1. Härten 1.1 Beschreibung Geeignete Werkstoffe Warum Wärmebehandlung? Härterei Handbuch

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1 Grundlagen der Wärmetechnik Dieses Handbuch entstand in enger Zusammenarbeit mit unseren Spezialisten in der VTN ritz Düsseldorf GmbH. Diese kleine Arbeitshilfe der Härtetechnik beschreibt in mehreren Kapiteln die Grundlagen der verschiedenen Härtetechniken. Abgerundet wird das Handbuch mit einem Kapitel über Werkstoffe und Tabellen zur Härteumwertung verschiedener Messgrößen. 1. Härten 1.1 Beschreibung Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Das Austenitisieren ist der Behandlungsschritt, in dem das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird und durch vollständige hasenumwandlung und Carbidauflösung die Matrix des Stahls austenitisch wird. Nach dem Austenitisieren erfolgt das Abkühlen. Damit das gesamte Werkstück ein martensitisches Gefüge annimmt, muss die Geschwindigkeit des Temperatursturzes größer sein als die sogenannte kritische Abkühlgeschwindigkeit des jeweiligen Stahls. Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden (Öl, Abschrecklösung, Wasser, Luft, Stickstoff). Nach der Wärmebehandlung sollte das gehärtete Gefüge bei untereutektoiden Stählen (unter 0,8% Kohlenstoffgehalt) überwiegend aus Martensit bestehen. Das Gefüge sogenannter übereutekoider Stähle (über 0,8% C-Gehalt) besteht nach dem härten üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Dem Anteil dieser hasen ist z.b. bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen große Bedeutung beizumessen, da Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst werden Geeignete Werkstoffe Im rinzip ist fast jeder Stahl mehr oder weniger gut härtbar. Die Härtbarkeit ist aber entscheidend von der chemischen Zusammensetzung des Stahls abhängig. Unter Härtbarkeit versteht man die ähigkeit eines Stahls, in der oberflächennahen Zone mehr oder weniger tiefgreifend eine erhöhte Härte anzunehmen. Der Begriff Härtbarkeit beinhaltet die Höhe sowie die Verteilung der Härtezunahme im Werkstück (Einhärtbarkeit) Warum Wärmebehandlung? Das Härten wird angewendet, um Bauteilen und Werkzeugen eine ausreichende Härte und estigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen z.b. statischer oder dynamischer Verformung durch Zug, Druck, Biegung, Verschleiß - zu verleihen. Bei der Härtung voll härtbarer Stähle im klassischen Härteofen oder im Vakuumofen wird das Bauteil im allgemeinen komplett durchgehärtet. Im Gegensatz dazu führt das Randschichthärten zu gezielt ausgeprägten Härtetiefen je nach Behandlungsart. K. Hirsch Seite 1

2 2. Vergüten, Anlassen, Glühen Das Vergüten wird den thermischen Wärmebehandlungsverfahren zugeordnet. Es handelt sich hierbei um ein kombiniertes Wärmebehandlungsverfahren von Härten mit einem nachfolgenden Anlassen. Beim Anlassen handelt es sich um ein- oder mehrmaliges Erwärmen eines gehärteten Werkstücks zur Erzielung vorgegebener mechanischer Eigenschaften. Glühen beschreibt die Erwärmung auf Härtetemperatur ohne Abschreckung Vorzüge der Vergütung - hohe Standfestigkeit und Biegefestigkeit - hohe Dauerschwingfestigkeit und gute Zug- und Kerbschlagzähigkeit - ideale Voraussetzung für spätere thermochemische Wärmebehandlung 3. Kundenangaben zur Wärmebehandlung Auf jeden all anzugeben sind Werkstoff, gewünschte Härte und bei Anlieferung die bereits erfolgte Bearbeitung des Werkstückes. Näheres dazu siehe auch unsere Dokumentation zum Thema Härteangaben. 4. Randschichthärten Das Randschichthärten ist eine besondere Verfahrenstechnik. Hier wird gezielt eine gewisse Tiefe der Werkstoff härtetechnisch beeinflusst. Nach DIN ist der Begriff definiert als Härten mit einem auf die Randschicht beschränkten Austenitisieren. Zwischen dem gehärteten Bereich und dem unbeeinflussten Material entsteht die sogenannte Übergangszone. Es ist zweckmäßig die Art der Randschichthärtung durch das eingesetzte Verfahren zu beschreiben, z.b. Induktionshärten, Einsatzhärten, Nitrieren oder Laserstrahlhärten. Randschichthärten - Definition und Einteilung der Verfahren Mechanische Einwirkung Thermochemische Einwirkung - Einsatzhärten - Nitrieren - Carbonitrieren - Nitrocarburieren - Borieren - Chromieren - Aluminieren - Silizieren - Vanadieren - Kugelstrahlen - Wasserstrahlen - Glattwalzen - Hämmern Verfahren zur Randschichtverfestigung - lammhärten - Ranschichtumschmelzen - Induktionshärten - Ranschichtumschmelzlegieren - Laserstrahlhärten - Schalenhärten nach Durchwärmung - Elektronenstrahlhärten Reibhärten (Schleifhärten) Randschichthärten durch Spanen Thermomechanische Einwirkung Thermische Einwirkung ED Induction GmbH STH/02- K. Hirsch Seite 2

