Das Härten von Stahl ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem der Stahl auf die richtige Temperatur erwärmt, gehalten und anschließend schnell abgekühlt wird, um seine Härte und Festigkeit zu erhöhen. Dadurch verlängert das Härten von Stahl die Lebensdauer von Werkzeugen, Zahnrädern und anderen Teilen, die Abrieb ausgesetzt sind. Im Folgenden erklären wir, worin das Härten von Stahl besteht, wie Erwärmen, Abkühlen und Anlassen ablaufen, welche Arten des Härtens es gibt und wann es sich lohnt, es an einen Auftragnehmer zu vergeben.
Inhaltsverzeichnis:
- Was ist das Härten von Stahl?
- Wie läuft der Prozess des Stahlhärtens ab?
- Arten des Stahlhärtens
- Welche Stähle lassen sich härten?
- Eigenschaften von Stahl nach dem Härten
- Härten, Glühen und Anlassen – worin liegt der Unterschied?
- Die häufigsten Probleme beim Stahlhärten
- Stahlhärten und CNC-Bearbeitung
- Anwendungen von gehärtetem Stahl
- Wann lohnt es sich, das Stahlhärten zu vergeben?
- Stahlhärten – FAQ
Was ist das Härten von Stahl?
Das Härten ist ein Wärmebehandlungsverfahren für Stahl. Es besteht darin, den Stahl auf Austenitisierungstemperatur zu erwärmen, bei dieser Temperatur zu halten und schnell abzukühlen. Bei schneller Abkühlung entsteht im Stahl ein hartes Gefüge, das Martensit genannt wird, deshalb wird der Stahl härter und fester. Die Abkühlgeschwindigkeit bestimmt das Gefüge: Bei langsamerer Abkühlung entstehen weichere Gefüge, und bei schnellem Abschrecken erreicht der Stahl hohe Härte. Das Härten erhöht Härte und Festigkeit, macht das Metall aber zugleich spröder, deshalb besteht sein Ziel darin, die mechanischen Eigenschaften kontrolliert zu verbessern. Bei höheren Temperaturen wandelt sich Stahl in Austenit um, und beim schnellen Abschrecken wird Austenit zu Martensit.
Das Härten von Stahl erfolgt meist an einem fertigen oder fast fertigen Teil, nicht an einem Rohblock. Das Härten eines ganzen Blocks ist nicht wirtschaftlich, weil ein großer Teil des Materials bei der Bearbeitung abgetragen wird. Gehärteter Stahl ist außerdem schwerer zu bearbeiten, weil die hohe Härte die Arbeit der Schneidwerkzeuge erschwert.
Wie läuft der Prozess des Stahlhärtens ab?
Das Härten besteht aus drei Phasen: Erwärmen und Halten, schnelles Abkühlen sowie Anlassen. Jede von ihnen beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des fertigen Teils, deshalb erfordert sie die Kontrolle von Temperatur und Zeit. Die Änderung jedes Parameters verändert Härte, Festigkeit und Verzugsrisiko.
Erwärmen und Halten
Das Härten von Stahl erfolgt bei Temperaturen von 800 °C bis 1000 °C, und hochlegierter Stahl kann sogar bis 1300 °C gehärtet werden. Das Härten von Stahl erfordert eine präzise Temperaturkontrolle, weil die Austenitisierungstemperatur die Struktur des Martensits beeinflusst. Eine zu niedrige Temperatur ergibt nicht die volle Härte, und Überhitzung kann zu einem schlechteren Gefüge und zu Rissen führen. Beim Halten muss das Teil im gesamten Querschnitt eine einheitliche Temperatur erreichen, aber eine zu lange Zeit bei hohen Temperaturen verschlechtert die Eigenschaften des Stahls.
Abkühlen
Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst, ob im Stahl Martensit entsteht. Je schneller die Abkühlung, desto größer die Härte, aber auch die Spannungen. Das Abkühlen erfolgt in einem Kühlmedium, meist in Wasser oder Öl. Das Härten in Wasser ist eine der ältesten Methoden und liefert eine sehr schnelle Abkühlung, erhöht aber die Spannungen und das Risiko von Rissen. Das Härten in Öl minimiert das Risiko von Rissen im Stahl, deshalb wird es für Teile mit komplizierten Formen gewählt. Die Wahl des Kühlmediums hängt von der Stahlart und der Form des Teils ab, und bei legierten Stählen genügt oft eine mildere Abkühlung, weil Legierungselemente die Bildung von Martensit erleichtern. Für jede Stahlart gibt der Werkstoffhersteller die empfohlene Temperatur und die Art der Abkühlung an.
