Härten (Eisenwerkstoff)
DasHärten(von mittelhochdeutschherten„hart machen, fest machen, hart/fest werden, härten “[1]) vonEisenwerkstoffen(StahlundGusseisen) oder dieEisenhärtungist ein Verfahren zur Erhöhung ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit durch gezielte Änderung und Umwandlung ihrerGefüge.Es kann durchWärmebehandlungmit anschließendemAbschrecken(schnelles Abkühlen) erfolgen. Wird ein Metall plastisch verformt, so bewegen sich im WerkstückVersetzungen.Um dieHärteundFestigkeitzu erhöhen, müssen Maßnahmen getroffen werden, die die Bewegung von Versetzungen behindern.
Betriebe oder Betriebsteile zur Durchführung von Härtearbeiten werden alsHärtereibezeichnet.
Wichtige Härtungsverfahren
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Umwandlungshärtung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Das wichtigste Härtungsverfahren ist die Umwandlungshärtung. Hierbei wird das Werkstück so weit erwärmt, dass sich das bei Raumtemperatur vorliegende α-Eisen (Ferrit) in γ-Eisen (Austenit) umwandelt. Im Austenit kann wesentlich mehr Kohlenstoff gelöst werden als im Ferrit (sieheEisen-Kohlenstoff-Diagramm). Durch Auflösung des vorhandenenZementits(Fe3C) geht dessen Kohlenstoff im Austenit in Lösung. Schreckt man diesen kohlenstoffreichen Austenit nun ab, kann durch die kinetische Hemmung (Diffusionbraucht Zeit) keine Umwandlung in Ferrit und Zementit stattfinden. Das Eisengitter kann aufgrund der "eingeklemmten" Kohlenstoffatome nicht mehr in das kubisch-raumzentrierte α-Eisen übergehen. Es klappt stattdessen in eintetragonal-verzerrteskubisch-raumzentriertes Gitter (Martensit) um, das durch den Kohlenstoffverspanntist. Eine wichtige Rolle bei dieser Art der Härtung spielt die Abkühlgeschwindigkeit. Je größer die Unterkühlung (Temperaturdifferenz), desto mehr Martensit bildet sich. Gesteuert wird die Umwandlungsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Abkühlmedien (Wasser, Öl, Luft oder reines Gas). Weiterhin wichtig ist die chemische Zusammensetzung des Stahls. Kohlenstoff trägt wegen seiner hohenDiffusionsgeschwindigkeithauptsächlich zur Aufhärtbarkeit bei, diesubstitionellenLegierungselemente wie Chrom dagegen bestimmen dieEinhärtbarkeitdes Werkstoffs. So kann bei kleinen Bauteilen/großen Abschreckgeschwindigkeiten eine Durchhärtung über den gesamten Querschnitt des Werkstücks erreicht werden. Um gehärtet werden zu können, muss ein Stahl mindestens 0,2 % Kohlenstoff enthalten. Im industriellen Bereich wird zur Vermeidung von Randoxidation undEntkohlungwährend der Aufwärmphase bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur von 723 °C häufig unterSchutzgasatmosphärewie Stickstoff, Edelgasen oder imVakuumgearbeitet.[2]DasEinsatzhärtenist eine Form desOberflächenhärtens,bei dem in die Randbereiche eines ansonsten kohlenstoffarmen Werkstücks vor dem Abschrecken zusätzlicher Kohlenstoff eingebracht wird ("Aufkohlen"), was zu einer harten Randschicht führt, während der Kern zäh bleibt.
Ausscheidungshärtung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsbildung besteht darin, dass die beteiligten Elemente zwar einen gemeinsamen Kristall bilden, der jedoch keinemKristallsystemder Basiselemente ähnelt. Es entsteht ein eigenes Kristallsystem, das im Gegensatz zu denen von reinen Metallen sehr kompliziert aufgebaut ist. Solche Verbindungen sind zudem sehr hart und spröde. Außerdem erfordern diese Kristalle ein festes Atomzahlenverhältnis. Eine Legierung mitintermediärer Kristallbildung,deren Legierungselemente ausschließlich Metalle sind, nennt manintermetallische Verbindungoder auchIntermetallische Phase. Beispiele für intermediäre Kristallisation sind Al2Cu, Mg2Si, Cu4Sn und Ni3Al (sieheNickelbasis-Superlegierungen). Die Kristallisationsformel gleicht der Formel für chemische Verbindungen, welche aber im Gegensatz zu Legierungen eine völlig andereVerbindungsartaufweisen. Das gängigste Verfahren zur Einbringung von Fremdatomen ist dasLegieren.Im Stahl können Fremdatome auch durchNitriereneingebracht werden.Carbonitrierenist eine Mischform des Ausscheidungs- und Umwandlunghärtens.
