Oberflächenhärtung

Die Oberflächenhärtung, auch Randschichthärtung, ist eine Methode um bei metallischen Bauteilen die äußersten Schichten zu härten.

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Allgemeines

Bei einigen Anwendungen ist es durchaus erforderlich, im Inneren eines Werkstückes eine hohe Zähigkeit, die Oberfläche aber hart und verschleißfest zu haben. Anwendungsbeispiele sind z.B. Nockenwellen, Lagersitze, Zahnräder u.ä. . Ein weiterer wichtiger Vorteil des Randschichthärtens ist, dass Druckeigenspannungen in der Oberfläche des Bauteils entstehen, die die Schwingfestigkeit der Bauteile beträchtlich verbessern. Nach dem Oberflächenhärten wird das Werkstück angelassen, um die durch das Härten entstandende Sprödigkeit, bei geminderter Härte, herabzusetzen.

Verfahren

Induktiv

Beim induktiven Verfahren wird das Werkstück eine kurze Zeit lang (je nach Größe und gewünschter Randschichtdicke einige Sekunden bis zu einigen Minuten) einem wechselnden Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch erhitzt sich das Werkstück an der Oberfläche bis hin zur Rotglut. Anschließend wird es abgeschreckt und so gehärtet. Ebenso wie die Dauer der Erwärmung trägt die Frequenz des Magnetfeldes zur Einhärtetiefe bei.

Flammhärten

Das Flammhärten ist dem Induktivhärten ähnlich. Beim Flammhärten wird die Randschicht mit starken Brennerflammen rasch auf Härtetemperatur erwärmt und mit einer Wasserbrause abgeschreckt. Dazu führt man die hintereinander angeordneten Heizflammen und Wasserbrausen langsam über das Werkstück. Die Tiefe der gehärteten Randschicht kann durch die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners eingestellt werden. Die Form des Brenners und der Brause sind der Werkstückform angepasst.

Nitrier-/Einsatzhärten

Nitrier- und Einsatzhärten basieren auf dem Effekt der Festkörperdiffusion. Um ein Werkstück so zu härten, wird es in einem evakuierten Ofen bis mindestens zur halben Schmelztemperatur in Kelvin erhitzt (erst ab hier kann Diffusion stattfinden). Dann erzeugt man im Innern des Ofens eine Stickstoff- (Nitrierhärten) oder Kohlenstoffatmosphäre. Die Stick-\ Kohlenstoffatome diffundieren dann in die äußersten Schichten des Werkstückes ein. Die Einhärtetiefe hängt mit von der Zeit ab. Um also eine doppelte Einhärtetiefe zu erreichen, muss man das Werkstück vier mal so lange im Ofen belassen. Ebenso kann man mit einer höheren Temperatur bei gleicher Zeit größere Schichtdicken erreichen, da die Diffusion stark temperaturabhängig ist. Nachdem dann die Randschicht aufgestickt bzw. aufgekohlt ist, wird das Werkstück abgeschreckt.

Laserhärten

Wird zum Randschichthärten kleiner Bereiche eines Bauteils eingesetzt, wie z.B. den Nocken und Lagerzapfen einer Welle. Ein Laserstrahl erwärmt diese Bereiche in sehr kurzer Zeit auf Austenitisierungstemperatur. Der Abschreckvorgang wird durch Wärmeleitung in die im Vergleich zu den erwärmten Schichten meist sehr großen kalten Bereiche des Werkstücks bewirkt.