Anlassen
Nach dem Härten ist der Stahl sehr hart, aber spröde und bricht bei Schlag leichter. Das Anlassen besteht im erneuten Erwärmen des gehärteten Stahls auf eine niedrigere Temperatur und verringert die Sprödigkeit und die inneren Spannungen. In der Praxis ist das Anlassen ein unverzichtbarer Bestandteil des Prozesses: Härten und Anlassen werden immer zusammen angewendet, weil der Stahl erst nach dem Anlassen gute Festigkeit und Schlagzähigkeit hat. Das Anlassen stellt einen Teil der Zähigkeit wieder her, auf Kosten eines geringen Härteverlusts.
Arten des Stahlhärtens
Die wichtigsten Methoden des Stahlhärtens sind das Durchhärten und das Oberflächenhärten. Die Wahl der Methode hängt von der Stahlsorte und den Anforderungen an die Eigenschaften ab, und dem Härteprozess werden Teile unterzogen, von denen hohe Härte erwartet wird.
Normales Härten (Durchhärten)
Das Durchhärten besteht im Erwärmen des gesamten Querschnitts des Teils und im schnellen Abkühlen. Das normale Härten ergibt hohe Härte im gesamten Volumen des Teils und eignet sich für Werkzeuge und kleine Teile.
Oberflächenhärten
Das Oberflächenhärten verbessert die mechanischen Eigenschaften des Stahls an der Oberfläche, während der Kern des Teils zäher bleibt. Dadurch hat das Teil hohe Abriebfestigkeit und hält zugleich Stoßbelastungen stand. Zum Oberflächenhärten gehören unter anderem das Induktionshärten und das Flammhärten.
Das Induktionshärten besteht im schnellen Erwärmen der Oberfläche mit Induktionsströmen. Das Flammhärten verwendet einen Gasbrenner zum Erwärmen des Stahls. In beiden Fällen erfasst die Erwärmung nur die äußere Schicht, danach folgt eine schnelle Abkühlung.
Stufenhärten
Das Stufenhärten verringert die Gefügespannungen im Stahl. Nach schneller Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur wird das Teil eine gewisse Zeit bei dieser Temperatur gehalten und erst danach zu Ende abgekühlt. Dadurch steigt die Sicherheit des Prozesses bei komplizierten Formen.
Isothermes Härten
Das isotherme Härten besteht darin, den Stahl bei konstanter Temperatur zu halten, bis die Umwandlung abgeschlossen ist. Diese Art des Härtens verringert das Risiko von Verzug und Rissen, und der Stahl hat eine gute Zähigkeit.
Welche Stähle lassen sich härten?
Ob sich ein Stahl härten lässt, entscheidet vor allem der Kohlenstoffgehalt. Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt gewinnt durch das Härten wenig, deshalb lässt sich gewöhnlicher Stahl nur härten, wenn er genug Kohlenstoff hat. Werkzeugstähle und viele legierte Stähle lassen sich gut härten. Baustahl kann gehärtet werden, wenn er einen ausreichenden Kohlenstoffgehalt hat. Das gilt zum Beispiel für Wellen und Getriebeteile. Zahnräder werden häufig oberflächengehärtet, weil die Zähne eine harte Oberfläche und einen schlagfesten Kern haben müssen. Legierungselemente verändern das Verhalten des Stahls beim Abkühlen, deshalb werden für einen bestimmten Stahl eigene Parameter gewählt.
Rostfreier Stahl lässt sich nur härten, wenn er ein martensitisches Gefüge hat. Die übrigen Sorten gewinnen durch Härten keine Härte, deshalb muss man, wenn man rostfreien Stahl härten möchte, die Sorte prüfen. Die Korrosionsbeständigkeit hängt von der Stahlsorte ab, nicht vom Härten selbst, deshalb muss sie nach dem Härten für die jeweilige Sorte gesondert beurteilt werden. Vor der Beauftragung sollten Sie daher Stahlart und Sorte angeben und im Zweifel die Zusammensetzung in den Werkstoffzeugnissen prüfen.
Eigenschaften von Stahl nach dem Härten
Das Härten erhöht die Härte des Stahls und macht ihn verschleiß- und abriebfest. Das Härten erhöht die mechanische Festigkeit des Stahls unter Belastung, und gehärtete Teile haben dank größerer Verschleißfestigkeit eine längere Lebensdauer. Die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen verlängert sich dank des Härtens.