Vorteile insbesondere des Nitrierens gegenüber Verfahren der Umwandlungshärtung sind eine höhere Wärmebeständigkeit (bis 600 °C, während martensitisches Gefüge bereits ab etwa 150 °C zerfällt) und die Nichtverformung des Bauteils durch den Härtevorgang, so dass vor dem Härten fertigbearbeitet werden kann. Nachteile sind lange Glühzeiten und die teilweise Giftigkeit der benötigten Chemikalien.[3]
Kaltverfestigung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Durch Erhöhung der Versetzungsdichte im Gefüge werden die Gleitvorgänge behindert. Dies erhöht die Festigkeit und wird daher Kaltverfestigung genannt. Kaltverfestigung wird besonders bei Buntmetalllegierungen (z. B. Bronze) undMischkristalllegierungenausgenutzt.
Härten durch Abschrecken
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Zwei der oben erwähnten Verfahren bestehen aus einemErwärmenbis zu einer werkstoffabhängigenTemperatur,demAufrechterhaltender Temperatur der Werkstücke und anschließendem sehr raschem Abkühlen (Abschrecken) unter Beachtung derkritischen Abkühlgeschwindigkeit.
Das Erwärmen erfolgt im Ofen,induktivoder durch Eintauchen in eine Salzschmelze (Härtesalz,auchGütesalz,Kaliumchlorid).
Als Abschreckmedium dient unter anderem Wasser, welchem ggf. entsprechende Zusätze beigegeben werden, die die Oberflächenspannung des Wassers verändern, um das Auftreten desLeidenfrost-Effekts(die isolierende Dampfschicht unter dem Wassertropfen auf einer sehr heißen Herdplatte) zu unterdrücken. Als weitere Abschreckmedien dienen Öl, Salzbad, wässrige Polymerlösungen (z. B.Polyvinylpyrrolidon), Luft oder Gase, z. B.Stickstoff(N2) oderArgon(Ar) (letzteres beimHärten im Vakuum). Nur Stähle mit mehr als 0,35 % Kohlenstoff (C) sind zu solchem Härten geeignet.
Gänzlich ohne Abschreckmedien funktioniert die Härtung mit demLaserstrahloder mit demElektronenstrahl.Hierbei wird jeweils nur ein kleiner Bereich einer dünnen Oberflächenschicht erhitzt und die notwendige sehr schnelle Abkühlung erfolgt durch die Abfuhr der Wärme in das Werkstück (Selbstabschreckung). Diese Prozesse laufen mit sehr hoher Geschwindigkeit ab. Mit den Strahlverfahren lassen sich Werkstücke lokal behandeln, ohne das gesamte Werkstück zu erhitzen.
Ein weiteres Verfahren ist das Induktionshärten. Dabei bringt man vor allem bei kompliziert geformtenWerkstückenlediglich bestimmte Bereiche auf die erforderliche Härtetemperatur (partiellesHärten), um sie anschließendabzuschrecken.Wenn dieWärmeschnell genug in den Rest des noch kalten Werkstücks abfließen kann, ist kein Abschrecken nötig. BevorzugteVergütungsstähleerreichenHärtewerte,die konventionellem Härten nahekommen. In Sachen Genauigkeit, Steuerbarkeit und Zugänglichkeit wird das Induktionshärten nur durch dasLaser-undElektronenstrahlhärtenübertroffen.
Induktives Härten dient vorwiegend derWerkzeugherstellung.Beispielsweise wird nur dieSchneideinduktiv gehärtet, da sie eine höhere Härte benötigt als der Rest. Das Verfahren wird auch bei der Herstellung von Sägen eingesetzt; hier werden nur die Zähne gehärtet.
Physikalische Hintergründe
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Basis der Wärmebehandlung ist dasPhasendiagrammfür Stahl. Es zeigt grafisch an, welche Temperaturen bis zur Erwärmung im so genanntenAustenitgebieterforderlich sind. Diese liegen oberhalb einer charakteristischen Linie im Phasendiagramm, dessen Temperaturwerte alsUmwandlungspunkteA3 bzw. A1 gekennzeichnet sind. Sie liegen bei 723 °C oder höher.
Je nach Legierung des Stahls bzw. dem Anteil anLegierungselementenimStahlmuss die kritische Abkühlgeschwindigkeit berücksichtigt werden, bei Überschreiten der unteren kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit entsteht erstmals Martensit, beim Erreichen oder Überschreiten der oberen kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit besteht das resultierende Härtungsgefüge zu ca. 99 % aus Martensit.