3 4.1 Härte in Abhängigkeit der kritischen Abschrecktemperatur Zusammenhang der Härte eines Werkstoffes mit Hilfe ZTU Diagramms: Zuerst erfolgt die Erwärmung auf Austenitisierungstemperatur. Danach wird das Teil mit Wasser, Abschreckmedium (olymer), Öl, Stickstoff oder an Luft abgeschreckt. Dabei durchläuft der Werkstoff verschiedene Umwandlungsphasen. Die zeitliche Abfolge dieser hasen haben eine entscheidende Bedeutung auf das Endergebnis. Solange bei der Abkühlung nicht der Bereich der erlitphase () und Bainit-hase (B) durchlaufen wird (rote Kurve), entsteht das gewünschte Martensitgefüge. Ist die Abkühlgeschwindigkeit zu gering, entstehen unterschiedliche Mischgefüge. ZTU-Diagramm - Variation Abkühlraten C45 (1.0503) Gefügebestandteile A c3 A c1b M T in C M s B B M ,5 K/s tins Quellen: Rose A.; eter W.: Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle, Band 1 Hougardy H..: Umwandlung und Gefüge unlegierter Stähle ED Induction GmbH STH/02- K. Hirsch Seite 3

4 4.2 Härtetechnische Besonderheiten beim Nitrieren Bei der Nitriertechnik wird der Werkstoff nicht direkt umgewandelt. Die Härtezunahme entsteht durch Einlagern von Atomen wie z.b. Stickstoff. Diese Verfahren sind besonderst bei verzugsarmen Anforderungen hervorragend geeignet um Verschleißeigenschaften an der Oberfläche eines Bauteiles zu verbessern. Gasnitrieren: Quelle: (Rübig) In einer aufgespalteten Ammoniakgasatmosphäre diffundiert üblicherweise bei ca C Stickstoff in die Bauteile ein. Die Behandlungsdauer beträgt Stunden. ür Nitrierhärtetiefen (Nht) ergeben sich dadurch Tiefen von 0,1-0,9 mm. lasmanitrieren: Das lasmanitrieren bewirkt die Einlagerung von Stickstoff in Eisenwerkstoffen bei C und findet im Vakuum unter Zuhilfenahme des mit einer Glimmentladung erzeugten lasmas an der Werkstückoberfläche statt. Das Verfahren eignet sich besonders für hochlegierte Werkstoffe (> 13% Chrom). Nitrocarburierung im Gas oder lasma: Dieser rozess erfolgt vorzugsweise bei C in einem Gasgemisch Stickstoff-Kohlenstoff abgebender Medien und stellt eine Alternative zur Salzbadnitrocarburierung mit langsamerer Chargenabkühlung dar. Carbonitrieren Dieser rozess ist eine Sonderart des Einsatzhärten. Die Temperaturen im Schutzgaskammerofen sind niedriger als die bei der Einsatzhärtung, jedoch höher als die üblichen Nitriertemperaturen. Die Temperaturen liegen zwischen ca. 760 und 900 C als kombinierte Kohlenstoff- Stickstoffdiffusion für niedrig- und unlegierte Stähle. Durch Anreicherung von Stickstoff wird die Härtetemperatur und die kritische Abkühlgeschwindigkeit herabgesetzt. Oxidieren Bei Temperaturen um 480 C wird Wasser (evt. mit Zusätzen) in der mit Stickstoff gefluteten Ofenkammer verdampft. Durch diesen rozess entsteht eine Oxidschicht an der Bauteiloberfläche aus überwiegend e 3 O 4. Hierdurch wird die Korrosionsbeständigkeit noch zusätzlich verbessert. Die Oxydschicht hat eine Stärke von etwa 1-3 µm. K. Hirsch Seite 4

