Das Härten von Stahl ist ein bewährtes Verfahren zur Steigerung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit. Durch gezielte Änderungen und Umwandlungen in der Gefügestruktur kann die Festigkeit des Materials gesteigert werden. Dieser Prozess erfolgt durch eine Wärmebehandlung gefolgt von schnellem Abkühlen. Wenn ein Metall plastisch verformt wird, breiten sich im Werkstück Versetzungen aus. Um die Festigkeit zu erhöhen, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um die Bewegung dieser Versetzungen zu behindern.
Wichtige Härtungsverfahren
Umwandlungshärtung
Die Umwandlungshärtung ist das wichtigste Verfahren zur Stahlhärtung. Dabei wird das Werkstück auf eine Temperatur erhitzt, bei der das vorliegende α-Eisen (Ferrit) in γ-Eisen (Austenit) umgewandelt wird. Der Austenit kann erheblich mehr Kohlenstoff aufnehmen als das Ferrit (siehe Eisen-Kohlenstoff-Diagramm). Durch Auflösung des vorhandenen Zementits (Fe3C) wird der Kohlenstoff in den Austenit gelöst. Durch schnelles Abkühlen des kohlenstoffreichen Austenits, wird die Entmischung in Ferrit und Zementit kinetisch gehemmt, da die Diffusion Zeit benötigt. Das Eisengitter geht statt dessen in ein tetragonal-verzerrtes kubisch-raumzentriertes Gitter (Martensit) über, das durch den Kohlenstoff verspannt ist. Die Abkühlgeschwindigkeit spielt dabei eine wichtige Rolle. Je größer die Unterkühlung, desto mehr Martensit bildet sich. Die Geschwindigkeit der Umwandlung kann durch unterschiedliche Abkühlmedien (Wasser, Öl oder Luft) gesteuert werden. Die chemische Zusammensetzung des Stahls ist ebenfalls wichtig. Kohlenstoff trägt aufgrund seiner hohen Diffusionsgeschwindigkeit hauptsächlich zur Aufhärtbarkeit bei, während die Legierungselemente wie Chrom die Einhärtbarkeit des Materials bestimmen. Bei kleinen Bauteilen und großen Abschreckgeschwindigkeiten kann eine vollständige Durchhärtung über den gesamten Querschnitt des Werkstücks erreicht werden. Ein Stahl muss jedoch mindestens 0,2 % Kohlenstoff enthalten, um gehärtet werden zu können.
Ausscheidungshärtung
Bei der Ausscheidungshärtung entsteht eine Legierung, bei der die beteiligten Elemente einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinem der Kristallsysteme der Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes kompliziertes Kristallsystem, das sehr hart und spröde ist. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung bilden sich mehrere Phasen. Die Legierung wird als intermetallische Verbindung oder intermetallische Phase bezeichnet, wenn die Legierungselemente ausschließlich Metalle sind. Die Kristallisationsformel ähnelt der Formel für chemische Verbindungen, weist jedoch eine völlig andere Art der Verbindung auf im Vergleich zu Legierungen. Das gängigste Verfahren zur Einbringung von Fremdatomen in Stahl ist die Legierungsbildung. Es können jedoch auch Fremdatome durch Carbonisieren oder Nitrieren in den Stahl eingebracht werden.
Kaltverfestigung
Die Kaltverfestigung erhöht die Festigkeit von Buntmetalllegierungen wie Bronze und Mischkristalllegierungen, indem die Gleitvorgänge im Gefüge behindert werden.
Härten durch Abschrecken
Zwei der genannten Verfahren bestehen aus dem Erhitzen des Werkstücks bis zu einer werkstoffabhängigen Temperatur, dem Aufrechterhalten dieser Temperatur und anschließendem schnellen Abkühlen (Abschrecken) unter Berücksichtigung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit. Als Abschreckmedium kann Wasser verwendet werden, dem gegebenenfalls Zusätze beigemengt werden, um den Leidenfrost-Effekt zu unterdrücken. Es können auch andere Abschreckmedien wie Öl, Salzbad, wässrige Polymerlösungen oder Luft und Gase wie Stickstoff oder Argon verwendet werden. Nur Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,35 % eignen sich für diese Art des Härteverfahrens. Es gibt auch Verfahren wie die Laserstrahl- oder Elektronenstrahlhärtung, bei denen ein kleiner Bereich der Werkstückoberfläche erhitzt wird und die schnelle Abkühlung durch Wärmeabfuhr in das Werkstück erfolgt. Diese Verfahren laufen mit sehr hoher Geschwindigkeit ab und ermöglichen eine gezielte lokale Behandlung ohne Erhitzung des gesamten Werkstücks.
