis der Wärmebehandlung ist das Phasendiagramm für Stahl. Es zeigt grafisch an, welche Temperaturen bis zur Erwärmung im so genannten Austenitgebiet erforderlich sind. Diese liegen oberhalb einer charakteristischen Linie im Phasendiagramm, dessen Temperaturwerte als Umwandlungspunkte A3 bzw. A1 gekennzeichnet sind. Sie liegen bei 723 °C oder höher.

Je nach Legierung des Stahles bzw. dem Anteil an Legierungselementen im Stahl muss die kritische Abkühlgeschwindigkeit berücksichtigt werden, bei Überschreiten besteht Gefahr von Rissbildung.

Anlassen des gehärteten Stahls

Beim Abschrecken bildet sich in den Außenbereichen (die schnell genug abkühlen) Martensit. Ab einem Kohlenstoffanteil von 0,6% ist mit Restaustenit RA zu rechnen, da die Mf-Temperatur unter der Raumtemperatur liegt und so nicht das gesamte Austenit in Martensit umgewandelt wird. Die Umwandlung dieses sog. Restaustenits erfolgt verzögert und wird von einer Volumenvergrösserung begleitet. Dies führt zu beträchtlichen Spannungen im Werkstück. Verzug und Risse können die Folge sein.

In diesem nur abgeschreckten Zustand ist der Stahl sehr hart und spröde und für technische Verwendungen nicht brauchbar. Der Zustand wird sehr treffend mit „glashart“ bezeichnet.

In einem zweiten Schritt, dem so genannten Anlassen, oder auch Tempern genannt, wird die Härte reduziert und die gewünschten Gebrauchseigenschaften (Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit) des Stahls eingestellt. Dabei wird der Stahl, je nach Legierungsanteilen und gewünschten Eigenschaften, nochmals erwärmt. Es entsteht die gewünschte Gebrauchshärte. Je höher die Anlasstemperatur, desto geringer wird die Härte. Dafür nimmt die Zähigkeit zu.

Das Anlassen wird je nach Gehalt an Legierungselementen und Kohlenstoff im Temperaturbereich von 100-350 °C, bei hochlegierten Stählen bis 600 °C durchgeführt. Einige höher legierte Stähle (wie z. B. Werkstoff 1.2379 mit 12% Chromanteil) haben ein recht kompliziertes Anlassverhalten, sie erreichen nämlich beim dritten Anlassen mit ca. 500 °C eine höhere Härte als beim ersten Mal (Sekundärhärtemaximum). Bei pulvermetallurgisch erzeugten (PM-)Stählen wird die Gebrauchshärte jedoch über die Starttemperatur beim Abschrecken eingestellt, das Anlassen erfolgt bei einheitlichen Temperaturen.

Den kombinierten Vorgang des Härtens und Anlassens bezeichnet man als Vergüten.

siehe auch

• Anlassen
• Ausscheidungshärtung
• Aufkohlen
• Carbonitrieren
• Einsatzhärten
• Induktivhärten
• Kolsterisieren
• Nitrieren
• Vergüten