Anlassen des gehärteten Stahls
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Beim Abschrecken bildet sich in den Außenbereichen (die schnell genug abkühlen)Martensit.Ab einem Kohlenstoffanteil von 0,6 % ist mitRestaustenitRA zu rechnen, da die Martensitfinishtemperatur Mfunter der Raumtemperatur liegt und so nicht das gesamte Austenit in Martensit umgewandelt wird. Die Umwandlung dieses sog. Restaustenits erfolgt verzögert und wird von einer Volumenvergrößerung begleitet. Dies führt zu beträchtlichen Spannungen im Werkstück.VerzugundRissekönnen die Folge sein.
In diesem nur abgeschreckten 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 genanntenAnlassen,auch Tempern genannt, kann die Härte vermindert und es können die gewünschten Gebrauchseigenschaften (Härte,ZugfestigkeitundZähigkeit) des Stahls eingestellt werden. Dabei wird der Stahl, je nach Legierungsanteilen und gewünschten Eigenschaften, nochmals erwärmt. Es 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 bis 350 °C, bei hochlegierten Stählen bis 600 °C durchgeführt. Einige höher legierte Stähle (z. B. Werkstoff 1.2379 mit 12 % Chromanteil) haben ein recht kompliziertes Anlassverhalten: sie erreichen nämlich beim dritten Anlassen mit ca. 500 °C eine höhere Härte als beim ersten Mal (Sekundärhärtemaximum). Beipulvermetallurgischerzeugten (PM-)Stählen wird die Gebrauchshärte jedoch über die Starttemperatur beim Abschrecken eingestellt, das Anlassen erfolgt bei einheitlichen Temperaturen.
Den kombinierten Vorgang des Härtens und Anlassens bezeichnet man alsVergüten.
Kornfeinung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Kornfeinung ist eine Möglichkeit zum Erhöhen derFestigkeitmetallischerWerkstoffe. Es handelt sich dabei um die Erzeugung eines feineren, kleineren Korns imGefügedurch geeigneteWärmebehandlung.
Die Kornfeinung erhöht neben der Festigkeit auch dieZähigkeitvon metallischen Werkstoffen. Dies verringert u. a. die Neigung des Stahls zur Entstehung von Warmrissen.
Mischkristallverfestigung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]In derMetallkundeist eineLegierungeinGemengemitmetallischem Charakteraus zwei oder mehrchemischen Elementen,von denen mindestens eines einMetallist. Das Legierungselement kann mit dem Grundelement eine festeLösungbilden (einphasige Legierung) oder es bilden sich mehrerePhasen.Während bei einphasigen Legierungen die Eigenschaften im Wesentlichen durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, werden diese bei mehrphasigen Legierungen zusätzlich maßgeblich durch die Verteilung der Phasen (Gefüge) beeinflusst. Basismetall und Legierungselemente werden auch Komponenten einer Legierung genannt. Um Metalle alsWerkstoffbesser nutzen zu können, werden ihnen bestimmte Elemente (Legierungselemente) im schmelzflüssigen Zustand zugefügt, die dieWerkstoffeigenschaften(etwaHärte,Korrosionsbeständigkeit) der „Basismetalle “auf die gewünschte Weise ändern sollten. Beispiele für Metalllegierungen sindBronze,Messing,Amalgam,Duraluminium.
Durchhärtung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Ein in der Praxis öfter auftretender Anwendungsfall stellt dasDurchhärtenvon Stahl dar. Davon spricht man, wenn der Vorgang desmartensitischenHärtens über den gesamten Materialquerschnitt erfolgen soll. Eine Durchhärtung ist bei größeren Abmessungen desWerkstücksnur dann gewährleistet, wenn auch im Werkstückinneren für die Abkühlgeschwindigkeit stets ein kritischer Wert überschritten bleibt.[4]Bei der martensitischen Härtung hängen die erreichbaren Härte- und Festigkeitswerte von der Austenitisierungstemperatur und -dauer, von der Stahlzusammensetzung, von der Abkühlgeschwindigkeit und von den Werkstückabmessungen ab.[4]Die kritische Abkühlgeschwindigkeit lässt sich durch die Wahl der zum Stahl zugegebenenLegierungselementein weiten Grenzen beeinflussen.[4]
Härtbare Stähle (Beispiele)
