Stahl ist weltweit ein äußerst wichtiger Werkstoff. Die Kombination von Eisen und Kohlenstoff ergibt eine extrem starke Legierung, aus der Gebäude, Autotanks und Infrastrukturen im Allgemeinen bestehen. Eine dieser Eigenschaften ist die Härte, d. h. die Widerstandsfähigkeit gegen Verformung durch Eindrücken, Stöße oder Verschleiß. Denken Sie daran, dass Stahl eine Härte hat, die für bestimmte Tätigkeiten nicht immer ausreichend ist. Um dieses Problem zu lösen, wurden Methoden entwickelt, um die Härte und andere Eigenschaften von Stahl deutlich zu erhöhen. Die Methoden, über die wir sprechen, betreffen das Härten von Stahl. Warum ein Kühlbad verwenden? Welche Methode hat die beste Abkühlungsrate? Kann eine dauerhafte Verformung des gehärteten Bauteils erreicht werden? Über die Technik selbst, ihre Vorteile und Auswirkungen schreiben wir weiter unten!
Was bedeutet Härten von Stahl?
Die Oberflächenhärtung von Stahl wird in der Regel am Endprodukt und nicht am Rohmaterial durchgeführt. Bei der CNC-Bearbeitung ist das Härten von Stahl ein Endbearbeitungsprozess, der am Werkstück durchgeführt wird. Dies liegt daran, dass das Härten eines ganzen Stahlblocks nicht wirtschaftlich ist, da ein großer Teil des Stahls bei der Bearbeitung entfernt wird. Außerdem ist gehärteter Stahl schwieriger zu bearbeiten, da die Härte des Werkstücks das Eindringen des Werkzeugs erschwert.
Innere Strukturen in Stahl und ihre Härte
Beachten Sie, dass Stahl je nach Anwendung unterschiedliche Zusammensetzungen haben kann. Das Besondere daran ist seine innere Struktur. Da die Nachfrage nach höherfesten Metallen steigt, muss Stahl gehärtet werden. Stahl in seiner einfachsten Form hat eine relativ geringe Festigkeit und Härte. Durch Änderung der Struktur können wir jedoch eine stärkere Version schaffen. Das Härten von Stahl erhöht seine Härte und Zähigkeit. Was die interne Struktur betrifft, so sollten diese Konzepte vorgestellt werden:
Martensit
Dies ist die härteste Form der inneren Kristallstruktur von Stahl, bei der eine martensitische Umwandlung stattfindet. Beim schnellen Abkühlen von austenitischem Eisen bildet sich Martensit. Durch die schnelle Abkühlung wird der Kohlenstoff im Mischkristall eingeschlossen, wodurch das Teil aushärtet. Martensit hat eine nadelförmige Mikrostruktur, die wie linsenförmige Platten aussieht, die die Körner der Grundphase voneinander trennen und immer in Kontakt stehen, sich aber nie überschneiden.
Austenit
Austenit ist nach Martensit das zweithärteste Stahlgefüge im inneren Bereich. Er bezieht sich auf eine Eisenlegierung namens Gamma-Eisen. Sie tritt in der Regel unter 1500°C und über 723°C auf.
Perlit
Perlit unterscheidet sich von Martensit dadurch, dass die Struktur von Perlit durch langsames Abkühlen gebildet wird. Es handelt sich um ein Schichtensystem aus Ferrit und Zementit. Bei 723 ºC wandelt sich das Gamma-Eisen von seiner FCC-Struktur in Alpha-Eisen um und verdrängt das Eisenkarbid (Zementit) aus der Lösung.
Welche Methoden gibt es zum Härten von Stahl?
Es gibt verschiedene Methoden zum Härten von Stahl. Insbesondere wird zwischen den folgenden Techniken unterschieden:
- thermisch (z. B. isothermische Härtung),
- mechanisch,
- Chemie
- eine Kombination aus zwei oder mehreren dieser Möglichkeiten.
Das thermische Härten ist die gängigste Methode zum Härten von Stahl. Es umfasst in der Regel drei grundlegende Schritte, darunter das Erhitzen des Stahls, das Halten auf einer bestimmten Temperatur und das Abkühlen. Im ersten Schritt wird das Metall auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um innere strukturelle Veränderungen zu bewirken. Es erleichtert auch die Bearbeitung des Metalls, z. B. die Änderung seiner Form.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Stahl zu härten:
Kaltbearbeitung – Wie kann man Stahl kalt härten? Die Kaltbearbeitung verändert häufig die Eigenschaften des Stahls oder Metalls. Bei dieser Methode der Stahlhärtung wird das Metall einfach bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes verformt. In diesem Fall steigen Eigenschaften wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte, während die Duktilität und Verformbarkeit des Materials abnehmen. Während etwa 90 % der Energie bei der Kaltbearbeitung in Form von Wärme abgeführt werden, wird der Rest im Kristallgitter gespeichert und erhöht dessen innere Energie.
Abschrecken von Legierungen in Lösung – Bei diesem Verfahren werden dem Grundmetall Legierungselemente zugesetzt, um eine feste Lösung zu bilden. Danach härtet das Metall durch das Vorhandensein von Legierungsatomen im Gitter des Grundmetalls. Der Größenunterschied zwischen den Atomen des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels beeinflusst die Wirksamkeit von festen Lösungen. Wenn die gelösten Atome größer sind als die Lösungsmittelatome, entsteht ein Druckspannungsfeld. Sind die gelösten Atome hingegen größer als die gelösten Atome, so liegt ein Zugspannungsfeld vor. Die gelösten Atome, die das Gitter zu einer tetragonalen Struktur verdrehen, bewirken eine schnelle Aushärtung.