Zu harter Stahl kann spröde sein und bricht bei Schlag leichter, deshalb wird nach dem Härten angelassen. Das Härten schützt für sich genommen nicht vor Korrosion: Die Korrosionsbeständigkeit sichert die Zusammensetzung des Stahls, zum Beispiel rostfreier Stahl, und nicht die Härte allein. Beim schnellen Abkühlen können außerdem Verformungen und Verzug des Teils entstehen, deshalb ist nach dem Härten oft Schleifen nötig.
Härten, Glühen und Anlassen – worin liegt der Unterschied?
Härten, Glühen und Anlassen sind verschiedene Wärmebehandlungsverfahren für Metall. Das Härten erhöht Härte und Festigkeit, das Glühen macht den Stahl weich, verringert Spannungen und verbessert die Zähigkeit, und das Anlassen folgt auf das Härten und verringert die Sprödigkeit. Bei Stahl bedeutet der allgemeine Begriff „Aushärten“ meist gerade das Abschreckhärten.
Das Glühen kann vor dem Härten nötig sein, wenn der Stahl weicher gemacht, die Zerspanung erleichtert oder Spannungen nach früheren Arbeitsgängen verringert werden sollen. Die Verringerung der Spannungen verringert auch das Verzugsrisiko beim späteren Härten.
Die häufigsten Probleme beim Stahlhärten
Die häufigsten Probleme sind Rissbildung, Verformung und Verzug des Teils. Die Rissbildung entsteht durch Spannungen: Die Entstehung von Spannungen hängt vom Querschnitt ab, weil Teile mit wechselndem Querschnitt ungleichmäßig abkühlen. Um sie zu begrenzen, werden das Härten in Öl, das Stufenhärten und das Anlassen unmittelbar nach dem Härten eingesetzt. Überhitzung verschlechtert das Gefüge des Stahls, und zu langes Halten bei hoher Temperatur schwächt die Festigkeit. Deshalb erfordert richtiges Härten Erfahrung und Kontrolle der Parameter.
Stahlhärten und CNC-Bearbeitung
Bei der CNC-Bearbeitung ist das Stahlhärten meist ein abschließender Arbeitsgang. Ein typischer Prozess ist Fräsen oder Drehen, Härten und anschließendes Fertigbearbeiten. Nach dem Härten erschwert die Härte die Zerspanung, deshalb werden die Teile durch Schleifen oder Funkenerosion fertig bearbeitet. Mehr zu diesen Schritten auf den Seiten über Wärmebehandlung, CNC-Schleifen und Funkenerosion.
Anwendungen von gehärtetem Stahl
Gehärteter Stahl wird in der Werkzeugindustrie verwendet. Im Maschinenbau wird gehärteter Stahl für Getriebe und Zahnräder eingesetzt. Gehärteter Stahl ist auch bei der Herstellung von Automobilteilen entscheidend. Das Härten von Stahl erhöht seine Verschleißfestigkeit, deshalb ist es ein unverzichtbarer Bestandteil vieler Technologien.
Wann lohnt es sich, das Stahlhärten zu vergeben?
Es lohnt sich, das Härten zu vergeben, wenn ein Teil unter hoher Belastung arbeiten soll, Abrieb ausgesetzt ist oder eine längere Lebensdauer haben soll. Die Vergabe an einen Auftragnehmer, der Wärmebehandlung mit Fräsen, Drehen und Schleifen verbindet, verkürzt den Weg vom Werkstoff zum fertigen Teil. Es lohnt sich auch, mit dem Auftragnehmer zu klären, ob das Teil nach dem Härten geschliffen wird, weil davon die Bearbeitungszugaben abhängen. Für ein Angebot genügt eine technische Zeichnung mit Angabe von Stahlsorte, geforderter Härte und Stückzahl.
Stahlhärten – FAQ
Worin besteht das Härten von Stahl?
Das Härten von Stahl besteht im Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur, im Halten und im schnellen Abkühlen, was Härte und Festigkeit erhöht. Nach dem Härten wird angelassen.
Wie härtet man Stahl richtig?
Man muss den Stahl auf die richtige Temperatur erwärmen, halten, in einem geeigneten Medium abkühlen und anlassen. Richtiges Härten erfordert Temperaturkontrolle und die Wahl der Parameter passend zur Stahlsorte.
Lässt sich gewöhnlicher Stahl härten?
Gewöhnlicher Stahl lässt sich härten, wenn er einen ausreichenden Kohlenstoffgehalt hat. Stahl mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt erreicht keine hohe Härte.
Wie wird Stahl gehärtet?
Der Stahl wird auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und dann in Wasser oder Öl schnell abgekühlt. Zu den Methoden gehören das Durchhärten, das Oberflächenhärten, das Stufenhärten und das isotherme Härten.