Gourt Home::Gourt :: Härten (Stahl)
Das Härten von Stahl ist eine Erhöhung seiner mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung seines Gefüges. Es erfolgt durch Wärmebehandlung mit anschließendem schnellen Abkühlen und zählt zum Fertigungsverfahren "Stoffeigenschaften ändern".
Drei wichtige Härtungsverfahren
Das wichtigste Härtungsverfahren ist die Umwandlungshärtung, bei der sich das Kristallgitter im Außenbereich des Werkstücks von Austenit in den hart-spröden, feinnadeligen Martensit umwandelt. Sie ist nur bei Werkstoffen mit mehr als 0,2% Kohlenstoff möglich, die beim Abkühlen die sog. (γ/α)-Umwandlung durchmachen. Der im Eisen gelöste Kohlenstoff kann dabei nicht mehr ausdiffundieren und verspannt das Ferritgitter. Die Geschwindigkeit der nötigen Abschreckung hängt von der allfälligen Legierung des Stahls ab (Cr, Ni, Mn ) und erfolgt mit Wasser, Öl oder Luft.
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 versteift.
Thermisch gemäßigter verläuft auch die neue Härtemethode mit Laser.
Härten durch Abschrecken
Zwei der o.e. Verfahren bestehen aus einem Erwärmen bis zu einer werkstoffabhängigen Temperatur, dem Aufrechterhalten der Temperatur der Werkstücke und dem anschließenden raschen Abkühlen (Abschrecken) unter Beachtung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit.
Als Abschreckmedien dienen unter anderem Wasser, Öl, Salzbad, Luft oder Gase, z.B. Stickstoff (N2) oder Argon (Ar) (letzteres beim Härten im Vakuum). Nur Stähle mit mehr als 0,2% 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 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 eine Außenschicht von Martensit, während sich in der Mitte des Werkstückes (Kern) das Gefüge noch im Zustand des Austenits befindet. Die Umwandlung des Kern-Austenits erfolgt verzögert und wird von einer Volumenvergrösserung begleitet. Dies führt zu beträchtlichen Spannungen im Werkstück. Verzug und Risse können die Folge sein. In diesem 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, 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. Dadurch 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. Der kombinierte Vorgang des Härtens und des Anlassens nennt man ebenfalls Härten.
Wenn beim kombinierten Vorgang Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 % und 0,6 % „hoch“ angelassen wird, spricht man von Vergüten. Beim Vergüten sind die Anlasstemperaturen mit 400 °C bis 700 °C deutlich über dem oben genannten Temperaturbereich. Dieser Vorgang dient dem Erzeugen einer feinkörnigen und damit zähen Struktur. Die eigentliche Härte ist dabei aber weitgehend zunichte gemacht.
Weblinks
Stahl | Stoffeigenschaften ändern | Metallverarbeitung | Umformen
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