Wärmebehandlung

Wärmebehandlung ist das gezielte Erwärmen eines Metallbauteils auf eine festgelegte Temperatur, das Halten auf dieser Temperatur und das Abkühlen mit definierter Geschwindigkeit, um das Gefüge des Werkstoffs und damit seine Eigenschaften zu verändern. Derselbe Stahl kann je nach Behandlung die Härte eines weichen, gut zerspanbaren Halbzeugs oder die eines verschleißfesten Werkzeugs haben. Wärmebehandelt werden vor allem Stähle, aber auch Aluminium-, Kupfer- und Titanlegierungen.

Die wichtigsten Verfahren für Stahl:

Glühen macht den Werkstoff weicher, verfeinert sein Gefüge oder baut Eigenspannungen ab, etwa bei Schweißbaugruppen vor der Präzisionsbearbeitung (Spannungsarmglühen). Beim Härten wird der Stahl auf eine Temperatur erwärmt, bei der sich das Gefüge in Austenit umwandelt (bei üblichen Maschinenbaustählen meist 800 bis 900 °C), und dann schnell in Wasser, Öl, Polymerlösung oder Gas abgeschreckt, wobei hartes Martensitgefüge entsteht. Gehärteter Stahl ist spröde, deshalb folgt das Anlassen: bei niedriger Temperatur für hohe Härte (Werkzeuge, Gleitflächen), bei hoher Temperatur für Zähigkeit. Härten mit anschließendem Anlassen bei hoher Temperatur heißt Vergüten, typisch für Wellen und Bolzen aus C45 oder 42CrMo4.

Randschichthärten und thermochemische Verfahren erzeugen eine harte Randschicht und erhalten einen zähen Kern. Beim Randschichthärten (induktiv, mit der Flamme oder per Laser) wird nur die Oberfläche gehärtet. Beim Einsatzhärten wird die Oberfläche eines kohlenstoffarmen Stahls (etwa 16MnCr5) mit Kohlenstoff angereichert, nach Härten und Anlassen entsteht eine Schicht von meist 0,3 bis 2 mm mit einer Härte um 58 bis 62 HRC. Nitrieren läuft bei niedrigerer Temperatur, meist um 500 bis 570 °C, ohne Härten und daher mit minimalem Verzug, die Schicht ist jedoch dünner. Aushärtbare Aluminiumlegierungen (Reihen 2000, 6000 und 7000) werden durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern ausgehärtet, das Ergebnis ist zum Beispiel der Zustand T6.

Schreiben Sie eine Wärmebehandlung bei Teilen vor, die durch Verschleiß, Flächenpressung oder wechselnde Last beansprucht werden: Wellen, Bolzen, Zahnräder, Führungsleisten, Nocken, Messer, Schneidwerkzeuge und Formen. Vergüten erhöht die Festigkeit des gesamten Querschnitts, Randschichthärten, Einsatzhärten und Nitrieren wählt man, wenn vor allem die Oberfläche widerstehen und der Kern zäh bleiben soll.

Spannungsarmglühen ist sinnvoll bei Schweißbaugruppen und komplex geformten Teilen, die anschließend genau bearbeitet werden, und bei Teilen aus dem Metall-3D-Druck, in denen nach der Fertigung erhebliche Eigenspannungen verbleiben.

Der Stahl muss für das gewählte Verfahren geeignet sein. Baustähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt (etwa S235) lassen sich praktisch nicht härten, für das Einsatzhärten wählt man Einsatzstähle, für das Nitrieren Nitrierstähle mit nitridbildenden Legierungselementen. Wählen Sie Werkstoff und Behandlung deshalb gemeinsam und stimmen Sie sich mit der Härterei ab.

Härten verursacht Maßänderungen und Verzug. Genaue Flächen werden mit Aufmaß vorbearbeitet und erst nach der Wärmebehandlung durch Schleifen fertig bearbeitet. Scharfe Innenecken, abrupte Querschnittsübergänge und Bohrungen nahe am Rand erhöhen das Risiko von Härterissen. Kennzeichnen Sie Flächen, die weich bleiben sollen (zum Beispiel Gewinde an einsatzgehärteten Teilen), in der Zeichnung.

Geben Sie statt des Wortes „härten“ die konkrete Anforderung an: Verfahren, Härte mit Toleranz (etwa 58 bis 62 HRC), bei Randschichten die Schichttiefe und die Grenzhärte, bis zu der gemessen wird (beim Einsatzhärten meist 550 HV, daraus ergibt sich die Einsatzhärtungstiefe CHD), sowie die Messstelle. Fordern Sie vom Lieferanten ein Protokoll der Härteprüfung an.