Wärmebe­handlung

Spannungs­armglühen

Durch Zerspanung, Schweißen oder Kalteinsenken entstehen Spannungen im Stahl. Beim Erhitzen auf die gewünschte Härtetemperatur können solche Spannungen sich im weichen, rotheißen Stahl ausgleichen und Formänderungen verursachen. Diese werden oft erst nach dem Härten festgestellt.

Der Hauptzweck des Spannungsarmglühens bei
550°C – 650°C ist das Ausgleichen bzw. der Abbau der inneren Spannungen. Von großer Bedeutung ist das nachfolgende, sehr langsame und kontrollierte Abkühlen, um Temperaturdifferenzen im Werkstück zu unterbinden.

Spannungsarmgluehen

Weichglühen

Das Weichglühen wird vorwiegend für Stähle mit einem höheren Kohlenstoffgehalt (> 0,7 %) und bei höher legierten Werkzeug- und Baustählen angewendet. Durch die Weich-glühung werden die lamellaren Perlits in eine kugelige Form überführt.

Diese Gefügeausbildung weist eine geringere Festigkeit des Stahls auf und bewirkt dadurch eine bessere Zerspanbarkeit und Eignung zum Kaltumformen bzw. Härten.

Stähle mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt eignen sich nicht zum Weichglühen, da sie bei spanender Bearbeitung zum „Schmieren“ neigen.

Weichglühen

Nitrieren

Nitrieren ist eine thermochemische Behandlung eines Stahls zur Erzeugung einer hochharten, verschleißbeständigen Randschicht. Dabei werden die Werkstücke in stickstoff-abgebender Umgebung, je nach Verfahren, auf Temperaturen zwischen 500°C und 550°C erwärmt. Nach der Wärmebehandlungsdauer von wenigen Minuten bis zu 100 Stunden wird langsam, bei unlegierten Stählen auch schnell, abgekühlt.

 

Beim Nitrieren diffundiert Stickstoff aus dem Nitriermittel in den Werkstoff. Die dadurch bedingten Erhöhungen der Härte und Verschleißbeständigkeit haben nachfolgende Ursachen:  

Am äußersten, stickstoffreichen Rand des Werkstücks bildet sich eine geschlossene, sehr harte Schicht aus Eisennitriden oder Nitriden der Legierungselemente.

  • In tieferen, stickstoffärmeren Bereichen scheiden sich Eisennitride oder Nitride der Legierungselemente aus. Die ausgeschiedenen Teilchen behindern den Verformungsprozess und führen auf diese Weise zu einer Härtesteigerung. Darüber hinaus sind einige Stickstoffatome auch auf Zwischengitterplätze in das Gitter des Ferrits eingelagert. Sie verursachen lokale Gitterverzerrungen, die den Verformungsprozess behindern und dadurch zur Härtesteigerung beitragen.

 

Das Nitrieren besitzt gegenüber dem Flamm- und Induktionshärten bzw. dem Einsatzhärten eine Reihe von Vorteilen:

  • Die Oberflächen nitrierter Bauteile weisen eine deutlich höhere Härte auf, da die Nitrierschicht härter ist als Martensit.
  • Nitrierschichten besitzen eine hohe Verschleißbeständigkeit, die jedoch nicht, wie man vermuten könnte, durch die  hohe Härte, sondern in erster Linie durch die folgenden Effekte verursacht werden:

·     niedriger Reibungswert der Nitrierschicht

·     geringe Neigung zur Adhäsion

·     chemische Inaktivität der Nitride bzw. der Nitrierschicht

.     hohe Abriebbeständigkeit der Nitrierschicht. Diese  

      Einflussgröße ist allerdings von der Härte der Ver-

      bindungs- bzw. Diffusionsschicht abhängig. Deren Dicke

      sollte daher mindestens 5 µm bis 15 µm betragen.

  • Nitrierschichten besitzen eine hohe Warmhärte, das heißt, die Härte der Oberflächenschicht bleibt auch bei höheren Temperaturen (bis nahe der Nitriertemperatur von etwa 500°C) erhalten.
  • Nitrierschichten tragen kaum auf. Daher können die Bauteile vor dem Nitrierhärten bereits weitgehend fertig bearbeitet werden.
  • Es tritt keine nennenswerte Maß- oder Formänderung auf, da die Werkstücke im Ofen langsam abkühlen und daher keine Gefügeumwandlung erfolgt.
  • Nitrierschichten besitzen eine gute Korrosions-beständigkeit. Insbesondere die kompakte, aus Nitriden bestehende Verbindungsschicht, hemmt aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts mögliche Reaktionen der Stahloberfläche mit dem umgebenden Medium.

Gasnitrieren

Nitrieren ist eine thermochemische Behandlung eines Stahls zur Erzeugung einer hochharten, verschleißbeständigen Randschicht. Dabei werden die Werkstücke in stickstoff-abgebender Umgebung, je nach Verfahren, auf Temperaturen zwischen 500°C und 550°C erwärmt. Nach der Wärmebehandlungsdauer von wenigen Minuten bis zu 100 Stunden wird langsam, bei unlegierten Stählen auch schnell, abgekühlt.