5 4.3 Einsatzhärten Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Randschicht von Bauteilen / Werkzeugen mit einem Kohlenstoff abgebenden Medium aufgekohlt und anschließend abgeschreckt. Das Einsatzhärten dient dazu, der Randschicht von Bauteilen eine wesentlich höhere Härte und bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Einsatzgehärtete Teile zeichnen sich durch erhöhten Verschleißwiderstand, einen zähen Kern sowie durch eine erhöhte Biegewechselfestigkeit aus. Diese Eigenschaften sind vor allem bei Getriebeteilen erwünscht. Gut zu zerspanende Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt lassen sich mit dieser Methode damit gut auf die später gewünschten Eigenschaften einstellen. Die Abschreckung kann entweder direkt aus der Aufkohlungstemperatur oder nach einem Zwischenkühlen und Wiedererwärmen auf eine werkstoffspezifische Härtetemperatur erfolgen. Dies sind nur zwei Varianten möglicher Temperatur-Zeit-olgen beim Einsatzhärten. Die Aufkohlung erfolgt in der Regel zwischen 880 bis 980 C. Nach dem Abhärten der aufgekohlten Bauteile ist ein Anlassen erforderlich, um die aus der Härtung entstandenen Spannungen zu mindern und die geforderten Gebrauchsfestigkeiten einzustellen. ür das Einsatzhärten stehen dem Wärmebehandler unterschiedliche Anlagentechniken wie z.b. Kammeröfen, Durchlauföfen, Salzbäder, Niederdruckanlagen etc. zur Verfügung. artielles Einsatzhärten ist mit geeigneten Isoliertechniken wie abdecken oder verkupfern möglich. Alternativ sei hier auf die Variante Aufkohlen & partielles Induktivhärten hingewiesen. Aufgekohlt wird mit ulver, Salz, oder Gas. Als Abschreckmedien werden Härteöle oder synthetische olymerlösungen eingesetzt. 4.4 Induktive Erwärmung Alle Werkstoffe, die den elektrischen Strom leiten, lassen sich induktiv erwärmen. Im Allgemeinen werden alle Arten von Metallen induktiv erwärmt. Hier ist die Bauteilgeometrie und gewünschte Härtetiefe für jedes Bauteil auf seine Machbarkeit hin unbedingt im Vorfeld zu prüfen. 5. Vakuumhärten und Glühen K. Hirsch Seite 5 Bsp. reiburg: Automatisierte Schutzgaslinie mit 4 Härteöfen, 2 Waschanlagen, 3 Anlassöfen Bei der Vakuumtechnik erreichen wir im Gegensatz zur Randschichthärtung eine sehr tiefgreifende Umwandlung bis in den Kernbereich der Werkstücke. In Abhängigkeit von der kritischen Abschrecktemperatur des Stahltyps und der Bauteilgeometrie ergeben sich entsprechend hohe Einhärtetiefen bis hin zur Durchhärtung. Die modernen Ofensysteme der jüngsten Generation sind elektrisch beheizt, elektronisch überwacht mit Sensortechnik und über C- gestützte Steuerungstechnik für eine hohe Bearbeitungs-qualität ausgelegt. Zusammen mit der gezielt steuerbaren Stickstoffabschreckung mit bis zu 10 bar und mehr Überdruck können damit die gewünschten Bauteil- und Werkstoffeigenschaften sicher eingestellt werden. Die Vakuumhärtetechnologie ermöglicht dadurch eine besonderst genaue und reproduzierbare Wärmebehandlung, wie sie beispielsweise im ormenbau und bei der Luft- und Raumfahrt gefordert ist.