Härten und Anlassen – Bei diesem Verfahren wird der Stahl auf eine kritische Temperatur oberhalb des Austenitbereichs erhitzt, dort gehalten und dann schnell abgekühlt oder, was häufiger der Fall ist, in Wasser, Öl oder geschmolzenem Salz abgeschreckt. Bei untereutektoiden Stählen liegt die Erwärmungstemperatur 30-50 ºC über der Austenitauflösungslinie. Bei übereutektoiden Stählen ist die Temperatur höher als die eutektoide Temperatur. Das Härten bewirkt eine martensitische Umwandlung, die den Stahl erheblich härtet. Leider muss man bedenken, dass gehärteter Stahl sehr spröde ist und man mit diesem Teil der Metalloberfläche vorsichtig umgehen muss.
Induktionshärtung und Flammhärtung
Hierbei handelt es sich um eine Variante der Oberflächenwärmebehandlung, bei der das Bauteil schnell erhitzt wird, um eine Beschädigung des Materialkerns zu vermeiden. Das Material härtet dann schneller aus. Dadurch entsteht ein hoher Martensitanteil an der Oberfläche.
Diffusionshärten (Nitrieren)
Dies beinhaltet Veränderungen in der Zusammensetzung der oberflächennahen Zone. Die feinen Partikel werden dispergiert, so dass das ausgewählte Gas reagieren und in den Stahl diffundieren kann. Während dieses Prozesses wird der Stahl zu einer angelassenen martensitischen Struktur wärmebehandelt. Anschließend wird das Bauteil 12-36 Stunden lang einer Ammoniakatmosphäre bei etwa 550 °C ausgesetzt. Geringe Mengen an Legierungselementen wie Al oder Cr fördern die Bildung fein verteilter Nitride, was die Oberflächenhärte und die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert. Diese Nitridzusammensetzung übertrifft den Martensit in Bezug auf die Härte deutlich.
Aufkohlung
Dabei wird der Stahl einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei hohen Temperaturen ausgesetzt. Kohlenstoffatmosphären können aus hochwertigem Kohlenstoff oder zersetztem Erdgas hergestellt werden. Die Kohlenstoffatome diffundieren unter die Oberfläche des Metalls und bilden einen kohlenstoffreichen Film, der dann gehärtet wird und eine harte, verschleißfeste martensitische Oberfläche bildet.
Wie prüft man die Härte von Stahl?
Obwohl gewöhnliches Härten die Härte von Stahl beeinflussen kann, ist es dennoch nützlich, die maximale Härtetiefe und die Härtetestmethoden zu kennen. Für die Härte gibt es keine spezifische Maßeinheit. Stattdessen wird sie durch eine Indexnummer beschrieben. Es gibt verschiedene Härtetests, und das Maß, das zur Beschreibung der Härte eines Materials verwendet wird, hängt von dem jeweiligen Test ab. Einige gängige Härtetests sind:
- Brinell-Härteprüfung – Bei dieser Prüfung wird eine Stahlkugel mit bekanntem Durchmesser als Last auf die Oberfläche des Materials aufgebracht.
- Vickers-Härteprüfung – Bei der Vickers-Härteprüfung basiert die Belastung auf einer quadratischen Diamantpyramide. Die Last wird etwa 30 Sekunden lang auf die Oberfläche des Materials ausgeübt. Es wird die Spur der Pyramide berechnet, die dann zur Berechnung der Härte des Metalls herangezogen wird.
- Mikrohärteprüfung nach Knoop – Diese Härteprüfung ist für dünne Bleche oder sehr spröde Materialien vorgesehen. Die Spitze der Diamantpyramide bildet eine sehr kleine Vertiefung im Material. Die entstandenen Rillen werden anschließend unter dem Mikroskop untersucht und zur Berechnung der Materialhärte verwendet.
- Rockwell-Härteprüfung – Die Rockwell-Härte wird verwendet, um den Unterschied in der Härte von Stahl vor und nach der Wärmebehandlung zu messen. Der Penetrator kann eine Stahlkugel oder ein konischer Diamanteindringkörper sein. Die Härte wird anhand der Eindringtiefe des Materials gemessen. In der Regel werden zwei Lasten verwendet.
Stahlsorten, die gehärtet werden können
Die derzeit beliebtesten Stahlsorten zum Härten sind:
- Kohlenstoffstahl
- Legierter Stahl,
- Rostfreier Stahl
- Werkzeugstahl
Die Grundelemente von Stahl sind Eisen und Kohlenstoff. Allerdings bestimmen unterschiedliche Mengen an Kohlenstoff und anderen Legierungselementen die Eigenschaften der einzelnen Sorten. Der Kohlenstoffgehalt eines jeden Stahls bestimmt seine Härtbarkeit und die maximal erreichbare Härte. Dies gilt insbesondere für die Härtbarkeit, da Kohlenstoff die Bildung von Martensit fördert.
Zusammenfassung
Die Härtung von Stahl ist ein wesentliches Element bei der Verstärkung eines Materials, das in der Natur verbessert werden muss. Denken Sie jedoch daran, dies auf professionelle Weise und unter Einhaltung der oben genannten Leitlinien zu tun.