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Auf üblichem Weg härtbare Stähle
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]| Werkstoff-Nr. | DIN-Bezeichnung | Härtetemperatur (°C) | Abschreckmedium | Anwendung |
|---|---|---|---|---|
| 1.1525 | C 80 W1 | 780-810 | Wasser | Gesenke, Handmeißel, Messer |
| 1.1620 | C 70 W2 | 790-820 | Wasser | Maschinenmeißel |
| 1.1740 | C 60 W | 800-830 | Öl | Aufbauteile für Werkzeug, Schäfte von Verbundwerkzeugen |
| 1.1830 | C 85 W | 800-830 | Öl | Holzsägen, Mähmaschinenmesser |
| 1.2067 | 100 Cr 6 | 790-820 | Öl | Holzbearbeitung, Blechumformung |
| 1.2210 | 115 CrV 3 | 760-810 | Wasser | Gewindebohrer, Senker, Stemmeisen |
| 1.2436 | X 210 CrW 12 | 950-980 | Luft | Schneidwerkzeuge, Räumnadeln, Gewindewalzwerkzeuge |
| 1.2842 | 90 MnCrV | 790-820 | Öl | Blechbearbeitung: Schneidplatten und Stempel |
Stähle zum Einsatz anderer Härtverfahren
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]| Werkstoffnummer | DIN-Bezeichnung | Härte (HRC) | Verfahren | Anmerkung |
|---|---|---|---|---|
| 1.4112 | X90CrMoV18 | 58-60 | Plasmanitrieren | verschleißfest, rostfrei |
| 1.4034 | X46Cr13 | 52-55 | Vakuumhärten | korrosionsbest. gegen Wasser |
| 1.4125 | X105CrMo17 | 56-60 | Induktionshärten | rostfrei, Messerstahl |
| 1.4301 | X5CrNi1810 | 59 | Plasmanitrieren | säurebeständig, rostfrei |
| 1.3505 | 100Cr6 | 60-64 | Randschichthärten | verschleißfest, Kugellagerstahl |
| 1.2344 | X40CrMoV5-1 | 50-55 | Vakuumhärten | hohe Wärmefestigkeit, hohe Zähigkeit |
| 1.7131 | 16MnCr5 | 60-64 | Einsatzhärten | hohe Festigkeit, schweißbar |
Historisches
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Bereits in der Antike und im Mittelalter wurden Versuche unternommen, Eisen bzw. Stahl härter zu machen.[5][6]Hierzu wurde auch zu vermeintlich magischen Mitteln gegriffen, wie der Verwendung vonEisenkraut[7]und anderen Pflanzen bzw. Pflanzensäften.[8]
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Aufkohlen
- Vergüten (Metallbearbeitung)
- Carbonitrieren
- Induktivhärten
- Kolsterisieren
- Konduktionshärten
- Randschichthärten
Weblinks
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Industrieverband Härtetechnik Infoblätter
- Stahl von A bis Z
- Crystec Technology Trading GmbH, Thermische Behandlung von Stahl
- Informationsportal Abfallbewertung (IPA),LANUVu. a. Abfallbehörden:Abfallsteckbrief "1103 Schlämme und Feststoffe aus Härteprozessen"
Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑Jürgen Martin:Die ‚Ulmer Wundarznei‘. Einleitung – Text – Glossar zu einem Denkmal deutscher Fachprosa des 15. Jahrhunderts.Königshausen & Neumann, Würzburg 1991 (=Würzburger medizinhistorische Forschungen.Band 52),ISBN 3-88479-801-4(zugleich Medizinische Dissertation Würzburg 1990), S. 138.
- ↑Schutzgashärten & Vergüten Fa. Härtereitechnik GmbH.Abgerufen am 4. Dezember 2013.
- ↑Catrin Kammer, Hans Krämer, Volker Läpple, Johann Scharnagl:Werkstoffkunde für Praktiker,Europa, 2000,ISBN 3-8085-1325-X,S. 67 f.
- ↑abcEckard Macherauch, Hans-Werner Zoch:Praktikum in Werkstoffkunde.11., vollst. überarb. u. erw. Aufl., Vieweg-Teubner, Wiesbaden 2011, S. 215–220, darin insbes. auf S. 215
- ↑Hans-Peter Hils:„Von dem herten “. Reflexionen zu einem mittelalterlichen Eisenhärtungsrezept.In:Sudhoffs Archiv69, 1985, S. 62–75.
- ↑Emil Ploß:Wielands Schwert Mimung und die alte Stahlhärtung.In:Beiträge zur Geschichte der deutschen Sprache und Literatur.Band 79, (Tübingen) 1957, S. 110–128.
- ↑Das Feuerwerksbuch von 1420. 600 Jahre deutsche Pulverwaffen und Büchsenmeisterei.Neudruck des Erstdrucks aus dem Jahre 1529. Mit Übertragung ins Hochdeutsche und Erläuterungen von Wilhelm Hassenstein. Verlag der Deutschen Technik, München 1941, S. 77.
- ↑Hans-Peter Hils:Von dem härten. Reflektionen zu einem mittelalterlichen Eisenhärtungsrezept.In:Sudhoffs Archiv.Band 69, 1985, S. 62–75.