Physikalische Hintergründe
Das Phasendiagramm für Stahl bildet die Grundlage für die Wärmebehandlung. Es zeigt die erforderlichen Temperaturen im Austenitbereich bis zur Erwärmung. Die Umwandlungspunkte A3 und A1 markieren charakteristische Linien im Phasendiagramm und liegen bei 723 °C oder höher. Je nach Legierung des Stahls und dem Anteil an Legierungselementen muss die kritische Abkühlgeschwindigkeit berücksichtigt werden. Bei Unterschreitung der unteren kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit entsteht Martensit, während bei Erreichen oder Überschreiten der oberen kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit das resultierende Gefüge zu etwa 99 % aus Martensit besteht.
Anlassen des gehärteten Stahls
Beim Abschrecken entsteht in den äußeren Bereichen des Werkstücks (die schnell genug abkühlen) Martensit. Bei einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,6 % ist mit Restaustenit RA zu rechnen, da die Martensitfinishtemperatur Mf unter der Raumtemperatur liegt und nicht der gesamte Austenit in Martensit umgewandelt wird. Dieser Restaustenit unterliegt einer verzögerten Umwandlung und geht mit einer Volumenvergrößerung einher. Dies führt zu erheblichen Spannungen im Werkstück, die zu Verzug und Rissen führen können. Der abgeschreckte Stahl ist sehr hart und spröde und für technische Anwendungen ungeeignet. Im nächsten Schritt, dem Anlassen oder Tempern, kann die Härte des Stahls reduziert und die gewünschten Gebrauchseigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit eingestellt werden. Dabei wird der Stahl erneut erhitzt. Je höher die Anlasstemperatur, desto geringer ist die Härte, dafür nimmt die Zähigkeit zu. Das Anlassen wird je nach Legierungselementen und Kohlenstoffgehalt im Bereich von 100-350 °C (bei hochlegierten Stählen bis zu 600 °C) durchgeführt. Bei einigen hochlegierten Stählen wie Werkstoff 1.2379 mit 12 % Chromanteil tritt beim dritten Anlassen bei ca. 500 °C eine höhere Härte auf als beim ersten Anlassen (Sekundärhärtemaximum). Pulvermetallurgisch erzeugte Stähle (PM-Stähle) weisen dagegen eine einheitliche Anlasstemperatur auf, während die Gebrauchshärte über die Starttemperatur des Abschreckens eingestellt wird.
Kornfeinung
Die Kornfeinung ist eine Methode zur Steigerung der Festigkeit von metallischen Werkstoffen. Dabei wird durch geeignete Wärmebehandlung ein feineres und kleineres Korngefüge erzeugt. Neben der Festigkeit erhöht die Kornfeinung auch die Zähigkeit von metallischen Werkstoffen und verringert die Neigung zur Entstehung von Warmrissen.
Mischkristallverfestigung
In der Metallkunde werden Legierungen als Gemenge mit metallischem Charakter aus zwei oder mehr chemischen Elementen bezeichnet, von denen mindestens eines ein Metall ist. Die Eigenschaften von einphasigen Legierungen werden hauptsächlich durch die chemische Zusammensetzung bestimmt, während mehrphasige Legierungen zusätzlich durch die Verteilung der Phasen (Gefüge) beeinflusst werden. Um die Eigenschaften von Basismetallen zu verbessern, werden ihnen im schmelzflüssigen Zustand Legierungselemente zugegeben, die die gewünschten Werkstoffeigenschaften wie Härte und Korrosionsbeständigkeit verändern sollen. Beispiele für Metalllegierungen sind Bronze, Messing, Amalgam und Edelstahl.
Historisches
Schon in der Antike und im Mittelalter wurde versucht, Eisen und Stahl härter zu machen. Dabei griff man teilweise zu magischen Mitteln wie dem Einsatz von Eisenkraut.
Fazit
Das Härten von Stahl ist ein komplexer Prozess, der das Material widerstandsfähiger macht. Durch gezielte Veränderungen des Gefüges mittels Wärmebehandlung und schnellem Abkühlen können die gewünschten Eigenschaften wie Härte, Zugfestigkeit und Zähigkeit eingestellt werden. Die Auswahl des richtigen Härtungsverfahrens hängt von der jeweiligen Legierung und den gewünschten Eigenschaften des Werkstücks ab. Mit dem richtigen Wissen können Sie Stahl optimal härten und die gewünschten Ergebnisse erzielen.