Beim Nitrieren diffundiert Stickstoff aus dem Nitriermittel in den Werkstoff. Die dadurch bedingten Erhöhungen der Härte und Verschleißbeständigkeit haben nachfolgende Ursachen:  

Am äußersten, stickstoffreichen Rand des Werkstücks bildet sich eine geschlossene, sehr harte Schicht aus Eisennitriden oder Nitriden der Legierungselemente.

  • In tieferen, stickstoffärmeren Bereichen scheiden sich Eisennitride oder Nitride der Legierungselemente aus. Die ausgeschiedenen Teilchen behindern den Verformungsprozess und führen auf diese Weise zu einer Härtesteigerung. Darüber hinaus sind einige Stickstoffatome auch auf Zwischengitterplätze in das Gitter des Ferrits eingelagert. Sie verursachen lokale Gitterverzerrungen, die den Verformungsprozess behindern und dadurch zur Härtesteigerung beitragen.

Das Nitrieren besitzt gegenüber dem Flamm- und Induktionshärten bzw. dem Einsatzhärten eine Reihe von Vorteilen:

  • Die Oberflächen nitrierter Bauteile weisen eine deutlich höhere Härte auf, da die Nitrierschicht härter ist als Martensit.
  • Nitrierschichten besitzen eine hohe Verschleißbeständigkeit, die jedoch nicht, wie man vermuten könnte, durch die  hohe Härte, sondern in erster Linie durch die folgenden Effekte verursacht werden:

·     niedriger Reibungswert der Nitrierschicht

·     geringe Neigung zur Adhäsion

·     chemische Inaktivität der Nitride bzw. der Nitrierschicht

.     hohe Abriebbeständigkeit der Nitrierschicht. Diese  

      Einflussgröße ist allerdings von der Härte der Ver-

      bindungs- bzw. Diffusionsschicht abhängig. Deren Dicke

      sollte daher mindestens 5 µm bis 15 µm betragen.

  • Nitrierschichten besitzen eine hohe Warmhärte, das heißt, die Härte der Oberflächenschicht bleibt auch bei höheren Temperaturen (bis nahe der Nitriertemperatur von etwa 500°C) erhalten.
  • Nitrierschichten tragen kaum auf. Daher können die Bauteile vor dem Nitrierhärten bereits weitgehend fertig bearbeitet werden.
  • Es tritt keine nennenswerte Maß- oder Formänderung auf, da die Werkstücke im Ofen langsam abkühlen und daher keine Gefügeumwandlung erfolgt.
  • Nitrierschichten besitzen eine gute Korrosions-beständigkeit. Insbesondere die kompakte, aus Nitriden bestehende Verbindungsschicht, hemmt aufgrund ihres hohen Kohlenstoffgehalts mögliche Reaktionen der Stahloberfläche mit dem umgebenden Medium.
Gasnitrieren

Härten und Anlassen

Härten ist das Erwärmen des Stahls auf Härtetemperatur und nachfolgendem Abkühlen mit solcher Geschwindigkeit, dass oberflächlich und durchgreifend eine erhebliche Härtesteigerung durch Martensitbildung eintritt.  

Überwiegend erfolgt das Härten in Verbindung mit einem nachfolgenden Wiedererwärmen, dem Anlassen.

In Abhängigkeit vom Werkstoff werden durch das Härten die Härte und Verschleißfestigkeit verbessert oder das Verhältnis von Zähigkeit und Festigkeit eingestellt.

Härten und Glühen

Aufkohlen

Aufkohlen ist ein thermochemisches Behandeln eines Werkstücks zum Anreichern der Randschicht mit Kohlenstoff.  

In kohlenstoffhaltiger Ofenatmosphäre wird es dabei längere Zeit bei Temperaturen von 880°C – 950°C im Gebiet des homogenen Austenits geglüht. Während des Vorgangs diffundiert kontinuierlich Kohlenstoff in die Oberflächen-bereiche des Stahls. Die Randschicht wird damit gut härtbar, während der Kern des Bauteils seine vorteilhafte Zähigkeit behält und verformungsfähig bleibt. 

Aufkohlen

Einsatzhärten

Kohlenstoffarme Stähle sind zäh, eignen sich hervorragend zur spanenden Bearbeitung und zum Schweißen, sind jedoch nicht martensitisch härtbar. Dabei wird in der Praxis gerade von diesen Stählen zusätzlich eine harte und verschleiß-beständige Oberfläche gefordert.

Ziel des hier zur Anwendung kommenden Einsatzhärtens ist eine harte, verschleißfeste Oberfläche bei gleichzeitig hoher Zähigkeit und Dehngrenze im Kernbereich.  

Es ist ein altes, auch heute noch häufig angewendetes Wärmebehandlungsverfahren. Dem eigentlichen Härte-prozess wird dabei ein Aufkohlen vorausgeschickt. Nach dem Einsatzhärten können die Werkstücke noch angelassen werden, um Spannungen abzubauen.

Vergüten

Das Vergüten ist ein kombiniertes Wärmebehandlungs-verfahren aus Härten und Anlassen bei höherer Temperatur (500°C – 650°C).

Ziel dieser Wärmebehandlung ist es, den Stahl in einen Zustand mit hohen Zähigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hoher Zugfestigkeit zu versetzen bzw. ein vorgegebenes Verhältnis dieser technologischen Eigenschaften einzustellen.

Vergüten